Innovació en les xarxes de telecomunicacions

La velocitat, la capacitat i la fiabilitat d'una nova tecnologia de banda ampla que ofereix la fibra,  oferirà la connectivitat necessària per a aplicacions pels cotxes sense conductor i les flotes de drons.

Hi ha un estudi que es va publicar el 28 d'agost a Nature Electronics en el qual, es descriu com la nova tecnologia de telecomunicacions, anomenada  frequency referenced multiplexing, podria proporcionar més de 20 vegades la capacitat de les millors xarxes de banda ampla de fibra i 65 vegades la velocitat típca de la banda ampla residencial juntament, amb una connexió garantida amb baixa latència.

Les xarxes de telecomunicacions són fonamentals per al funcionament d'Internet, és a dir, són l'equivalent digital de les carreteres que porten les dades que ens connecten al núvol. Les millors xarxes utilitzen cables de fibra òptica per transmetre i rebre informació. Per a la nova banda ampla de fibra, la multiplexació per divisió de temps (TDM) és la tecnologia més comuna que s'utilitza per gestionar el trànsit, que combina les dades de diversos usuaris en un sol senyal. A cada usuari se li assignen intervals de temps curts en què les seves dades es poden transferir en paquets els quals, es recomposen al destí.

El problema de la TDM és que les dades de cada usuari han d'esperar una franja de temps a abans que es transmetin a través de la fibra. Amb l'actual tecnologia, això és necessari per coordinar la transmissió a través de la fibra però, limita la capacitat de dades i augmenta el temps necessari per enviar dades a través de la xarxa.

Els serveis de banda ampla de fibra més ràpids d'avui dia ofereixen velicitats de més d'un gigabit per segon (Gb/s). L'ús de la banda ampla de la fibra ha augmentat molt en els darrers anys amb el desplegament de les connexions de fibra òptica a les llars i a les empreses, però per a la majoria dels usuaris de banda ampla.

La demanda de velocitats més ràpides i connexions més fiables també ha augmentat molt, des de l'augment dels serveis en streaming i l'ús de videoconferències per part de les persones que treballen des de casa des de la pandèmia de la COVID-19. Però determinades aplicacions com són, les xarxes de cotxes sense conductor, requeriran velocitats encara més altes i connexions gairebé garantides per funcionar de manera segura i eficient.

Per això, la frequency referenced multiplexing pot superar les limitacions de latència i ample de banda dels sistemes actuals com  és el TDM.

La sincronització de freqüència habilitada per tècniques de processament de senyal proporcionen a cada usuari un canal dedicat òptic. Per tant, cada usuari té l'equivalent digital del seu propi carril de carretera dedicat per comunicar-se amb el núvol. 

La frequency referenced multiplexing assolirà més de 20 vegades la capacitat i més de 65 vegades la velocitat de la banda ampla típica actual. Com que les dades de l'usuari es transmeten i es reben en paral·lel, això redueix la latència, el consum d'energia i els problemes de capacitat de manera què,  té el potencial de reduir el cost de la futura banda ampla de fibra, així com augmentar la disponibilitat i la velocitat de la xarxa per a cada usuari del núvol.

Ramon Gallart.

Guerra de corrents.

Fa més de cent anys que Thomas Edison no va poder adoptar la seva tecnològica  basada en el corrent continu vers la propasts de George Westinghouse i Nikola Tesla que defensaven el corrent altern.

Amb un sistema de corrent altern, la incipient indústria elèctrica li era més fàcil canviar entre diferents nivells de tensió i això, permet que l'energia fos més fàcil per la seva distribució i transport gràcies a l'alta tensió la qual cosa, minimitza les pèrdues. Quan l'electricitat arriba a una zona a electrifcar, es pot tornar a convertir a les adequades baixes tensions per al seu ús a les llars i les empreses. El corrent continu, no te aquesta capacitat pel que, el sistema d'Edison hauria requerit la instal·lació d'un generador elèctric a tots els barris.

Si be es sap que Edison  exagerava sobre els perills de l'AC per fer què la societat desconfiés però, és cert que també tenia grans coneixements sobre l'energia elèctrica. Per exemple, va considerar la seva sostenibilitat molt abans que es convertís en un tema popular. Llavors en una convers del 1931 amb Henry Ford i Harvey Firestone va dir:

"Som com els pagesos que tallen com a cobustible la tanca de fusta de la seva massia, quan hauríem d'utilitzar les fonts inesgotables d'energia de la natura: el sol, el vent i la maritima. Espero que no haguem d'esperar fins que s'acabin el petroli i el carbó abans d'abordar-ho".

Fa temps que s'està intentant fer front als problemes de la sostenibilitat recorrent a diverses formes d'energia renovable. Però algunes d'aquestes fonts —centrals hidroelèctriques, parcs eòlics i centrals d'energia solar tèrmica, per exemple— requereixen de grans instal·lacions en llocs que sovint estan lluny dels nuclis de població. Això, exigeix ​infraestructura de transport i distribució d'electricitat. Tot i així, el tranport també te una penalització en la seva eficiència que a a Espanya i segons REE s'estimen al voltat del 10%. 

Només per aquest motiu, val la pena revisar la visió d'Edison pel que fa a la generació elèctrica local. Això vol dir que pot ser d'interès un sistema de generació i distribució d'energia local en forma de corrent continu entès com una microxarxa. L'actual concepció és força semblant a la que tenia en ment Edison, però amb l'avantatge  que la xarxa local de corrent continu és capaç de funcionar en paral·lel amb la xarxa de corrent alterna dels distribuïdors o aïlladament.

Les microxarxes de corrent continu, amb un impacte molt més petit, eviten la majoria de pèrdues del transport i distribució. També eliminen el malbaratament d'energia associat a la conversió de CA a CC, que es requereix per a moltes de les càrregues elèctriques actuals com són: llums LED, motors de velocitat variable, ordinadors, televisors i moltes altres formes d'electrònica de consum. Aquestes càrregues, representen un consum creixent de l'electricitat. 

Actualment on hi ha una major preocupació per l'eficiència energètica i les emissions de diòxid de carboni, les microxarxes de corrent continu, tenen molt a oferir. No obstant això, els sistemes tradicionals de distribució de Vac, encara són molt majoritaris.

Els únics llocs on es podrien trobar xarxes locals Vdc són dins els centres de dades i telecomunicacions o, a una escala molt més petita, dins d'automòbils, vaixells i avions. Però s'espera veure més microxarxes de corrent continu.

Per exemple, els futurs llocs avançats de l'exèrcit en zones de guerra probablement els utilitzaran per reduir el consum d'energia i per desplegar turbines eòliques i panells fotovoltaics amb més facilitat. Reemplaçar els generadors dièsel habituals per fonts d'energia renovables seria especialment valuós en territori hostil, on els costos del combustible poden ser enormement elevats.

Les microxarxes de corrent continu també poden ser d'interès per a determinades operacions de fabricació intensives en energia. Aquests inclouen la producció de paper i pasta i la fosa d'alumini, que ara malgasta més del 6% de l'energia total consumida en la conversió de corrent alterna a corrent continu.

Les microxarxes de corrent continu també són molt prometedores per als edificis residencials i comercials on podrien donar servei a les moltes càrregues elèctriques que funcionen en Vdc. Aquests inclouen il·luminació LED i, cada cop més, estacions de recàrrega per a vehicles elèctrics. Els equips de calefacció, ventilació i aire condicionat (HVAC) i diversos electrodomèstics també són adequats per alimentar-se amb corrent continu. Això es deu al fet que els tipus d'equips i aparells HVAC més eficients energèticament incorporen  motors de velocitat variable, per als quals l'energia de Vac cal passar-la a Vdc. Per tant, seria senzill i més eficient alimentar aquests motors directament des d'una font local de corrent continu.

Al costat de la generació per microxarxes, aquests desenvolupaments són més interessants donat que cada cop hi han més i més panells fotovoltaics muntats als terrats de les cases o edificis comercials. Aquests panells produeixen energia continua. I fins i tot, si tota aquesta potència s'utilitza a l'edifici on es genera, l'electricitat que flueix d'aquests panells es converteix normalment Vac mitjançant un conversor, que malgasta al voltant del 10% de l'energia. La tenció en Vac, s'envia a diverses càrregues, algunes de les quals converteixen l'electricitat de nou en Vdc, en el procés torna a haver malbaratament  de l'energia. Poder distribuir i utilitzar Vdc dins d'un edifici evitaria les substancials pèrdues que es deriven d'haver de fer les transformación Vdc-Vac-Vdc.

Altres raons per fomentar una proliferació de les microxarxes de corrent continu provenen del món en desenvolupament, on uns 3.000 milions de persones encara cremen llenya, carbó vegetal o fems d'animals per cobrir les seves necessitats energètiques diàries. Aquesta gent, té ganes de veure com l'electrificació arriba a les seves comunitats, però no està clar quina forma hauria de prendre aquesta electrificació.

Amb el cost decreixent de l'electricitat generada per la fotovoltaica i les turbines eòliques, les microxarxes de corrent continu poden ser la manera més eficaç de proporcionar energia elèctrica a aquells que encara no en tenen. De la mateixa manera que l'ús dels telèfons mòbils al món en desenvolupament va sorgir  sense la xarxa de coure ni linilies físiques fixes, les microxarxes de corrent continu podrien superar el sistema tradicional de generació de Vac centralitzada. El mercat de les microxarxes al món en desenvolupament podria ser enorme, i aportaria beneficis a les regions que actualmentn estan mal ateses.

És evident que les microxarxes de corrent continu són una promesa per a una gran varietat de situacions. Llavors, per què encara són tan poques i es veun llunyanes?

Una part de la culpa, almenys als països desenvolupats, es pot atribuir a antics codis de construcció que dificulten el disseny de la infraestructura necessària per generar i distribuir energia local de corrent continu. 

Establir estàndards tècnics per a microxarxes de corrent continu, tot i que és un repte, no és l'únic problema. Una altra barrera prové de l'entorn normatiu al qual s'enfronten les persones o les empreses quan volen compartir l'energia que generen, encara que només la vulguin enviar a altres persones del seu entorn més proper.

Distribuir l'energia des dels panells solars del terrat a diversos pisos en un edifici pot ser molt fàcil des del punt de vista tècnic, però es trobaran molts obstacles legals. La venda d'energia a altres pisos violaria el monopoli de la companyia elèctrica local? Què passa si cal complementar l'energia amb la xarxa elèctrica a Vac i convertint-la a Vdc? Aquestes preguntes s'estan començant a respondre amb les comunitaas energètiques locals.

Durant més d'un segle, les xarxes elèctriques Vac han proporcionat la base per a les societats industrialitzades. L'adopció de la Vac va permetre modificar les tensions mitjançant transformadors, permetent que l'electricitat es transportés a llargues distàncies fins i tot amb els sistemes més antics. L'enfocament  de la Vdc d'Edison no ho hauria permès. I com que l'electricitat es va utilitzar inicialment per alimentar motors d'inducció i llums incandescents, la corrent alteran va ser l'opció.

Ara les coses comencen a ser diferents. D'una banda, hi han convertidors d'energia d'estat sòlid  Vdc-Vdc amb eficiències que ja són al voltant del 95%.  Per tant, ja no hi ha cap preocupació sobre com canviar els nivells de tensió En Vdc ni com transportar-la a llargues distàncies. De fet, les línies d'AT de transport de corrent continu s'utilitzen sovint per enllaçar xarxes de Vac que estan separades, en part perquè obvien la necessitat de sincronització entre xarxes.

La majoria de les càrregues ara són essencialment de corrent continu, de manera que subministrar-les des d'una font de corrent continu simplificaria els seus circuits d'alimentació i estalviaria energia en general.

Aquests desenvolupaments  fan preguntar-nos per què la Vdc no ha substituït la Vac ja que, a més d'estalviar energia, aquest moviment significaria que ja no seria necessari que els fabricants d'equips electrònics s'adaptin als diferents estàndards de tensió i freqüència de la Vac actuals.

La principal raó per la qual la Vac continua present, ve donada per la dificultat de  substituir-se completament per equips de corrent continu. Així que seguim utilitzant-la, tot i que la justificació original per fer-ho ja no existeix. Aquesta situació és massa comuna.

A vegades, un canvi a les noves tecnologies és inevitable, fins i tot quan la transició promet ser cara o pertorbadora. I per a les xarxes elèctriques, tenim el luxe de poder començar poc a poc de nou. Per tant, estem anant cap un món en que te sentit adoptar les microxarxes de corrent continu, un model vell però nou per proporcionar electricitat a la societat.

Ramon Gallart

Estudi dels llamps.

Existeixen diferents mètodes artificials per crear llamps. Per exemple, amb un llançament de coet també es pot fer desencadenar una descàrrega que generi un llamp.

Quan un coet s'enlaira en una tempesta són un objectiu natural per als llamps. Per exemple, l'Apollo 12 va ser impactat per dos llamps just després de l'enlairament.

Però fer llamps no requereix de coets tan grans com els Apollo. Per situar-se a una distància d'una  tempesta, un coet només necessita pujar uns quants centenars de metres i això vol dir que, pot ser petit i senzill. El coet pot ser més petit que una persona que te un fil de coure molts prim el qual, està connectat a terra per crear una via conductora d'electricitat perquè la càrrega elèctrica viatgi entre la terra i el cel. Llavors, el corrent elèctric del cable es pot mesurar per observar els fenòmens elèctrics que fan possible i condueixen a la primera descàrrega.

Hi ha una nova manera de fer-ho que evita el cable de coure com a camí o via elèctrica,  crear el camí  quimicament i això es fa dopant el combustible del coet amb petites quantitats de sal.

El clorur de sodi, el clorur de calci o el clorur de cesi quan són expulsats a temperatures altes des del motor, els diferents clorurs es divideix en components d'ions carregats. Els àtoms de Cs, Ca o Na carregats positivament es refreden i s'uneixen amb les molècules d'aigua que hi ha a l'aire, formant gotes d'aigua salada. Aquestes gotes són molt més conductores de l'electricitat que les gotes d'aigua dolça, deixant un rastre d'alta conductivitat a l'estela del coet.

Un parell de llocs que es fan aquest experiments és Florida i també Nou Mèxic, on les muntanyes proporcionen bons punts de llançament. Quan el cel es torna fosc pels núvols  i adquireix un aspecte tempestuós, la càrrega elèctrica s'acumula al núvol, creant un camp elèctric a través de l'atmosfera.

En la majoria dels casos, els electrons s'apleguen a la part més baixa dels núvols, provocant una càrrega neta negativa que atrau la càrrega positiva al sòl. Els objectes conductors que destanquen en alçada tenen tendència a acumular càrrega positiva. Això provoca que l'excés de càrrega negativa del núvol generi un cami que fa circlar els electrons per trobar l'equilibir potencial de nou. Els dos extrems comencen a enviar-se  espurnes. 

A mesura que el coet s'enlaira fa que la càrrega positiva puji i gràcies a la puta del coet que te gas ionitzat fa que els electrons  crein una regió d'alta conductivitat elèctrica. Aquesta espurna troba camins a través de l'atmosfera, atrets cap a la càrrega negativat. Tot i així, aquest fenòmen és molt complex i fa gairebé impossible predir quina serà la via que es generarà el llmap.

No obstant, en el moment en què una punta carregada positivament es connecta amb èxit amb la punta negativa del núvol, s'estableix una via conductora entre el núvol i el sòl. Un instant després, una ràfega d'electrons flueix pel camí, descarregant la càrrega del núvol a terra. El camí s'il·lumina amb el corrent, i li precedeix un trò provocat per l'ona de xoc.

Encara no es connexi el procés complex que desencadena el llamp. Tot i que la descàrrega és òbvia, la recerca no perment reconstruir l'escenari real però molt complex. Per exemple, es possible messura polsos de corrents que no ha esta genrades pels extremsque hi ha entre el núvl i el sòl. No obstnat, un elevat  període de flux de corrent indica que un extrem comença a cercar una connexió entre ells. Una caiguda gradual del corrent indica un extrem pert potencial, mentre que un corrent constant o creixent el qual acabarà surtint d'escala és un extrem que ha aconseguit fer una connexió i desencadenarà una descàrrega.

El elevat corrent  d'una descàrrega vaporitza el cable i l'escalfa en un plasma. El tub de metall ionitzat continua sent altament conductor, facilitant que més llamps aprofitin la mateixa via i és visible a l'ull com a llampecs repetits. Aquest vídeo  mostra com diferetn llampec circulen al llarg de les restes del cable.

Com l'astronomia, l'estudi dels llamps sovint és una ciència observacional. Al món natural es produeixen fenòmens complicats que cal de instruments per mesurar-los i després models per explicar-los. el llançament de coets apropa els fenòmens a les proves de laboratori en condicions controlades. Els llamps es poden induir i mesurar en certed condicions quantificablescom són l'altitud, camps predominants, potencial elèctric, etc., en lloc d'observar-los de manera passiva.

Tot i que els coets poden actuar com a parallamps aerotransportat, no és pràctic llançar desenes de coets cada vegada que sorgeixen núvols de tempestes. Tanmateix, la simplicitat, la comoditat i l'eficàcia provada dels llamps guiats per coets és una eina útil per a la recerca que busca aprendre més sobre el fenomen, ja sigui amb finalitats pràctiques o per curiositat científica.

Font:  Tom Hartsfield is a PhD physicist. He lives in Los Alamos, New Mexico