Украденное Открытие

 

1. Использование ВТСП для создания мобильной связи.

 

1.1. Технические аспекты.

 

 

       Как все мы наверняка ещё помним, вдруг, неожиданно и повсеместно, на рубеже 1993-1994 годов появилась мобильная связь. Также этот вид связи называется сотовым, поскольку вся территория, покрываемая данной связью, разбивается на своеобразные «пчелиные соты», внутри которых абонент автоматически связывается с той приёмо-передающей вышкой, сигнал от которой в данном месте является наилучшим.

 

       Наверняка многие задавали себе вопрос: почему такую связь нельзя было сделать на 10, 20, 50 или даже на 70 лет раньше, чем в 1994 году? Что этому мешало в техническом смысле?

 

       На первый взгляд, очевидным ответом на этот вопрос является задача коммутации абонентов, выполняющаяся в наше время на компьютерной технике. Но электромеханические коммутаторные станции в развитых странах стали вытесняться линиями с «тоновым» набором еще в 60-х – 70-х годах ХХ века, а к 80-м годам «тоновые» линии уже существовали повсеместно. Поэтому оперативно коммутировать разговоры миллионов абонентов с помощью электронных АТС на транзисторной или микроэлектронной элементной базе стало возможным уже к 80-м годам.

 

       Во-вторых, после коммутации двух абонентов для их разговора должен быть выделен отдельный канал передачи данных. Сколько таких каналов можно организовать на многожильном медном кабеле, предположительно соединяющем АТС такой системы? Вообще-то, достаточно много, но ограниченное количество. Многие наверняка помнят, что в 90-е годы, когда армия абонентов мобильной связи ещё далеко не дотягивала до численности населения, в «часы пик» в трубке зачастую можно было услышать «Направление перегружено…» или что-то подобное. В те годы сигнал ещё не кодировался в IP-пакеты и не передавался оптическими Интернет-каналами с обработкой данных на виртуальных серверах. Это всё появилось уже много позже – в конце первого десятилетия XXI века.

       Но принципиальная возможность соорудить систему массовой трансляции разговоров, расширяя возможности междугородней телефонной сети, существовала, причём уже в 50-х – 70-х годах XX века!

 

       В-третьих, существенным ограничением для абонентского приемо-передающего устройства всегда являлись его габариты и энерговооруженность. Однако, уже в 50-е годы полиция и другие государственные службы пользовались портативными рациями, работавшими, правда, в КВ-диапазоне. А в 70-е годы, после появления микроэлектроники, работающей на интегральных микросхемах, вопросы миниатюризации таких устройств были решены в принципе.

 

       Так в чём же дело?

 

       А секрет – в ограничениях, накладываемых на приёмные и передающие устройства такой системы, базовыми законами электротехники. Об этом я сейчас – просто и доступно – расскажу.

 

       Давайте вспомним, что в XX веке радиопередачи транслировались в разных частотных диапазонах. Существовали радиостанции, вещающие в длинноволновом диапазоне (ДВ), другие – на средних волнах (СВ), третьи – в коротковолновом диапазоне (КВ). Основная масса радиослушателей знала или догадывалась, что разная длина волны электромагнитного сигнала использовалась для радиовещания на разные расстояния. ДВ-диапазон уверенно покрывал расстояния до 1 тыс.км, СВ – до нескольких тысяч км, а вот для КВ-диапазона расстояния существенной роли не играли. Дело в том, что ионосфера Земли для электромагнитных волн КВ-диапазона служила своеобразным сферическим зеркалом, от которого КВ-сигнал многократно отражался и, при соответствующей мощности передатчика, мог огибать Землю, уверенно принимаясь на другой стороне земного шара. Именно на частотах КВ-диапазона велась «холодная война» между «социалистическим» и «капиталистическим» лагерями; радиостанции противников денно и нощно изливали на уши слушателей потенциального противника информацию, предназначавшуюся для пропаганды своих идеологий.

       Однако, при повышении несущей частоты радиосигнала наблюдался обратный процесс: расстояние уверенного приёма сигнала резко снижалось. Радиостанции, работающие в УКВ-диапазоне, в частности, телевышки, были слышны на расстояниях всего лишь в десятки километров, т.е. только при наличии прямой видимости между передатчиком и приёмником. А если частота радиосигнала повышалась до сотен мегагерц или переваливала в гигагерцовый диапазон, сигнал такого передатчика был различим на расстоянии всего лишь сотен, а то и десятков метров.

 

       Закодировать большое количество информации возможно лишь в высокочастотных радиодиапазонах. Например, создать сеть передачи голосовых данных означает, что внутри каждого отдельного диапазона необходимо вместить как минимум несколько десятков, а то и сотен отдельных поддиапазонов, каждый из которых будет использоваться в данный момент времени для связи между двумя конкретными абонентами. Но как этого достичь, если высокочастотный радиосигнал сразу же затухает, напоровшись на любое материальное препятствие в виде стены дома или даже нескольких отдельно стоящих деревьев?

       Ответ был очевиден. Нужно придать этому радиосигналу такую мощность, чтобы он мог проникать сквозь стены домов и другие небольшие препятствия.

       Но этот ответ был настолько очевиден, насколько и недостижим.

 

       Дело в том, что радиосигнал генерируется с помощью электротехнической системы, называемой колебательным контуром. Проще говоря, колебательный контур – это электрическая цепь, в которой имеется источник электротока, катушка и конденсатор, а также антенна, являющаяся собственно передающим устройством.

       Чтобы создать работающую сеть передачи голосовых данных на высокочастотных радиосигналах, этот контур необходимо было «заставить» излучать радиосигнал с мощностью, на порядки превосходящую теоретическую мощность любых электрических цепей, созданных с применением традиционных технологий.

 

       Здесь необходимо напомнить, что мощность любого электротехнического устройства определяется с помощью простой формулы – это произведение силы тока на напряжение. Таким образом, для увеличения мощности любого радиопередатчика необходимо было добиться повышения или напряжения, или силы тока, или того и другого одновременно.

       Как наверняка помнят те, кто учились в школе (а не просто посещали уроки физики), что в электротехнике действует закон Ома. Согласно этому закону сила тока обратно пропорциональна сопротивлению электрической цепи.

       Зачастую в справедливости этого простого закона имеют несчастье наглядно убедиться юные «экспериментаторы», засовывающие металлические предметы в электрическую розетку. Пока сопротивление между контактами достаточно большое (воздух), сила тока практически нулевая. Но как только между контактами появляется металлический (хорошо проводящий ток с малым сопротивлением) предмет, например, ножницы, как сила тока мгновенно вырастает настолько, что плавит ножницы или сами контакты, производя взрыв и испарение металла с характерной вспышкой.

       Отсюда следует вывод, что повышать силу тока в колебательном контуре можно было только до известных пределов, ограничиваемых сопротивлением элементов, входящих в данную электрическую цепь. А далее, чтобы увеличить мощность передатчиков, приходилось идти на невероятно сложные ухищрения, призванные увеличить напряжение в колебательных контурах. Так, в 50-х – 60-х годах XX века в военной технике применялись специальные «повышающие» лампы с водяным охлаждением. Вполне обыденным казался тот факт, что даже в обыкновенном бытовом чёрно-белом телевизоре на печатной плате применялись высоковольтные лампы, напряжение на которых достигало нескольких тысяч вольт. Попытка ремонта такого телевизора неспециалистом вполне могла окончиться трагедией, что иногда и происходило.

 

       Таким образом, мощность высокочастотных радиопередатчиков, могущих служить технической основой для создания местных сетей передачи голосовых данных, упиралась в некий природный барьер, казавшийся непреодолимым до тех пор, пока в 1987 году не пришло известие об Открытии высокотемпературной сверхпроводимости. Ведь что являет собой ВТ-сверхпроводник? Это участок электрической цепи, в котором можно достичь силы тока фантастического уровня, причём, поскольку сопротивление данного участка близко к нулю, он не будет подвержен нагреванию! Тот час появились сообщения, что уже удалось создать передатчики гигагерцового диапазона, уверенный приём сигнала от которых сначала был порядка 200 метров, потом 500,…

       Фактически, подключив колебательный контур со сверхпроводящими катушками (передатчик радиоволн) к обыкновенной бытовой электросети напряжением 220 вольт, можно было получить мощности излучения, на многие порядки превосходящие мощность традиционных УКВ-передатчиков.

 

       Вы будете смеяться, но стандарт GSM, использующийся по сей день в качестве стандарта для мобильной связи во всём мире, был принят в… 1987 году! Действительно, зачем было раньше утверждать такой стандарт, если для его использования не просматривалось технических решений? Ну а если он был принят, значит появилась возможность его практической реализации! Или Вы можете привести пример неких технических стандартов, которые утверждаются на международном уровне из чисто теоретических соображений?..

 

       К тому же оказалось, что организмы живых существ практически не реагируют на высокочастотное радиоизлучение, мощность которого в тысячи раз превосходит мощность традиционных радиопередатчиков. Если бы на крыше соседнего дома стояли антенны мобильной связи, работающие в КВ- или СВ-диапазоне со сравнимой мощностью, в ближайших окрестностях у людей наблюдались бы сильные и одинаковые расстройства здоровья, которыми раньше страдали разве что военнослужащие войск связи, вынужденно находившиеся поблизости работающих радиолокаторов. Однако, начавшееся в середине 90-х годов тихое брожение в среде экологов привело лишь к повсеместному соблюдению стандартов, запрещающих установку антенн мобильной связи на крышах жилых домов. И те самые сборки странных серых треугольных продолговатых антенн, повсеместно установленные в больших городах, находящиеся в прямой видимости людей и пронизывающие их радиоволнами мощностью в десятки тысяч раз большей, чем все существовавшие до того радиопередатчики, никакого негативного влияния ни на здоровье, ни на психику населения не оказывают!

       Сей факт является для официальной науки секретом едва ли не большим, чем сокрытие активно использующихся в мобильной связи технологий высокотемпературной сверхпроводимости. Оказывается, биохимические процессы, протекающие в организмах живых существ, имеют вовсе не электромагнитную природу. Гомеостаз поддерживается не на уровне химических реакций, в которых обязательно фигурируют заряженные частицы – ионы. Биохимия живых существ работает совершенно на иных принципах, о которых людям знать не полагается. Поэтому вы нигде и ни под каким предлогом не найдёте технических характеристик излучателей сотовой связи. Если вдруг люди увидят значения мощности излучателя такой станции, что они подумают?

       Но мы отвлеклись. Вернёмся к техническим вопросам мобильной связи.

 

       Какие ещё полезные приложения следуют из возможности запредельного увеличения мощности излучения радиопередатчика?

       Во-первых, появляется возможность активного использования таких диапазонов частот, которые раньше упоминались разве что в книгах о теоретической физике. Военные сейчас активно осваивают терагерцовые диапазоны, при этом ухитряясь строить супернадёжные сети передачи данных. Ну а в гигагерцовых диапазонах обретаются сети стандартов 3G и 4G; пропускная способность последних такова, что можно свободно прокачивать видеоконтент высокой чёткости и смотреть онлайн фильмы, записанные в файлы размером в десятки и сотни гигабайт.

       Во-вторых, появляется возможность миниатюризации приёмных антенн до такой степени, что роль антенны в мобильном устройстве может выполнять какая-нибудь часть напыления на микросхеме. И ведь это не научная фантастика – это «будущее» уже наступило лет 15 тому назад!

 

       Но существует и обратная сторона медали. Каким же образом слабомощный сигнал высокой частоты от передатчика сверхминиатюрного мобильного телефона уверенно принимается антеннами вышки сотовой связи?

       Здесь нужно иметь в виду два фактора.

       

       Во-первых, как все наверняка замечали, мобильные телефоны разных поколений совершенно по-разному ведут себя в режиме ожидания и в режиме активного использования.

       В режиме ожидания телефон работает практически только на приём, время от времени получая от станции краткие сообщения, позволяющие контролировать уровень сигнала в данном месте и, при необходимости, сменить основную вышку для связи. Также, телефон отсылает краткие сообщения, позволяющие ближайшим вышкам определять наличие абонента в области покрытия сети.

       В режиме активного использования телефон получает поток данных и одновременно работает в режиме радиопередатчика, излучая сигнал с закодированной аудио- или видеоинформацией с довольно большой мощностью – порядка нескольких ватт.

       Таким образом, в режиме активного использования батарея мобильного телефона садится на порядок быстрее, чем в режиме ожидания. Это говорит о том, что на отправку сигнала ближайшей вышке сотовой связи тратится довольно много энергии.

       Но ведь выше мы говорили о том, что высокочастотный радиосигнал очень быстро гасится стенами домов, другими большими материальными преградами. Если оперировать числовыми величинами, то сигнал от мобильного устройства доходит до приёмной антенны, будучи ослабленным в миллионы раз! Как же всё-таки это работает?

 

       И вот здесь мы обратим внимание на второй фактор – способность приёмной антенны уверенно принять и усилить этот сигнал. Как Вы наверняка уже догадались, без использования ВТ-сверхпроводимости и здесь обойтись было бы невозможно.

       В радиотехнике существует такой термин – добротность колебательного контура. Для того, чтобы принять радиосигнал, принимающий колебательный контур должен быть настроен на частоту этого радиосигнала. Если частоты контура и внешнего радиосигнала совпадают, в цепи получается резонанс, который необходимо усилить и расшифровать. Но, поскольку энергия внешнего радиосигнала очень мала, резонансные колебания в таком контуре очень быстро затухают, ведь «работает» сопротивление элементов контура. Добротность контура обратно пропорциональна скорости затухания колебаний. Соответственно, чем меньше скорость затухания (сопротивление), тем выше добротность. Если же использовать ВТ-сверхпроводники, сопротивление в контуре стремится к нулю, а добротность – в бесконечность. Таким образом, можно достаточно эффективно усилить очень слабый входной сигнал.

       Конечно, в действительности не всё так гладко, ведь мощность излучателя мобильного телефона крайне ограничена. И даже сверхдобротный радиоприёмник на технологиях ВТСП может терять входящий сигнал, если Вы, к примеру, разговариваете по телефону в лифте или в подвале дома с толстыми стенами.

 

       Остался всего один технический момент, который следует прояснить. Если бы в мобильном устройстве можно было использовать технологии высокотемпературной сверхпроводимости, тогда чувствительность колебательного контура (приёмника радиоволн) могла бы быть столь большой, что сверхвысокие мощности передатчиков сотовых станций стали бы не нужны. Единственным неприятным побочным эффектом у такой системы были бы запредельно высокие значения магнитного поля, образующегося вокруг абонентского мобильного устройства. Представьте мобилку, которая вырвалась у вас из рук и намертво приклеилась к стальной опоре моста, пока не закончится разговор…

       Так что у используемой системы тоже имеется «узкое место», определяемое ограниченной мощностью абонентского приемо-передающего устройства.

 

* * *

 

       Если бы я писал работу «Украденное Открытие», то обязательно вспомнил бы такой прелюбопытнейший эпизод.

       В начале 90-х годов ХХ века после развала СССР на улице без средств для существования оказались сотни тысяч сотрудников научно-исследовательских институтов, военных предприятий и экспериментальных производств. Чтобы не помереть с голоду, они были вынуждены приспосабливаться к новым «экономическим условиям», а, проще говоря, начинать чем-нибудь торговать, где-нибудь служить, что-нибудь красть, перераспределять или выполнять любую другую неквалифицированную работу. Тем не менее, сразу забыть всё то, чему их учили в школе, вузе, а потом всё то, чем они занимались, создавая самые передовые в мире военные или космические технологии, было сложно. Даже по прошествии более двух десятков лет многие из них сразу вспомнят ту или иную физическую формулу, просто и доходчиво объяснят некий техпроцесс или явление.

       Для этих людей необходимо было запустить некий пробный шар, чтобы убедиться, как отреагировала грамотная часть общества на неожиданное появление мобильной (сотовой) связи. И самое главное – понимает ли эта часть общества, что теория радиотехники даже не предполагала способов, как можно высокочастотный радиосигнал заставить свободно проникать сквозь любые препятствия на расстояния, измеряемые как минимум километрами.

       Этот пробный шар был запущен приблизительно в 2000 году. К сожалению, точных ссылок и дат я дать не могу, так как вспомнил об этом только после прочтения работы Сергея Кэнского. Тогда, как водится, синхронно и сразу из нескольких разных источников была запущена довольно оригинальная и смелая «деза». То ли к 10-летнему юбилею возникновения сотовой связи, то ли просто для того, чтобы проверить реакцию грамотных людей, было заявлено, что сотовая связь обязана открытию… неких «поперечных» радиоволн, которые, оказывается, вполне свободно умеют просачиваться сквозь разные материальные преграды, в отличие от «традиционных».

       Помню, как я был озадачен. Во-первых, думал я, почему никогда раньше я об этом не слышал? А, во-вторых, если это так, зачем продолжают пользоваться традиционными радиодиапазонами для местного радио- и телевещания, когда переход на «поперечное» вещание сулит несомненные экономические выгоды?

       У радиоволн есть свойство поперечной поляризации, открытое для такого явления, как волна в сплошной среде, если я не ошибаюсь, ещё в 17 веке. Самое интересное, что об использовании «поперечных» радиоволн больше нигде и никогда не упоминалось, тем более, в контексте технических аспектов мобильной связи. Об этих особенностях вообще стараются не вспоминать в принципе. Система, изменившая лицо мира, работает, а как – не ваше дело.