Los cables de fibra óptica pasan por debajo de casi todas las redes urbanas de los Estados Unidos y brindan Internet y televisión por cable a millones de personas. pero ¿y si esos sistemas también pudieran proporcionar información valiosa relacionada con eventos peligrosos como terremotos e inundaciones? Un equipo de investigadores de Penn State ha descubierto que pueden hacer precisamente eso.

Los científicos están utilizando tecnología de detección acústica distribuida por fibra óptica (DAS) para convertir la infraestructura de telecomunicaciones existente que ya está instalada bajo tierra en un recurso valioso para monitorear las vibraciones del suelo.

"Descubrimos que las fibras podían captar una amplia variedad de vibraciones de señal, desde tormentas eléctricas hasta pasos a pie de humanos y conciertos de música, "dijo Tieyuan Zhu, profesor asistente de geofísica en Penn State e investigador principal del proyecto. "Incluso podemos distinguir la canción específica en un concierto por los patrones de los tonos altos y bajos. Esa es una gran demostración de la sensibilidad de estos sensores".

Dispositivos tradicionales de monitoreo sísmico, llamados geófonos, son difíciles de implementar en áreas urbanas. Obtener permiso y espacio para instalar sensores, proteger los sensores contra robos y vandalismo, y los altos costos de mantenimiento hacen que sea prohibitivo obtener datos confiables a largo plazo, dijeron los científicos.

La tecnología DAS permite a los científicos conectarse a fibra no utilizada, llamado fibra oscura, reduciendo en gran medida el costo y el tiempo de instalación que dificultan los dispositivos tradicionales de monitoreo sísmico. Una unidad de interrogador láser simplemente debe conectarse a un extremo de un tramo de fibra para comenzar a recopilar datos. dijeron los científicos.

"Los equipos han llevado a cabo varios experimentos en California utilizando la infraestructura de telecomunicaciones existente, ", Dijo Zhu." Pero el despliegue de esta tecnología en la costa este es importante porque tenemos una geología muy especial aquí ".

El suelo y el lecho rocoso poco profundo en la región de las montañas Allegheny crean propiedades geofísicas complejas cerca de la superficie. El lecho de roca subyacente puede disolverse lentamente debido a la circulación del agua subterránea, que pueden formar sumideros y cavernas. Especialmente en áreas urbanas, El colapso de un sumidero y los problemas de asentamiento pueden amenazar la seguridad humana y la propiedad. Además, Las fuertes variaciones estacionales de temperatura y precipitación crean un ambiente muy diferente al de California.

Zhu y su equipo de investigación crearon el proyecto Penn State Fiber-Optic for Environmental SEnsEing (FORESEE), el primer despliegue de la tecnología DAS en el este de los EE. UU. El objetivo de este proyecto era abordar el desafío de larga data del monitoreo en tiempo real de las condiciones físicas, ambientales y subterráneas cambios químicos y biológicos en áreas urbanas. FORESEE también tiene como objetivo desarrollar las matrices de sensores de fibra DAS para convertir el campus de Penn State University Park y las áreas circundantes en un laboratorio viviente para la recopilación de datos de alta resolución sobre el medio ambiente, sistemas de energía e infraestructura. Los investigadores informan sus resultados en Tierra solida .

El equipo obtuvo acceso a cables de fibra óptica oscuros debajo del campus y convirtió el cable a 2, 300 sensores sísmicos con DAS. Luego registraron continuamente los datos de vibración del suelo a lo largo del tramo de 3 millas a partir de abril de 2019. El experimento generó muchas decenas de terabytes de datos, que se almacenó en un servidor de almacenamiento conectado a la red. Luego, el servidor se conectó a una red de Internet, proporcionando a los científicos acceso remoto a datos en tiempo real. La densidad de las grabaciones DAS proporcionó una resolución extraordinaria que permitió comprender su causa y permitió a los investigadores distinguir entre varias señales. dijeron los científicos.

Los resultados preliminares sugieren que el DAS tiene la capacidad de detectar vibraciones de banda ancha y discriminar entre las firmas sísmicas de diferentes terremotos y fuentes antropogénicas de eventos como explosiones mineras, vehículos conciertos de música y pasos para caminar.

Pero DAS no está exento de limitaciones. Los geófonos tradicionales tienen tres componentes, dos sensores horizontales y un sensor vertical, permitiéndoles capturar vibraciones en todas las direcciones. Tecnología DAS, sin embargo, solo puede detectar vibraciones horizontalmente, ya que no hay necesidad de sensores verticales en cables de fibra óptica destinados a Internet y cable. Por lo tanto, los datos no son tan completos como los datos de los geófonos tradicionales.

"Sabemos que esto es una limitación, ", Dijo Zhu." Con suerte, en los próximos cinco años, esto se puede superar con una nueva tecnología de fibra óptica ".

Además de sus usos geológicos, El DAS puede brindar información sobre los diferentes patrones de actividades humanas relevantes para la salud pública y la planificación urbana. Monitoreo y redireccionamiento del tráfico que no requiere datos privados de teléfonos celulares, detección de disparos, El monitoreo de la contaminación acústica industrial y el monitoreo de los servicios públicos de agua subterránea pueden mejorarse mediante el uso de la tecnología DAS. dijeron los científicos. El valor de DAS también se ha reconocido en entornos inaccesibles y hostiles, permitiendo observaciones del océano en alta mar y la capacidad de monitorear la estabilidad del permafrost en el Ártico.

Ahora que los investigadores saben lo que puede hacer la tecnología, Zhu dijo que su próximo paso es usar DAS para monitorear eventos más pequeños a largo plazo, como los movimientos subterráneos que conducen a hundimientos e inundaciones. También quieren observar los eventos que ocurren donde la atmósfera se encuentra con la tierra, ya que actualmente no hay forma de monitorear cómo la energía de una tormenta eléctrica impacta la superficie cercana de la tierra sólida.

"Los arreglos DAS que utilizan fibras de telecomunicaciones existentes pueden desempeñar un papel cada vez más importante en el desarrollo de ciudades sostenibles, "Dijo Zhu.