Υποβρύχιο καλώδιο

Το υποβρύχιο καλώδιο τηλεπικοινωνιών τοποθετείται μέσα στη θάλασσα, προκειμένου για να προσφέρει υπηρεσίες τηλεπικοινωνίας μεταξύ χωρών. Τα πρώτα υποβρύχια καλώδια τηλεπικοινωνιών προσέφεραν υπηρεσίες στην τηλετυπία. Οι επόμενες γενεές καλωδίων προσέφεραν υπηρεσίες για την καθιέρωση της τηλεφωνίας και έπειτα στη μετάδοση ψηφιακών στοιχείων. Όλα τα σύγχρονα καλώδια χρησιμοποιούν την τεχνολογία οπτικών ινών για τη μεταφορά του βασικού ψηφιακού σήματος, το οποία εν συνεχεία χρησιμοποιείται για τη μεταφορά του τηλεφωνικού ή του ψηφιακού φορτίου. Από το 2003, τα υποβρύχια καλώδια συνδέουν τις ηπείρους όλου του κόσμου, με μόνη εξαίρεση την Ανταρκτική.

Τα πρώτα δοκιμαστικά

Μετά την ανακάλυψη του τηλέγραφου από τους Ουΐλιαμ Κουκ (William Cooke) και Τσαρλς Γουΐτστοουν (Charles Wheatstone) το 1839, η ιδέα μιας υποβρύχιας γραμμής που θα περνάει μέσα από τον Ατλαντικό Ωκεανό άρχισε να θεωρείται ως πιθανός μελλοντικός θρίαμβος της ανθρωπότητας.
Ο Σάμιουελ Μορς (Samuel Morse) ανακοίνωσε την αισιοδοξία του το έτος 1840, ενώ το 1842 καταπόντισε ένα καλώδιο στο λιμάνι της Νέας Υόρκης και έστειλε ένα τηλεγράφημα, αφού προηγουμένως το είχε μονώσει με πισσασφαλτωμένη κάνναβη και καουτσούκ από την Ινδία.
Το επόμενο φθινόπωρο, ο Γουΐτστοουν εκτέλεσε ένα παρόμοιο πείραμα στον κόλπο του Σουώνση. Ένα καλό μονωτικό υλικό για την περικάλυψη του καλωδίου και την αποφυγή ηλεκτρικού βραχυκυκλώματος στο νερό ήταν απολύτως αναγκαίο για την επιτυχία μιας μακροχρόνιας υποβρύχιας γραμμής.
Ο Ρώσος Μόριτζ φον Τζακόμπι (Moritz von Jacobi) είχε ήδη πειραματιστεί το 1811 με καουτσούκ από την Ινδία.
Ένα άλλο ελαστικό μονωτικό υλικό που έλειωνε από τη θερμότητα και διευκόλυνε τη χρήση του σε καλώδιο ανακαλύφτηκε το 1842. Το όνομά του ήταν gutta-percha και ήταν ο κολλώδης χυμός του δέντρου palaquium gutta, που το έφερε στην Ευρώπη ο Ουΐλιαμ Μοντγκόμερι (William Montgomerie), ένας Σκωτσέζος χειρουργός πού υπηρετούσε στη Βρετανική Εταιρία Ανατολικών Ινδιών (British East India Company).
Αφού ο Μάικλ Φαραντέι (Michael Faraday) και ο Γουΐτστοουν ανακάλυψαν σύντομα τα προτερήματα της γουταπέρκας ως μονωτικής ύλης, το πρότειναν το 1845 για εφαρμογή στο καλώδιο που επρόκειτο να τοποθετηθεί από το Ντόβερ στο Καλαί. Δοκιμάστηκε σε ένα καλώδιο που τοποθετήθηκε στον ποταμό Ρήνο μεταξύ του προαστίου Ντόιτς και της υπόλοιπης Κολωνίας.
Ο C.V. Walker, ηλεκτρολόγος του νοτιοανατολικού σιδηρόδρομου, πόντισε ένα καλώδιο που ήταν μονωμένο με γουταπέρκα κατά μήκος της ακτής του Ντόβερ το έτος 1849.

Τα πρώτα εμπορικά καλώδια

Τον Αύγουστο του 1850, η αγγλογαλλική επιχείρηση τηλεγράφων του John Watkins Brett πέρασε το πρώτο καλώδιο μέσα από τον Πορθμό της Αγγλίας. Επρόκειτο απλά για ένα καλώδιο χαλκού μονωμένου με gutta-percha, και χωρίς οποιαδήποτε άλλο προστατευτικό στρώμα. Το πείραμα χρησίμευσε απλά για να επεκτείνει την σύμβαση που υπήρχε, ενώ το επόμενο έτος, στις 13 Νοεμβρίου 1851, τοποθετήθηκε ένα καλώδιο με μονωμένο πυρήνα, το οποίο ρυμουλκήθηκε από το καλωδιακό πλοίο Blazer μέσα στο κανάλι. Το επόμενο έτος επετεύχθη η σύνδεση της Μεγάλης Βρετανίας με την Ιρλανδία.
Το 1852 συνδέθηκε το Λονδίνο με το Παρίσι με ένα καλώδιο Submarine Telegraph Company. Τον Μάιος του 1853 ενώθηκαν η Αγγλία με τις Κάτω Χώρες με ένα καλώδιο που πέρασε από την Βόρεια Θάλασσα, από την Οξφόρδη στη Χάγη.

Υπερατλαντικό καλώδιο τηλεγράφων

Η πρώτη προσπάθεια τοποθέτηση ενός υπερατλαντικού καλωδίου τηλεγράφων προτάθηκε από την Cyrus West Field, η οποία έπεισε τους Βρετανούς βιομηχάνους να χρηματοδοτήσουν την τοποθέτηση καλωδίου το 1858. Εντούτοις, η τεχνολογία τότε δεν είχε ακόμα εξελιχτεί αρκετά για αυτό το έργο, και έτσι πλήχτηκε από τα προβλήματα από την αρχή, και λειτούργησε μόνο έναν μήνα. Οι επόμενες προσπάθειες το 1865 και το 1866 με το μεγαλύτερο ατμόπλοιο του κόσμου για την εποχή εκείνη, τον Μέγα Ανατολικό χρησιμοποίησαν μια πιο προηγμένη τεχνολογία και επέτυχαν το πρώτο υπερατλαντικό καλώδιο. Ο Μέγας Ανατολικός αργότερα τοποθέτησε το πρώτο καλώδιο στην Ινδία το 1870.

Υποβρύχιο καλώδιο στην Ινδία, Σιγκαπούρη, την Άπω Ανατολή και την Αυστραλασία

Το 1863 συνδέθηκε η Βομβάη με την Σαουδική χερσόνησο. Το 1870 η Βομβάη συνδέθηκε με το Λονδίνο μέσω του υποβρύχιου καλωδίου σε μια συνεργασία τεσσάρων επιχειρήσεων τοποθέτησης καλωδίων, υπό την εντολή της βρετανικής κυβέρνησης. Το 1872 αυτές οι τέσσερις επιχειρήσεις συγχωνεύτηκαν και διαμόρφωσαν την πολυεθνική εταιρεία Eastern Telegraph Company υπό την κατοχή του John Pender. Μια θυγατρική της Eastern Telegraph Company ήταν η Eastern Extension, China and Australasia Telegraph Company, πιο γνωστές απλά ως the Extension.

Υποβρύχιο καλώδιο μέσα από τον Ειρηνικό

Το έργο αυτό ολοκληρώθηκε το 1902-03, συνδέοντας την αμερικανική ηπειρωτική χώρα με τη Χαβάη το 1902 και το Γκουάμ με τις Φιλιππίνες το 1903. Η σύνδεση του Καναδά, της Αυστραλίας, της Νέας Ζηλανδίας και των νησιών Φίτζι έγινε επίσης το 1902.

Η δομή του καλωδίου

Τα υπερατλαντικά καλώδια του 19ου αιώνα ήταν κατασκευασμένα από μια εξωτερική επίστρωση καλωδίων, αρχικά από σίδηρο και αργότερα από χάλυβα, τυλιγμένα σε καουτσούκ Ινδίας και gutta-percha, και περιείχαν ένα πολυαρτηριακό καλώδιο χαλκού για πυρήνα. Τα άκρα του καλωδίου που βρίσκονταν κοντά στην ακτή είχαν μια πρόσθετη προστατευτική θωράκιση. Η Gutta-percha, ένα φυσικό πολυμερές σώμα παρόμοιο με το λάστιχο, είχε σχεδόν ιδανικές ιδιότητες για τη μόνωση των υποβρύχιων καλωδίων. Έμεινε σε εφαρμογή μέχρι που αντικαταστάθηκε από το πολυαιθυλένιο στη δεκαετία του '30.

Προβλήματα ευρυζωνικότητας

Τα πρώτα υποβρύχια καλώδια μεγάλης απόστασης αντιμετώπισαν τρομερά προβλήματα σχετικά με τον ηλεκτρισμό. Αντίθετα από τα σύγχρονα καλώδια, η τεχνολογία του 19ου αιώνα δεν προέβλεπε την χρήση ενισχυτών μέσα στο καλώδιο. Για να υπερνικήσουν το μήκος και την τεράστια ηλεκτρική αντίσταση των καλωδίων αναγκαστικά χρησιμοποιούσαν πολύ υψηλές τάσεις, πράγμα που σε συνδυασμό με τις άλλες ηλεκτρικές του ιδιότητες, την χωρητικότητα, αυτεπαγωγή και ηλεκτρική αντίσταση των καλωδίων μείωνε σημαντικά το εύρος των ηλεκτρικών παλμών και ήταν σοβαρός περιορισμός για τη λειτουργία του καλωδίου. Κατά συνέπεια, τα καλώδια είχαν πολύ περιορισμένο εύρος ζώνης. Το 1823, ο Francis Ronalds έκανε μια παρατήρηση, η οποία στην συνέχεια εξηγήθηκε από τον Michael Faraday. Ο Faraday απέδειξε ότι ο μανδύας του καλωδίου ενεργεί ως πυκνωτής που τροφοδοτείται από τους ηλεκτρικούς παλμούς που διαρρέουν το καλώδιο κατά μήκος και τα αντίστοιχα ηλεκτρικά ρεύματα που δημιουργούνται από την αυτεπαγωγή του καλωδίου μέσα στο νερό. Τα πρόωρα σχέδια καλωδίων δεν το είχαν λάβει υπόψιν τους αυτό το φαινόμενο. Όπως είναι γνωστό, ο E.O.W. Whitehouse είχε απορρίψει όλα τα προβλήματα υποστηρίζοντας την άποψή του, ότι το υπερατλαντικό καλώδιο ήταν εφικτό. Όταν έγινε στη συνέχεια ηλεκτρολόγος στην Atlantic Telegraph Company αναμίχθηκε σε μια δημόσια διαφωνία με τον William Thomson. Ο Whitehouse πίστευε ότι, η λειτουργία οποιουδήποτε καλωδίου απλά ήταν θέμα ηλεκτρικής τάσης. Λόγω των υπερβολικών τάσεων που ο Whitehouse συνέστησε, τα πρώτα υπερατλαντικά καλώδια που τοποθέτησε η Cyrus West Field δεν λειτούργησε ποτέ, και τελικά βραχυκυκλώνονταν όταν Whitehouse αύξησε την τάση πέρα από το φυσικό όριο του καλωδίου.
Ο Thomson τελικά περιέγραψε με αναλυτική μαθηματική εξίσωση την διάδοση των ηλεκτρικών σημάτων στα καλώδια τηλεγράφων βασισμένα στην χωρητικότητα και την αντίστασή τους. Λόγω των χαμηλών συχνοτήτων των ηλεκτρικών παλμών της εποχής εκείνης, δεν περιέλαβε το φαινόμενο της αυτεπαγωγής. Το 1890, ο Oliver Heaviside εξέλιξε την εξίσωση δίνοντας της την σύγχρονη γενική μορφή που περιλαμβάνει και την αυτεπαγωγή. Η εργασία του Heaviside ήταν πολύ χρήσιμη για την επέκταση της θεωρίας της τηλεπικοινωνίας υψηλών συχνοτήτων για την μεταφορά δεδομένων και φωνής.

Υπερατλαντική τηλεφωνία

Ενώ η τοποθέτηση του υπερατλαντικού τηλεφωνικού καλωδίου εξετάστηκε σοβαρά από τη δεκαετία του 1920, πολλές τεχνολογικές πρόοδοι απαιτήθηκαν μέχρι την εμπορικοποίηση των τηλεπικοινωνιών τη δεκαετία του 1940.
Το 1942, οι δυο αδελφοί Ζίμενς στο Charlton του Λονδίνου σε συνεργασία με το Εθνικό Εργαστήριο Φυσικής, εξέλιξαν την τεχνολογία υποβρύχιων καλωδίων τηλεπικοινωνιών και δημιουργήσουν τη παγκόσμια πρώτη υποβρύχια σωλήνα πετρελαίου κατά τη διάρκεια του δεύτερου παγκόσμιου πολέμου. Το πρώτο υπερατλαντικό σύστημα τηλεφωνικών καλωδίων ήταν το TAT-1 (αγγλ. Transatlantic No. 1). Μεταξύ του 1955 και 1956, διάφορα καλώδια είχαν τοποθετηθεί μεταξύ του κόλπου Gallanach, κοντά στο Oban της Σκωτίας και των Clarenville, του Newfoundland και του Λαμπραντόρ. Τα εγκαίνια γίνανε στις 25 Σεπτεμβρίου 1956, μεταφέροντας αρχικά 36 τηλεφωνικά κανάλια.

Τεχνολογική εξέλιξη

Στη δεκαετία του 1960 τα υπερωκεάνια καλώδια μετέφεραν ραδιοσήματα με συμπλεγμένη συχνότητα. Η τροφοδοσία των επαναληπτών γινόταν με ένα καλώδιο υψηλής τάσης. Οι επαναλήπτες ήταν απλοί ενισχυτές με ηλεκτρονικές λυχνίες, οι οποίοι όμως δούλευαν πάρα πολύ αξιόπιστα. Πολλά από αυτά τα καλώδια θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ακόμα και σήμερα, αλλά όμως δεν είναι πλέον εμπορικά εκμεταλλεύσιμα επειδή η ευρυζωνία τους είναι πάρα πολύ μικρή για τις σύγχρονες ανάγκες. Μερικά από αυτά έχουν χρησιμοποιηθεί ως επιστημονικά όργανα για την μέτρηση σεισμικών κυμάτων και άλλων γεωμαγνητικών γεγονότων.
Στη δεκαετία του 1980 αναπτύχθηκαν τα καλώδια οπτικών ινών. Το πρώτο υπερατλαντικό τηλεφωνικό καλώδιο οπτικής ίνας ήταν το ΤΑΤ-8, το οποίο μπήκε σε λειτουργία το 1988.
Οι σύγχρονοι επαναλήπτες οπτικών ινών χρησιμοποιούν έναν οπτικό ενισχυτή στερεάς κατάστασης. Κάθε επαναλήπτης περιέχει ιδιαίτερο εξοπλισμό για κάθε ίνα και περιλαμβάνουν τη μεταρρύθμιση σημάτων, τη μέτρηση λάθους και την λειτουργία ελέγχου. Ένα λέιζερ στερεάς κατάστασης αποστέλλει το σήμα στο επόμενο τμήμα της ίνας. Το λέιζερ στερεάς κατάστασης διεγείρει ένα μικρό τμήμα της ενισχυμένης ίνας λειτουργώντας ως ενισχυτής. Καθώς το φως περνά μέσω της ίνας, ενισχύεται. 
Αρχικά, τα υποβρύχια καλώδια ήταν απλές συνδέσεις από σημείο σε σημείο. Με την ανάπτυξη των υποβρύχιων μονάδων διακλαδισμού (αγγλ. Submarine Branching Unit, SBU), οι συνδέσεις εξυπηρετούνται ταυτόχρονα από ένα ενιαίο σύστημα καλωδίων. Τα σύγχρονα συστήματα καλωδίων τώρα συνήθως εφαρμόζουν με τις ίνες τους ένα αυτοδιορθούμενο δακτύλιο και είναι εφοδιασμένα με περιττά, εφεδρικά τμήματα σε διαφορετικές πορείες μέσα από τον ωκεανό, έτσι ώστε σε περίπτωση βλάβης ενός τμήματος να μπορεί να ενεργοποιείται κάποιο άλλο εφεδρικό χωρίς διακοπή της όλης σύνδεσης.
Επειδή η εφεδρική ικανότητα δεν είναι παντού απαραίτητη, τα σύγχρονα συστήματα καλωδίων έχουν διπλά σημεία σύνδεσης σε χώρες όπου απαιτείται η ικανότητα εφεδρείας, και απλά σημεία σύνδεσης σε άλλες χώρες όπου η ικανότητα εφεδρείας είτε δεν απαιτείται, ή η κατοχή της εφεδρείας θεωρείται όπως πάρα πολύ ακριβή.
Μια περαιτέρω ανάπτυξη εφεδρικών τμημάτων πέρα αυτής των αυτοδιορθούμενων δακτυλίων είναι το «δίκτυο πλέγματος» με το οποίο ο γρήγορος εξοπλισμός μετατροπής χρησιμοποιείται για να μεταφέρει τις υπηρεσίες μεταξύ των πορειών δικτύων έτσι ώστε πορείες με βλάβη να μην διακόπτουν την σύνδεση.

Επισκευή καλωδίων

Αν και είναι καλυμμένα με ειδικές χελώνες, τα καλώδια μπορούν να πάθουν ζημιά από διάφορες αιτίες. Τα αλιευτικά εργαλεία που χρησιμοποιούν τα σύγχρονα αλιευτικά σκάφη, οι σεισμοί, οι υποθαλάσσιες κατολισθήσεις ή ακόμη και το δάγκωμα καρχαρία συγκαταλέγονται ανάμεσα στις αιτίες καταστροφής.
Οι διακοπές αρχικά ήταν κοινό πρόβλημα των πρώτων καλωδίων αφενός εξαιτίας της χρήσης απλών υλικών, αφετέρου επειδή τα καλώδια τοποθετούνταν άμεσα στον πάτο του ωκεανού αντί να θάβονται σε ειδική τάφρο. Τα καλώδια επίσης μερικές φορές κόβονταν από εχθρικές δυνάμεις σε εμπόλεμη περίοδο.
Ο σεισμός της Newfoundland του 1929 έκανε ζημιά σε μια σειρά υπερατλαντικών καλωδίων, όταν προκάλεσε μια ογκώδη υποθαλάσσια κατολίσθηση. Ο σεισμός του Hengchun στις 26 Δεκεμβρίου 2006 επίσης κατέστρεψε πολλά καλώδια κοντά στην Ταϊβάν.
Όταν ένα καλώδιο χρειάζεται επισκευή, το τμήμα που έχει πάθει βλάβη ανελκύεται στη επιφάνεια με ειδικό γερανό. Το καλώδιο κόβεται στο βυθό και το κάθε άκρο του φέρεται χωριστά στην επιφάνεια, όπου και συνδέεται με ένα νέο τμήμα. Επειδή το επισκευασμένο καλώδιο είναι μακρύτερο από το αρχικό, όταν τοποθετείται στο βυθό σχηματίζει σκόπιμα καμπύλη στον πυθμένα της θάλασσας. Τα καλώδια που βρίσκονται κοντά στην επιφάνεια μπορούν να επισκευαστούν και με ειδικό υποβρύχιο σκάφος ή υποβρύχιο κώδωνα μεταφοράς προσωπικού.