Môžeme postaviť anténu veľkú ako svet?

1

Dedo Jozef dostal balík veľký ako svet. A v ňom bola, bola, bola, bola. A v ňom bola, bola, bola, bola… ANTÉNA! Nedeľník TOUCHIT vážne i nevážne. Nezviazané IT témy na tisíc spôsobov.

Ak ste sa niekde potulovali okolo bratislavskej ZOO alebo ste navštívili našu výstavu TOUCHIT Live na fakulte informatiky v Mlynskej doline, možno vám niekedy padli oči na veľkú, niekoľko metrovú parabolickú anténu Slovenskej televízie.

Aj keď z všeobecného pohľadu nejde o nič špeciálne, oproti jednoduchým satelitným anténam, ktoré si montujeme na strechy či okná našich domov, ide predsa len o trochu inú ligu.

Antény majú pravdaže rôzny tvar a použitie. Nepatria sem len parabolické typy, ľudovo označované ako „satelity“, ale aj bežné sektorové či sieťové antény, s obľubou používané na príjem terestriálneho digitálneho vysielanie TV či bežné dipólové oplastované tyčky trčiace z tela Wi-Fi routeru.

Ich úloha je pri tom rovnaká. Premeniť elektromagnetické vlnenie na elektrický signál (príjem), alebo naopak elektrický signál premeniť na elektromagnetické vlnenie (vysielanie). Dĺžka samotnej vlny, ktorú anténa produkuje alebo prijíma, má vplyv nielen na konštrukciu antény, ale aj na šírenie signálu ako takého.

Kde je ale limit? Aké najväčšie antény ľudia vo svojej histórii postavili. Kde sú a na čo sa vlastne používajú?

Tyčka do stanu vysoká 600 metrov

Samotné slovo anténa má pôvod v roku 1895 u talianskeho rádio priekopníka Guglielma Marconijo. V tom čase sa vysielač a prijímač rádiového signálu označoval ako aerial (operujúc cez vzduch) a terminal (ukončovač), pričom Marconi začal v prípade drôtových aerialov experimentovať tak, že ich umiestňoval na dlhú tyčku, ktorú zdvihol do vzduchu.

Všimol si pritom, že takéto riešenie signál značne zosilňovalo a umožnilo mu dosah zvýšiť až na niekoľko kilometrov. V taliančine sa stredovej tyčke na vystuženie stanu hovorilo „l’antenna centrale“ a Marconi tak pre tyčky s drôtom začal používať slovo l’antenna. Vďaka jeho prominentnému postaveniu sa slovo rýchlo uchytilo u výskumníkov po celom svete, čo následne preniklo aj do slovníka bežnej verejnosti.

Toto je masívna anténa ktorú postavil Marconi v roku 1901 na uskutočnenie prvého transatlantického rádiového spojenia. Šlo o vysielač tvorený 20 drevenými tyčami s výškou 61 metrov a výplete z drôtov, postavený na juhu Veľkej Británie. Vysielanie na tejto strane ovládal John Fleming, zatiaľ čo Marconi v Kanade signál prijímal na dlhom drôte natiahnutom na šarkanovi.

Anténa produkovala signál na frekvencii 600 kHz, čo znamená elektromagnetickú vlnu s rozostupom zhruba 500 metrov. Do Kanady letela rýchlosťou svetla a úspešne preniesla morzeovkou tri bodky, teda písmeno S.

Od tejto doby sme veru poriadne pokročili a tyčky do stanu poriadne vyrástli. Koniec koncov, najvyšší slovenský vysielač Dubník, stojaci v prešovskom kraji, má podobu oceľového stožiaru s výškou 318 metrov (vysiela signál rádia a TV).

Úplne najvyššou anténou tohto typu je televízny vysielač KVLY-TV v Severnej Dakote (USA), ktorý bol postavený v roku 1963 a je vysoký 628 metrov (obrázok vyššie). Nebolo tomu tak vždy. V roku 1974 bol totiž dokončený 646 metrový vysielač Konstantynow v susednom Poľsku, ktorý sa vo svojej dobe stal najvyššou stavbou sveta. V roku 1991 sa však z dôvodu žalostného technického stavu zrútil pri pokuse o výmenu kotevných lán.

Tyčka je pravdaže len tyčka. Hodnotiť veľkosť antény len podľa jediného parametru by bol číry nezmysel. Ak ide o smerovú anténu, ktorú potrebujeme otáčať, celá masívna konštrukcia musí byť schopná rotácie aspoň okolo svojej vlastnej osi.

Toto je otáčateľná anténa ALLISS, ktorá sa používa v rôznych častiach sveta pre vysokovýkonné rádiové vysielanie na krátkych vlnách v rozsahu 6 až 26 MHz. Spodný podstavec je v skutočnosti prakticky jednopodlažný domček, kde sa nachádza rotačný mechanizmus.

Antény sa nachádzajú napríklad vo Francúzku, Nemecku Číne či v Kuvajte, pričom ich konštrukcia je podľa použitia rôzna (cena 10 až 15 miliónov dolárov za kus). Výška je obvykle 85 metrov a šírka 80 metrov. To ako vyzerá toto monštrum pri otáčaní si môžete pozrieť aj na videu.

Rádio France Internationale používa tieto antény v mestách Allouis a Issoudun, podľa čoho dostali pôvodne aj svoje meno. Vysielanie je schopné dostať sa prakticky do všetkých kútov sveta a rádio preto v rôznych častiach dňa vysiela v rôznych jazykoch, vrátane čínštiny, vietnamčiny či svahilštiny.

Ako je ale možné? Ako sa rádiový signál z jednej antény umiestnenej niekde v Európe dostane do Vietnamu, keď Zem je guľatá? Odpoveď je taká, že vlny v rozsahu 6 až 26 MHz sú už veľké niekoľko desiatok metrov, vďaka čomu môžu doslova plávať po povrchu Zeme, využívajúc to, že sa odrážajú od Zemskej ionosféry.

Tanier na pol kilometra dlhý rádiový rezeň

Jednotlivé frekvencie, teda dĺžky rozstupu vlny signálu, si vyžadujú rozličnú konštrukciu antén. Každá anténa signál vysiela pravdaže rýchlosťou svetla, nech je akéhokoľvek tvaru či výkonu. To koniec koncov nie je až tak prekvapivé, pretože aj svetlo, vďaka ktorému vidíme vlastnými očami, je elektromagnetické vlnenie, konkrétne na dĺžkach 400 až 700 nanometrov.

Kým pre veľké, niekoľkometrové vlny rádiového vysielania najčastejšie používame antény, pripomínajúce vešiaky na prádlo pre King Konga, pri menších vlnách v rámci mikrovĺn (centimetre) začína vystupovať do popredia parabola. Čím je totiž väčšia, tým viac signálu zozbiera, čo umožní zachytiť aj čoraz slabší signál.

Ak ste čítali nedávny Nedeľník o najvzdialenejšom počítači ľudstva, možno si pamätáte, že na komunikáciu s ním už je nutné používať antény s priemerom 70 metrov. Ide o najväčšie paraboly, ktoré používa NASA na kontakt s medziplanetárnymi sondami (na obrázku vyššie je tá z Kalifornského Deep Space komplexu Goldstone).

Na svete je len pár takýchto gigantov, pričom niekoľko postavil aj bývalý Sovietsky zväz. Jedna z nich (Jevpatoria RT-70) sa napríklad nachádza na Krymskom polostrove.

Effelsbergský rádio teleskop s 74 m parabolickou anténou

Dve antény ich však prekonávajú a jedna z nich sa nachádza aj v Európe. Konkrétne pri nemeckom meste Bad Münstereifel, kde z lesa trčí masívna, takmer 73,5 metrová anténa Effelsbergského rádio teleskopu, pomenovaného podľa blízkej dedinky.

Slúži na astronomické pozorovania na frekvenciách 86 GHz až 408 MHz, teda pre vlny v rozsahu niekoľkých milimetrov až metrov. Anténa bola dokončená v roku 1971, pričom až do roku 2000 bola najväčšou konštrukciou tohto typu na svete.

Prekonal ju americký teleskop v Západnej Virgínii (USA), v oblasti Green Bank. Jeho masívna parabola meria rovných 100 metrov, pričom zozbierava signál na frekvenciách 100 GHz až 290 MHz.

Najväčší rotačný parabolický teleskop na svete so 100 m anténou

Avšak vo všetkých prípadoch hovoríme o parabolických anténach, ktoré sú kompletne otáčateľné a smerovateľné na zdroj signálu selektívne. Ak od tejto požiadavky upustíme, presunieme sa ešte k väčším gigantom. V takomto prípade sa parabola umiestňuje na zem, obvykle do údolia, ktoré tvorí podpornú nosnú konštrukciu, nad ktorú sa pláty antény uchytia.

Ešte donedávna bol suverénne najväčším teleskopom tohto typu sférický reflektor observatória Arecibo, na  ostrove Portoriko v Karibskom mori. Jeho 305 metrová anténa hľadala od svojej stavby v roku 1963 súpera skutočne ťažko.

Nakoniec k jej pokoreniu predsa len došlo a to skutočne výrazne. V roku 2016 bola totiž dokončená stavba čínskeho teleskopu FAST (Five hundred meter Aperture Spherical Telescope) s priemerom 500 metrov.

Anténa teleskopu sa nachádza uprostred hôr v provincii Guizhou, konkrétne v oblasti Pingtang (juhozápad krajiny). Stožiare budú niesť vo vzduchu na lanách hlavnú smerovaciu aparatúru, ktorá podobne ako v prípade teleskopu Arecibo umožňuje zacielenie teleskopu. Je to podobné, ako keď sa zrkadlo nehýbe, ale ukročením doľava alebo doprava môžete vidieť odraz prichádzajúci z iného smeru.

Teleskop je pre vlnové dĺžky od 10 centimetrov do 4,3 metra (3 GHz – 70 MHz), pričom v nadchádzajúcich rokoch bude slúžiť na pozorovanie pulzarov, gravitačných vĺn a potenciálne aj temnej hmoty.

Gigantický tanier s priemerom 500 metrov sa ťažko predstavuje v ozajstnej veľkosti len z fotografií. Akú-takú predstavu môžete získať tým, ak v jeho centre zaostríte na malý výstupok. Z popod tohto výstupku môžete na nasledujúcej fotografii vidieť zástup ľudí vypúšťať balóny na oslavu krátko pred dokončením.

V základe na svete existuje ešte jeden rádio teleskop, ktorý je o niečo väčší, pričom ho takisto tvorí len jedna súvislá hlavná anténa. Ide o ruský RATAN-600, postavený v roku 1974 na Kaukaze medzi Čiernym a Kaspickým morom, v blízkosti dedinky Zelenčukskaja.

V jeho prípade však nie je jeho plocha kompletne pokrytá a na zber signálu sa používa odraz len od zeme ako takej. To pravdaže kvalitu teleskopu s kompletným pokrytím odrazových plôch nedosahuje. RATAN-600 je tvorený 576 metrovým kruhom, ktorý sústreďuje elektromagnetické vlny do sekundárneho stredového zrkadla. Používa sa na zachytávanie signálu v rozsahu 1 – 21 GHz (vlny s rozpätím 31 až 1 cm) a dodnes sa podieľa na výskume v oblasti rádio astronómie v nemalej miere.

Čo ak sa ale posunieme k anténam, ktoré tvorí sústava viacerých prvkov kooperujúcich v rámci jednej operácie?

Spoznaj silu mojej obrovitej anténovej steny

Masívnych antény často vyvolajú v človeku nemý úžas. Konštrukcie obrích rozmerov tohto typu pôsobia vždy tak akosi diabolsky a vždy sú vďačným cieľom fotografov. Jednou z najfotogenickejších a najúžasnejších stavieb tohto kalibru je ruská Duga.

Ide o dnes už nepoužívaný, ale stále stojaci radarový systém s dĺžkou 800 m (výška 150 m), ktorý bol v prevádzke v rokoch 1976 až 1989. Ide o systém včasného varovania proti balistickým nukleárnym raketám, potenciálne útočiacim na bývalý Sovietsky zväz. Keďže doba od štartu rakety až po zásah sa ráta len na minúty, jej detekcia prakticky ihneď po štarte je celkom esenciálna.

Šlo o nesmierne výkonný systém, ktorého vysielanie v niektorých dobách prekračovalo až 10 MW.  Negatívne pritom interferoval s mnohými bežnými rádiovými vysielaniami po celom svete. Z dôvodu, že vysielal ostrý opakujúci sa signál na nízkej frekvencii, dostal na západe prezývku ruský ďateľ.

Na verejnosti pri tom zdroj signálu vyvolával množstvo otázok. V tej dobe bol jeho účel neznámy a pri jeho sile sa množstvo bláznivých konšpiračných teoretikov domnievalo, že ide o sovietsky projekt ovládania mysle či počasia.

V rámci vojenských kruhov bol však účel dobre známy. Trianguláciou signálu boli odhalené dva systémy Duga. Jeden na západe ZSSR, v blízkosti Černobyľu na území dnešnej Ukrajiny, druhý na ďalekom východe v sibírskej oblasti blízko ostrova Sachalin. Vzhľadom na ich konštrukciu pri tom bolo jasné, že Duga dokázala detegovať štarty balistických rakiet vypálených z ponoriek z Atlantického oceánu až po Karibik, Indického oceánu, Severného oceánu a takisto Tichého oceánu.

Duga už nie je v prevádzke viac ako 25 rokov. Na konci 80. rokoch bola nahradená kozmickými stacionárnymi satelitmi US-KS a US-KMO v rámci programu Oko a tie zas v súčasnosti nahrádza nový satelitný systém EKS. Duga však vďaka monštruóznej podobe stále láka pozornosť zvedavcov a takisto basejumperov (pozrite si Dugu na mapách Googlu).

Systémy príbuznej konštrukcie však stále existujú a používajú sa v oblasti rádio astronómie. Za spomenutie stojí o niečo menší systém blízko talianskej Bologne, kde sa nachádza rádiové observatórium Medicina používajúce anténu s rozmermi 640 × 23 metrov a takisto ruské rádio astronomické observatórium Puškino, ktorého systém má rozmer 1000 × 40 metrov. Žiadny z nich však nepôsobí tak majestátne, ako Duga (800 × 150 m).

Niektoré systémy však zaujmú inak, pretože namiesto dĺžky pokrývajú značnú horizontálnu plochu. Za pozornosť stojí americký anténový systém HAARP, určený prioritne na výskum ionosféry a takisto na prieskum efektívnych vojenských komunikačných systémov v súvislosti s agentúrou DARPA. Podobne ako kedysi Duga, aj HAARP vyvoláva veľmi často šialené predstavy konšpirátorov.

Americký HAARP na Aljaške

HAARP (High Frequency Active Auroral Research Program) bol vybudovaný v roku 2007 na Aljaške, pričom pri plošných rozmeroch 390 × 316 metrov zaberajú jeho 21 metrov vysoké antény plochu 123 tisíc m².

Z podobného súdku je aj ukrajinský teleskop UTR-2, ktorý je najväčšou anténou pre príjem signálu na vlnových dĺžkach niekoľkých desiatok metrov (8-40 MHz). Nachádza sa pri dedinke Hrachové na východnom cípe Ukrajiny.

Pole s ukrajinskou anténou UTR-2

Anténa je tvorená zoskupením 2040 dipólových elementov v šiestich radoch, ktoré sú zavesené vo výške 3,5 nad zemou do formy obrovského písmena T. Jeho nožička je dlhá 901 metrov a strieška 1855 metrov, čím anténa pokrýva zbernú plochu 150 000 m².

Anténa veľká ako svet

Existujú ešte aj väčšie antény? Také, ktoré sa nerátajú na stovky metrov, ale na desiatky kilometrov? O niekoľkých takýchto systémoch vieme, i keď mnohé detaily sú zahalené rúškom tajomstva. Je to z dôvodu, na aký účel sú používané.

V základe sa dá povedať, že čím je elektromagnetická vlna produkovaná vysielačom dlhšia, tým obvykle ľahšie penetruje prekážku. Napríklad niekoľko stoviek nanometrová vlna viditeľného svetla neprejde ani cez jednu stenu, pretože ako je známe, cez stenu nevidíme. Dlhšie vlny ktoré produkuje anténa vášho Wi-Fi routeru si však s ňou poradia a signál prejde napríklad z predsiene do obývačky. Wi-Fi používa vlnu s rozpätím 12 cm (2,4 GHz) alebo 6 cm (5 GHz).

Bývalá riadiaca časť  45 km antény amerického námorníctva v oblasti Clam Lake vo Wisconsine

Z tohto dôvodu signál rádia alebo televízie, ktorý sa vysiela obvykle na frekvencii v rozsahu 300 až 30 MHz (rozstup vlny je 1 až 10 metrov), bez problémov prechádza veľkými budovami aj hustými lesmi. Anténa však stále potrebuje priamy dohľad, vďaka čomu sa umiestňuje na kopce, či vysoké stavby.

Ako som už spomenul na začiatku, pod frekvenciou 30 MHz sú vlny veľké niekoľko desiatok metrov a odrážajú sa od našej ionosféry, čím môžu doputovať po povrchu aj na opačný koniec guľatého sveta.

Prechod prekážkou je ale vec iná. Pri frekvencii 3 kHz, čo je koniec frekvencií označovaných ako VLT (Very low frequency), má už elektromagnetická vlna rozpätie 100 km. Môžeme ale pokračovať ďalej a to napríklad až ku 30 Hz (ELF – Extremely low frequency), kde už ide o dĺžku 10 000 km, čo je takmer priemer celej Zeme (12 742 km)!

Poloha extrémne nízkofrekvenčnej antény ruského námorníctva

Takáto vlna nielenže prejde na opačný koniec sveta, ale aj spoľahlivo penetruje stovky metrov vody, čo je dôležité pre armádu, pretože umožňuje komunikáciu s ponorenými útočnými a raketovými ponorkami. Ide o veľmi chcenú vlastnosť, pretože slaná voda vďaka vysokej vodivosti rýchlo tlmí väčšinu elektromagnetických vĺn, takže ponorka musí vchádzať tesne pod hladinu a vysúvať anténu, vďaka čomu je zraniteľná.

Pri frekvenciách okolo 80 Hz však už signál zachádza značne hlboko pod vodu a ponorka sa vynárať nemusí. Generovanie takýchto frekvencií v dostatočnej sile si však vyžaduje obrovské množstvo energie a vskutku gigantickú anténu.

Približné umiestnenie 65 km dlhej extrémne nízkofrekvenčnej antény ruského námorníctva pre kontakt s nukleárnymi ponorkami

Z priebehu histórie sú známe len štyri antény s plným výkonom (mimo menších experimentov), ktoré boli schopné takéto frekvencie vysielať. Dve vybudovalo americké námorníctvo (v štátoch Michigan a Wisconsin), jednu ruské námorníctvo blízko ponorkovej základne pri meste Murmansk a jednu indické námorníctvo pri základni Kattabomman.

Americké systémy používali 45 km dlhé antény, pričom boli v prevádzke v rokoch 1985 až 2004.  V súčasnosti námorníctvo prešlo na menšie systémy na vyššej frekvencii. Ruský systém má podľa všetkého dĺžku okolo 65 km a je stále v prevádzke.

Ruský systém je pritom nielen väčší ako americké, ale používa aj značne väčšie množstvo energie (pravdepodobne niekde medzi 10 MW a 14 MW).

Schéma ground dipól antény pre extrémne nízke frekvencie

Antény týchto typov sa označujú ako Ground dipól, pričom ich tvoria dve výrazne oddelené elektródy (vzdialené od seba niekoľko kilometrov), cez ktoré sa priamo cez zem pustí elektrický prúd. Vytvorí sa tak veľké magnetické pole, ktoré generuje extrémne nízke frekvencie. Z tohto dôvodu je samotná Zem prvkom celej antény.

Pre príjem signálu už takáto mega anténa nie je potrebná a postačí konštrukcia z dlhých navinutých drôtov do podoby cievky. Vzhľadom na to, že tieto systémy majú strategický význam, príliš veľa detailov o fungovaní nie je verejne známe.

Existuje ale aj anténa, ktorá je väčšia ako Zem naozaj? Tak trochu. Dočasne sme vytvorili doteraz najväčší teleskop s priemerom 30× väčším ako Zem v roku 2011. Spoluprácou sa o to postarala už spomenutá 74 metrová parabolická anténa v nemeckom Effelsbergu, 70 m anténa Jevpatorija na Kryme, tri 32 metrové ruské antény systému QUASAR (Badary, Svetloje, Zelenčukskaja) a jeden kozmický satelit s 10 metrovou parabolickou anténou. V prípade toho posledného menovaného šlo o ruskú sondu Spektr-R, zhruba 360 000 km od Zeme (čo je už takmer na úrovni mesiaca – 384 400 km).

Skombinovaním pozorovania signálu kvazaru 0212+735 na 18 cm vlnovej dĺžke došlo ku spoločnému zberu totožných dát (všetky spomenuté antény), čím sa vytvorila rekord vo vytvorení efektívnej antény 30 × väčšej ako samotná Zem.

V rozpore s Betteridgeovým zákonom o nadpisoch, ktorý hovorí o tom, že ak je nadpis článku otázka, odpoveď je vždy nie, je teda v tomto prípade odpoveď opačná. Áno, môžeme postaviť anténu veľkú ako svet.

Nedeľník TOUCHIT hľadajte na našom webe ako inak než v nedeľu. Ak ste predchádzajúce zmeškali, nájdete ich všetky pod rovnomenným kľúčovým slovom.

Značky:

O autorovi

Profesionálnej žurnalistike sa venujem od roku 2006. Zameriavam sa najmä na prehľadové a analytické články z prostredia hardvéru, výrobných procesov polovodičov, umelej inteligencie a ďalších technológií. Mojou doménou je takisto servis hardvéru aj softvéru.

Jeden komentár

  1. Pingback: Prečo už na mobilných telefónoch nie sú vidieť antény? | TOUCHIT

Pridaj komentár

Objednajte si ročné predplatné TOUCHIT v limitovanej edícii
s bezdrôtovými slúchadlami a rúškom.
Kliknite a zistite viac>>