Internetten onder water


Foto: NASA

(Extra materiaal behorende bij de QR code uit de krant na de columntekst)

Op de Zuidpool chatten met familie in Nederland? Een tweet versturen vanaf het International Space Station? Het kan allemaal via draadloos internet. Toch heeft het datanetwerk nog een plek te veroveren: de wereld onder water. Om informatie over te sturen worden radiogolven gebruikt. Maar net als licht komt deze elektromagnetische straling niet ver in water en is er dus een andere methode nodig.

De oplossing lag zoals zo vaak voor het oprapen in de natuur. Wij mensen zijn immers niet de eersten die tegen dit probleem aanlopen. Dolfijnen zijn intelligente en sociale zoogdieren die moeiteloos met elkaar onder water communiceren. En communicatie is niets anders dan de overdracht van informatie.

Dolfijnen kunnen niet goed zien of ruiken onder water en hebben hun toevlucht genomen tot geluid, dat zich onder water uitstekend voortplant. In water reist het bijna vijf keer zo snel als in lucht en verzwakt onderweg bovendien minder. Een dolfijn gebruikt geluid zowel om te communiceren met zijn soortgenoten als om de wereld waar te nemen. Voor dat laatste gebruikt hij bio-sonar. Het zoogdier maakt korte klik-geluiden en deze weerkaatsen van objecten. Uit deze echo’s haalt het dier veel informatie, zoals de afstand tot, en de vorm, grootte en het type materiaal van het voorwerp. Uit experimenten blijkt dat dolfijnen een afwijking van 0,3 mm wanddikte detecteren en zelfs de inwendige structuur van objecten waarnemen. Ze maken als het ware een ‘röntgenfoto’ met geluid. Zo onderscheiden ze verschillende soorten vis van elkaar.

Hiertoe gebruiken ze niet één frequentie (toonhoogte), maar klik-geluiden met meerdere toonhoogtes tegelijk. Iedere frequentie geeft een echo en samen maken ze het ‘plaatje’ compleet. Ook bij communicatie met soortgenoten gebruiken dolfijnen verschillende frequenties, maar op een andere manier. Communiceren over grotere afstanden brengt namelijk zijn eigen uitdagingen mee.

Een lastig probleem is dat het uitgezonden signaal de ontvanger via verschillende paden kan bereiken. Delen van het signaal botsen onderweg op allerlei voorwerpen en worden weerkaatst waardoor ze andere routes volgen. De delen komen daardoor niet tegelijk aan zodat het signaal wordt verstoord. In het analoge tijdperk veroorzaakte dat bijvoorbeeld dubbele beelden op TV. Bij communicatie onder water is dit effect nog veel sterker dan in lucht. Zeeën en meren zijn vaak gelaagd door verschillen in temperatuur of zoutgehalte, waardoor er vele reflecties en dus paden ontstaan.

Om te voorkomen dat een boodschap helemaal verhaspeld bij een soortgenoot aankomt, gebruiken dolfijnen geluid dat steeds van toon verandert. Hierbij bevat iedere frequentie een stukje van de boodschap. Bij een radio zou je continu van frequentie moeten wisselen om het hele bericht te horen. Door de verschillende toonhoogtes is het voor een dolfijn gemakkelijker om de verschillende paden die het signaal heeft genomen uit elkaar te houden. Hierdoor heeft het dier geen last van verminkte bericht en kan zijn soortgenoten moeiteloos verstaan.

Geïnspireerd op de wisselende frequentie truc hebben Duitse onderzoekers een akoestisch modem gemaakt dat informatie nauwgezet overstuurt en ontvangt over een afstand van een aantal kilometers. Dit maakt een Internet of Things onder water mogelijk door bijvoorbeeld duikers, inspectie-robots, windmolens, sensoren en boeien uit te rusten met het modem. Boeien kunnen de gegevens via de lucht naar land sturen. Video’s streamen is geen optie, zo snel is het modem niet. Een sensor op de bodem van de zee die een tweet verstuurt met een tsunami-waarschuwing, dat kan wel.

Ook leuk om te weten naar aanleiding van de column:

Onder water is het niet stil, maar juist zeer rumoerig. Naast menselijke activiteiten die lawaai veroorzaken, zoals motoren van boten, sonar en windmolens, zijn er ook veel dierlijke herrieschoppers. Behalve dolfijnen gebruiken ook andere walvissen geluid voor de communicatie of echolocatie. Vooral de blauwe vinvis en de potvis zijn erg lawaaiig met geluiden van meer dan 180 decibel. De pijndrempel voor het menselijk gehoor is 120 decibel en de trommelvliezen scheuren bij 160 decibel. De grootse lawaaimaker is naar verluidt de nietige pistoolgarnaal die zijn prooien doodt met geluid zoals deze video toont.

Uitgebreide informatie over de communicatie van dolfijnen is te lezen op de website van het dolphin communication project, waaruit blijkt dat nog veel onduidelijk is. Voorbeelden van de verschillende geluiden die dolfijnen maken zijn onder andere te vinden op de website van Discovery of sounds in the sea.

Meer over de problematiek over de verschillende routes die een signaal aflegt is te lezen op Wikipedia: meerwegontvangst. Daar wordt de situatie in lucht beschreven, maar zoals gezegd is het fenomeen in water nog veel sterker. Dit plaatje geeft een voorbeeld van dubbele beelden op TV ofwel ghosting.


Foto: Evologics

Gepubliceerd in dagblad Trouw op 8 januari 2016

Ylva Poelman alias De Bionische Vrouw
E: info@bionicacentrum.nl
T: 06 - 22 79 71 84