Comunicaciones bajo tierra y bajo el agua

En el envío del viernes, dedicado a Ángeles y Demonios y cómo localizar el contenedor de antimateria de forma más rápida, alguien comentó que estando la cámara bajo tierra, no llegaría la señal a los receptores de la Guardia Suiza. Ese detalle me ha hecho recordar dos errores similares en la película The Core, y en la serie de televisión SeaQuest.

En The Core, los "terranautas" a bordo del vehículo que viaja al núcleo de nuestro planeta, se comunican con la superficie transmitiendo voz sin problemas. En SeaQuest, la cosa va más allá, ya que aunque el submarino esté sumergido, los tripulantes se comunican con el exterior mediante audio y vídeo. Esto es sencillamente imposible, y vamos a ver por qué.

Las ondas electromagnéticas son atenuadas en distinta medida por diferentes materiales, dependiendo de la frecuencia de las mismas. La luz, por ejemplo, se atenua poco con el aire, algo más con el agua, y bastante con cualquier otro material no transparente. Como norma general, la penetración de las ondas electromagnéticas disminuye con la frecuencia (y no seáis mal pensados). Así, el sol y el cielo se vuelven rojos en el atardecer y amanecer, porque la luz debe atravesar una cantidad mucho mayor de aire, y la luz roja (la de menos frecuencia de todas) es la única que nos llega bien.

Hay excepciones, como los rayos X, que siendo de frecuencia superior a la luz visible, atraviesan los materiales blandos, pero en la mayoría de casos, se puede decir que disminuyendo la frecuencia, aumentamos la penetración.

Esto también se aplica a las transmisiones de radio. Por la experiencia cotidiana, sabemos que las ondas de radio son capaces de atravesar paredes de ladrillo y piedra, pero hasta cierto grosor. Dentro de un edificio, nuestros móviles tienen cobertura, pero si bajamos a un sótano o aparcamiento subterráneo la perderemos. Tambien sabemos que a las ondas electromagnéticas no se les da bien atravesar el metal. Si nos metemos dentro de un ascensor, en la mayoría de los casos nuestro móvil perderá su cobertura. Esto es debido a que las ondas electromagnéticas se atenúan muchísimo al intentar atravesar un material conductor de la electricidad, como el metal, o el agua salada.

Bueno, pero eso ya lo sabíamos todos. ¿Para qué tanta explicación? Pues porque como he dicho antes, al disminuir la frecuencia aumenta la profundidad de penetración (de las ondas). Es posible comunicarse mediante una transmisión de radio con alguien dentro de una mina, o a bordo de un submarino, pero deben utilizarse frecuencias muy muy bajas.

Así, en el rango de muy baja frecuencia (VLF, de Very Low Frequency), que se encuentra comprendido entre los 3 y 30 kHz, las ondas electromagnéticas pueden llegar a atravesar unas pocas decenas de metros de agua salada. La situación mejora en el rango de ultra baja frecuencia (ULF), entre 300 y 3.000 Hz, y puede ser utilizado para comunicarse en el interior de minas. Los siguientes rangos son el de super baja frecuencia (SLF), entre 30 y 300 Hz, y el de extremadamente baja frecuencia (ELF), entre 3 y 30 Hz (aunque a veces se considera que el rango ELF llega hasta los 300 Hz, incluyendo así el SLF). En esos rangos, las señales de radio ya pueden atravesar cientos de metros de agua salada y miles de km de roca.

Entonces, ¿lo de The Core y SeaQuest no es un error? Pues sí lo es, porque con frecuencias tan bajas tenemos dos problemas.

El primer problema es la transmisión de datos. La voz humana tiene una frecuencia más alta que el rango de ELF o SLF. De hecho, la señal de voz que utilizan las redes analógicas de telefonía fija, está comprendida entre los 300 y 3.400 Hz. Y ya suena distorsionada. Por debajo de 300 Hz es sencillamente imposible modular una señal de voz, si pretendemos que se transmita en tiempo real. Por eso, en las comunicaciones con un submarino mediante ELF, la transmisión no es de voz, sino que se emiten una serie de símbolos que se interpretan como texto. Un ejemplo de esto lo podemos ver en la película Marea Roja. En ella, vemos cómo los mensajes se reciben en un terminal de texto, y además con una lentitud exasperante (como unas pocas letras por segundo, o algo así). Además se hace referencia a la antena de ultra baja frecuencia (en realidad sería extremadamente baja frecuencia, pero no importa demasiado).

El segundo problema es el tamaño de la antena para una transmisión de ELF. Normalmente, para la emisión de ondas electromagnéticas es necesario que la antena sea tan larga como la mitad de la longitud de onda de la señal a emitir. Eso no es problema para un teléfono móvil, ya que en el rango en el que opera (microondas) la longitud de onda es entre 1 y 30 cm. Pero a 300 Hz, la longitud de onda es de 1.000 km. Y a 30 Hz, de 10.000 km. Si es un problema construir antenas de ese tamaño en tierra (el radio de nuestro planeta es de unos 6.400 km), imaginad cómo podría un submarino llevar un pedazo de antena de ese tamaño. De hecho, las antenas ELF se construyen de forma diferente a las convencionales, aprovechando el propio suelo como conductor de electricidad, con enormes electrodos enterrados en la tierra, separados decenas de km de distancia. Esto implica que las comunicaciones con submarinos utilizando ELF, son en un sólo sentido. El mando naval de turno transmite las órdenes y el submarino las recibe, sin posibilidad de responder.

Así pues, si bien es posible una comunicación parcial con submarinos completamente sumergidos, o incluso con vehículos en las inmediaciones del núcleo terrestre, ésta nunca podría ser mediante voz como en The Core, y no digamos ya con video como en SeaQuest. Y siempre teniendo en cuenta que el vehículo no podría transmitir. Sólo recibir.