Нейтринные коммуникации: как решают проблемы со связью подлодок

Современные субмарины настолько бесшумны, что, говорят, будто целый подводный ракетный крейсер может пройти мимо пловца в море незамеченным, если только тот не заденет его ногой. Уходя на глубину в десятки и сотни метров, они становятся неслышимы и невидимы для радаров: для радиосигнала водная среда почти непрозрачна. По той же причине и связь с подлодками остается слабой и ограниченной.
Нейтринные коммуникации: как решают проблемы со связью подлодок

Свободно движутся сквозь воду лишь волны частотой несколько герц и длиной в десятки и сотни тысяч километров. Однако генерация таких сверхдлинных радиоволн требует огромной энергии, и каждая станция связи, способная использовать крайне низкие частоты, – чрезвычайно сложный и дорогостоящий проект, большинству стран либо не слишком нужный, либо вовсе непосильный. Насколько известно, подобные системы применяются лишь российским («Зевс») и американским (Seafarer) «подплавом».

При этом для принятия сигнала субмарина должна выбросить магнитную антенну достаточной длины и буксировать ее, снижая свою невидимость. Эффективность такой связи невысока: с помощью медленно колеблющихся волн возможно передавать в минуту не больше пары бит данных. 

Для полноценных коммуникаций приходится использовать более короткие радиоволны диапазона очень низких частот. Они способны проникать на глубину примерно 20 м, позволяя подводникам оставаться под водой, ограничиться более короткими антеннами и увеличить пропускную способность примерно до 50 бит/с. С излучением такого сигнала справляются не только циклопические радиостанции, но и, например, специализированные командные самолеты с буксируемыми тросами-антеннами длиной до нескольких километров. Все эти сложности возникают из самой природы электромагнитных колебаний и, кажется, в принципе непреодолимы.

Субмарина

Новые источники

Ученые не оставляют попыток наладить принципиально новый канал связи с подводными аппаратами, в котором роль радиосигнала отводится модулированному пучку нейтрино. Эти частицы не несут заряда, почти ничего не весят и свободно проходят сквозь самую плотную среду. Нередко упоминается, что нейтрино способен пролететь насквозь слой свинца толщиной в тысячу световых лет. Тем более не помеха для них километры океанских глубин. Потоки нейтрино прилетают к нам от Солнца, из далекого космоса, и продолжают свое путешествие, ничего не замечая. Лишь редчайшие из них, столкнувшись с частицами атомного ядра, оставляют хоть какие-то следы своего визита, – и в этом случае их удается детектировать.

В получении узконаправленных потоков нейтрино особых затруднений нет: для этого существуют синхротроны. Разогнав пучок протонов и направив его в мишень, можно получить целый «душ» мезонов, быстрых и короткоживущих частиц, которые через долю секунды распадаются с образованием узкого, коллимированного пучка мюонных нейтрино. Такой излучатель способен обеспечить передачу сигнала в любую точку планеты, просто просвечивая ее насквозь и пересылая в минуту уже целые десятки байт.

Fermilab NuMI

Прием и передача

Уловить нейтрино непросто, но отдельные частицы из потока все-таки можно зарегистрировать и с подлодки. Для этого корпус можно покрыть тонкой металлизированной оболочкой, превратив его в многометровый детектор. Еще перспективнее оснастить судно датчиками черенковского излучения, которое создают некоторые нейтрино, пролетая сквозь воду. Этот подход намного увеличивает размеры принимающей «антенны»: вспышки можно обнаруживать с расстояния до нескольких километров, а искусственный интеллект наверняка поможет выделить нужный сигнал из естественного светового шума океана.

В 2012 году нейтринная связь была продемонстрирована на практике. Используя источник Fermilab NuMI, физики передали сигнал на расположенный в километре от него детектор MINERvA, экранированный 210 м скальной породы. Первым словом было «нейтрино», и на его пересылку со скоростью 0,1 бит/с ушло почти 2,5 ч. «Для практического применения потребуются существенные усовершенствования генераторов и детекторов», – резюмировали ученые.

Схема передачи сигнала

Но даже если такой прогресс будет достигнут, нейтринная связь останется односторонней – как радиоточка или телевизор. Единственным выходом из этого кажется установка на подлодке настоящего синхротрона, собственного источника нейтрино, – задача уж совсем фантастическая. Но ведь когда-то и ядерный реактор на борту судна казался чем-то невероятным.