Cables submarins: sensors sísmics per a ports marítims

Representació conceptual de com els cables submarins de fibra òptica funcionen com milers de sensors distribuïts. Cada punt lluminós simbolitza un sensor virtual capaç de detectar vibracions sísmiques, canvis de temperatura i activitat marina (PierNext).

Els cables submarins que sostenen el 99% del trànsit de dades del planeta —més d'1,7 milions de quilòmetres de fibra òptica segons Nacions Unides— s'estan transformant en sensors sísmics d'abast global. Aquesta xarxa, equivalent a 42 voltes a la Terra per l'equador, pot ara convertir-se en un sistema de vigilància i alerta primerenca sense precedents per a ports i infraestructures marítimes vulnerables a terratrèmols, tsunamis i altres riscos naturals.

Per al sector portuari i marítim, aquesta nova funcionalitat dels cables submarins representa una oportunitat única per protegir infraestructures crítiques i enfortir la resiliència davant amenaces naturals. Si els cables submarins de fibra òptica es consoliden en aquest àmbit, la gestió d'aquests riscos entraria en una nova dimensió, permetent alertes primerenques que salvin vides i protegeixin inversions de milers de milions d'euros.

Cables submarins: infraestructura crítica per als ports

Els ports depenen cada vegada més d'instal·lacions submarines vulnerables: cables d'energia per a l'electrificació de molls, canonades de combustible, sistemes d'amarratge automatitzats... Qualsevol esdeveniment sísmic, tsunami o lliscament submarí pot comprometre aquestes infraestructures i paralitzar operacions durant setmanes.

Els ports ubicats en zones amb activitat sísmica —molts d'Àsia se situen a les immediacions del Cinturó de foc del Pacífic— coneixen bé aquesta amenaça. En el tsunami de març de 2011 al Japó, sis ports importants (Hachinohe, Sendai, Onahama, Ishinomaki, Kashima i Hitachinaka) van patir danys de consideració. A la Mediterrània, el tsunami de 1908 prop del volcà Etna va causar 80.000 morts, un recordatori que aquesta amenaça també existeix en aigües europees.

La pregunta és: i si la mateixa infraestructura digital que connecta els ports pogués també protegir-los?

D'autopistes digitals a sensors globals

Essencialment, els cables submarins de telecomunicacions són fibres òptiques protegides per múltiples capes d'acer, polietilè i materials impermeables. Aquestes línies estan dissenyades per suportar les extremes condicions del fons marí i transmeten informació mitjançant polsos de llum làser a través del cristall.

Però aquests cables també poden detectar qualsevol canvi minúscul en el seu entorn sota l'aigua. Com és possible? Gràcies a dos fenòmens físics que ocorren naturalment a les fibres òptiques:

el Sensat Acústic Distribuït (DAS, per les seves sigles en anglès)
la Reflectometria Òptica en el Domini del Temps Brillouin (BOTDR).

Tot i que els seus noms són complexos, el seu funcionament es basa en un principi relativament simple: convertir les vibracions i canvis de temperatura en senyals òptics que es poden mesurar, creant una xarxa neuronal als mars capaç de sentir qualsevol pertorbació.

Com funciona el sensat acústic distribuït (DAS)

Arantza Ugalde, de l'Institut de Ciències del Mar-CSIC (ICM-CSIC), explica a PierNext que la tecnologia DAS «converteix un cable de telecomunicacions convencional en milers de sensors virtuals separats, típicament uns pocs metres al llarg de desenes de quilòmetres del cable».

El DAS utilitza un equip anomenat interrogador, connectat a un extrem de la fibra òptica, que envia polsos de llum làser al llarg del cable. Part d'aquesta llum es reflecteix a causa d'irregularitats microscòpiques del material i torna a l'interrogador. Un programari pot analitzar com varia en el temps aquest senyal reflectit i així el sistema pot detectar deformacions extremadament petites provocades per vibracions o ones acústiques. Aquestes variacions permeten identificar esdeveniments sísmics o altres moviments. A més, el temps que triga la llum a tornar permet localitzar amb precisió el punt del cable on s'ha produït la deformació.

Traduint-ho a un terreny més pràctic, Ugalde afegeix que «amb DAS es registren ones sísmiques de terratrèmols i, depenent de l'entorn, senyals associats a esllavissades o activitat volcànica; senyals meteorològiques i oceàniques relacionades amb l'estat del mar i, potencialment, senyals associats a tsunamis».

A més, la investigadora del CSIC explica altres dades que es poden mesurar amb aquesta tecnologia com «trànsit marítim o terrestre i activitats industrials, així com senyals d'origen biològic, per exemple, vocalitzacions de cetacis».

L'empresa francesa Alcatel Submarine Networks (ASN), especialitzada en tecnologies de sensat amb fibra òptica, ha desenvolupat solucions comercials que converteixen cables convencionals en xarxes de sensors distribuïts. En aquest vídeo, expliquen com els seus sistemes DAS poden monitoritzar infraestructures crítiques en temps real, des d'oleoductes fins a cables submarins, detectant vibracions, intrusions i esdeveniments sísmics al llarg de desenes de quilòmetres amb un únic interrogador.

Com funciona la tecnologia BOTDR: mesurant la temperatura de l'oceà

Mentre el DAS detecta vibracions i moviments, la Reflectometria Òptica en el Domini del Temps Brillouin (BOTDR) s'especialitza a mesurar canvis de temperatura al llarg de tot el cable. Aquesta tecnologia aprofita un fenomen físic conegut com a dispersió Brillouin, que ocorre quan la llum làser interactua amb les molècules del material de la fibra òptica.

El procés funciona de manera similar al DAS: un interrogador envia polsos de llum a través del cable, però en aquest cas, la freqüència de la llum reflectida varia segons la temperatura de l'entorn que envolta la fibra. Quan la temperatura augmenta, les molècules de la fibra vibren de forma diferent, alterant lleugerament la freqüència de la llum que rebota. En analitzar aquests canvis de freqüència i el temps que triga la llum a retornar, el sistema pot crear un mapa tèrmic detallat de tot el recorregut del cable.

Un exemple revelador del seu potencial el trobem a l'illa antillesa de Guadalupe, on els investigadors del projecte ERC FOCUS de la UE van detectar un augment de temperatura d'1,5 °C que va coincidir amb un esdeveniment de blanquejament coral·lí que va destruir el 30% dels esculls locals en dos anys. Sense aquest monitoratge continu, el fenomen hauria passat desapercebut fins que els danys fossin irreversibles.

Per a les infraestructures portuàries, aquesta capacitat de monitoratge tèrmic té aplicacions directes: des de detectar abocaments industrials que alteren la temperatura de l'aigua fins a monitoritzar les condicions d'espècies marines protegides en zones d'operació portuària. També permet identificar corrents oceànics anòmals que puguin afectar la navegació o les operacions de fondeig.

Sensors sísmics en cables submarins: casos reals

La capacitat d'aquests sistemes no és teòrica. Un projecte liderat per Nokia Bell Labs va aconseguir convertir un cable de 4.400 quilòmetres entre Hawaii i Califòrnia en 44.000 estacions sísmiques, separades per només 100 metres. Per contextualitzar aquesta xifra: és com tenir un sismògraf cada 100 metres al llarg de tota la distància entre Madrid i Moscou. El sistema va detectar amb èxit un terratrèmol de magnitud 8,8 a la península de Kamtxatka i el posterior tsunami, demostrant que aquesta tecnologia pot cobrir distàncies transoceàniques.

En aigües europees, el projecte ERC FOCUS va instal·lar un prototip de monitoratge amb aquests cables a la costa propera al volcà Etna, on es confia evitar un desastre com el tsunami de 1908 que va causar 80.000 víctimes. Aquesta iniciativa demostra que la Mediterrània, tot i ser percebuda com un mar relativament tranquil, també requereix sistemes d'alerta primerenca.

Per al trànsit marítim, el DAS pot rastrejar el moviment d'embarcacions que naveguen sobre les zones on són els cables, oferint dades complementàries als sistemes AIS (Automatic Identification System) i radar. Això resulta especialment útil per detectar activitat no autoritzada o gestionar el trànsit en aproximacions portuàries congestionades. En algunes proves pilot, el sistema ha identificat fins i tot embarcacions petites que no emeten senyal AIS.

Aplicacions directes de sensors sísmics submarins en ports

La capacitat de monitoratge del DAS per detectar terratrèmols en temps real permet avaluar ràpidament el risc de danys estructurals en molls, grues, magatzems i altres instal·lacions portuàries. Els minuts d'avantatge que proporciona la detecció primerenca poden marcar la diferència entre una evacuació ordenada i una catàstrofe.

En el cas concret dels tsunamis, els cables poden registrar les deformacions subtils del fons marí causades pel pas d'una onada de tsunami, proporcionant minuts crucials d'alerta abans que arribi a la costa. Aquests minuts addicionals permeten activar protocols d'emergència, aturar operacions de càrrega i descàrrega, i allunyar vaixells de molls vulnerables.

Els cables de fibra òptica també ajuden a monitoritzar altres infraestructures submarines crítiques. La tecnologia DAS pot detectar corrents submarins anòmals, esllavissades de terra o fins i tot àncores de vaixells que amenacin instal·lacions com cables d'energia per a l'electrificació de molls o canonades de combustible. En ports que estan electrificant les seves operacions per reduir emissions, aquesta protecció addicional cobra especial rellevància.

Més enllà de la seguretat estructural, el monitoratge bioacústic mitjançant DAS permet reduir el risc de col·lisions amb cetacis en zones de trànsit marítim intens, una preocupació creixent en ports europeus amb normatives ambientals cada vegada més estrictes.

Com evolucionaran les xarxes de monitoratge amb fibra òptica?

Malgrat el seu enorme potencial, la implementació generalitzada d'aquesta tecnologia s'enfronta a obstacles significatius. El principal és l'accés als cables. La majoria de la infraestructura submarina està en mans de grans corporacions tecnològiques com Google, Meta, Amazon i Microsoft, que han invertit massivament en cables propis per connectar els seus centres de dades globals.

Els operadors de cables temen que la tecnologia de sensat pugui interferir amb el trànsit de dades o ocupar capacitat de transmissió. Tot i que els interrogadors originals operaven en les mateixes longituds d'ona que les telecomunicacions, la nova generació de dispositius funciona en bandes òptiques diferents, eliminant el risc d'interferències.

De totes maneres, Arantza Ugalde es mostra optimista sobre l'evolució en la propera dècada d'aquestes tecnologies: «cada vegada hi ha més cables de fibra i és raonable esperar una consolidació del seu ús per a sensat, sense interferir amb les comunicacions, basat en marcs de col·laboració i en polítiques que facilitin l'accés per a fins públics».

Un altre repte és la limitació d'abast dels interrogadors. Actualment, el DAS registra dades a una distància màxima de 150 quilòmetres i el BOTDR de 70 quilòmetres. Això restringeix el monitoratge al primer tram de cable prop de la costa, abans del primer repetidor de senyal. En l'esmentat projecte de Nokia Bell Labs, s'aprofita una funció loop-back dels repetidors per amplificar els senyals reflectits, permetent monitorar cables transoceànics complets, però aquesta solució encara no està àmpliament disponible.

Per descomptat, aquests cables amb longituds de centenars de quilòmetres generen un gran volum de dades la gestió de les quals és un altre repte per implementar aquests sistemes de mesurament. Per exemple, un cable de 50-100 quilòmetres genera aproximadament un terabyte de dades al dia a causa de l'alta resolució del DAS.

En el terreny dels avantatges futurs, Ugalde afirma que «mitjançant monitoratge bioacústic operatiu en zones de trànsit marítim es pot reduir el risc de col·lisions amb cetacis». L'experta del CSIC conclou, finalment, que «la IA serà central per gestionar el gran volum de dades, i el veritable canvi arribarà quan aquestes capacitats passin de projectes pilot a serveis estables integrats en els sistemes globals d'observació i gestió del risc».

Mentre els projectes pilot demostren la viabilitat tècnica, la següent fase requereix marcs de col·laboració publicoprivada que facilitin l'accés a cables existents sense comprometre les operacions de telecomunicacions. Els ports que integrin primerencament aquestes capacitats de monitoratge en els seus plans de resiliència estaran millor posicionats per protegir inversions multimilionàries en infraestructures d'electrificació, automatització i sostenibilitat.

La pregunta ja no és si els cables submarins poden convertir-se en sistemes de protecció portuària, sinó quant de temps trigaran els ports a incorporar aquesta tecnologia a les seves estratègies de gestió de riscos. En un context de creixent vulnerabilitat climàtica i sísmica, esperar pot resultar més costós que actuar.

Temes

A