Как прокладывают глубоководные кабели?

Проблемой установления электрической связи между континентами, разделенными Атлантическим океаном волновал изобретателей, техников, бизнесменов и всех образованных людей еще до сороковых годов XIX века. До прокладки трансатлантических кабелей связь между континентами, разделенными океанами осуществлялась с помощью длинноволновой радиосвязи.

Еще в те времена американский изобретатель пишущего телеграфа Самюэль Морзе высказал уверенность в том, что возможно проложить телеграфный «провод по дну Атлантического океана». Он провел опыты в 1842 году, проложив защищенный резиной и свинцовой трубкой кабель, в нью-йоркской гавани. Основываясь на результатах своих исследований, Морзе в 1843 году сказал: «Телеграфная связь через Атлантический океан сейчас для многих кажется немыслимой, но я уверен, что настанет время, когда этот проект будет осуществлён».

Первый подводный кабель

Гутта-перча

Контракт на изготовление кабеля Уитсон подписал с английской компанией «Гутта-Перча». К этому времени технический мир уже знал и умел применять вещество, которое природа как бы специально создала для изоляции проволоки от воды. Это резиноподобное вещество добывали, подобно каучуку, из сока деревьев семейств изонандра-гутта и изонандра-перча на островах Индонезийского архипелага Изолирующее вещество было названо гуттаперчей.

Самый первый подводный кабель был проложен в Германии, в городе Мюнхене вдоль реки Изар. Первый же опыт показал, насколько сложна затея: первой проблемой оказалась изоляция. Подводные кабели требовали очень качественной гидроизоляции, без которой из можно было эксплуатировать лишь крайне короткое время после укладки. С этой же проблемой столкнулся и английский физик Уитстон, который в 1840 году предложил свой проект по связи Англии и Франции телеграфной линией. Лишь в 1847 году изобретение Сименсом технологии изоляции из гуттаперчи позволило наладить работы по прокладке. Гуттаперча отлично подошла для изоляции именно подводных проводов, так как окисляясь и ссыхаясь на воздухе, она совсем не теряет своих качеств в воде и может сохраняться под водой сколь угодно долгое время.

Утром 28 августа 1850 года в море вышло для прокладки кабеля специальное судно «Голиаф» с буксирным пароходом. Путь их лежал от Дувра к берегам Франции. Впереди шло военное судно «Вигдеон», указывавшее «Голиафу» и буксиру заранее определенный путь, отмеченный буями с развевавшимися на них флагами. Барабан, возвышавшийся на корме «Голиафа», как огромная катушка ниток, вращался по мере размотки кабеля. Метр за метром кабель уходил за борт судна, и здесь обнаружилась еще одна проблема — кабель был слишком легким и не хотел тонуть. К нему пришлось через каждые 100 метров подвешивать специальные грузила из свинца, что вызывало частые остановки и излишнюю суету. Только на четвертые сутки «Голиаф» достиг французского берега, кабель был выведен на сушу я соединен с телеграфным аппаратом. В Дувр по подводному кабелю была послана приветственная телеграмма из 100 слов. Огромная толпа, собравшаяся в Дувре у конторы телеграфной компании и с нетерпением ожидавшая вестей из Франции, с большим воодушевлением приветствовала рождение подводной телеграфии.

Увы, эти восторги оказались преждевременными! Первая телеграмма, переданная по подводному кабелю с французского берега в Дувр, оказалась и последней. Кабель внезапно отказался работать. Только через некоторое время узнали причину столь внезапной порчи. Оказалось, что какой-то французский рыбак, закидывая невод, случайно зацепил кабель и вырвал из него кусок.

Итак, третьей проблемой оказалась недостаточная прочность кабеля. Кабель представлял собой обычный одножильный медный провод (диаметр медной проволоки 2 мм), изолированный гуттаперчей (толщина слоя изоляции 5.5 мм). Однако его и не пытались сделать более прочным. Предполагалось, что, однажды проложенный, он будет спокойно лежать на дне пролива, где с ним ничего не может случиться. Только выходящие на берег концы кабеля решили защитить от случайных повреждений свинцовыми трубами.

 

Но все же, несмотря на все сложности и первые неудачи, даже самые ярые скептики поверили в подводную телеграфию. Бретты решили проложить второй кабель. На этот раз для управления проектом, финансами и технической стороной разработки выбрали инженера Томаса Кремптона. Томас сам сконструировал кабель, который состоял из четырех полноценных изолированных жил, защищенных стальной оцинкованной проволокой. Теперь ни один рыбак не разорвал бы его случайно. Но увеличившийся вес чуть было не погубил проект: стопоры не могли удержать стремительное вытравливание кабеля за борт. Кроме того, из-за ветра судно отклонилось от курса. И вот, когда до французского берега оставалось ещё около двух километров, показался конец кабеля на катушке, который, к счастью, был основательно закреплён. Возможность такого случая, по всей вероятности, предусмотрели — на судне оказалась запасная бухта кабеля, позволившая дотянуться до французского берега (г. Кале) и спасти положение. Кабель был соединен с телеграфным аппаратом, установленным в палатке прямо на прибрежном утесе.

Через год, 1 ноября 1852 года было установлено прямое телеграфное сообщение между Лондоном и Парижем. Вскоре Англия была соединена подводным кабелем с Ирландией, Германией, Голландией и Бельгией. Затем телеграф связал Швецию с Норвегией, Италию — с Сардинией и Корсикой. В 1854—1855 гг. был проложен подводный кабель через Средиземное и Черное моря. По этому кабелю командование союзных войск, осаждающих Севастополь, сносилось со своими правительствами.

Развитие подводного телеграфа шло трудным путём ошибок, катастроф, разочарований. Однако успешная прокладка ряда линий привела к мысли о возможности пересечь телеграфным кабелем Атлантический океан.

Трансатлантический кабель

Англия, обладавшая огромными заморскими владениями и имевшая технические возможности, неизбежно должна была стать пионером прокладки подводных кабелей, и не удивительно, что она удерживала первенство в течение почти ста лет. Однако инициатива организации прокладки первого трансатлантического кабеля всё же принадлежит Америке — её подданному Сайрусу Уэсту Филду, который организовал в 1856 году «Трансатлантическую компанию».

Больше всего вопросов в проекте было к электрической проводимости кабеля. Неясно было, сможет ли электрический ток пробежать огромное расстояние в 4 — 5 тысяч километров, отделяющее Европу от Америки. Ветеран телеграфного дела Самюэль Морзе ответил на этот вопрос утвердительно. Для большей уверенности Филд обратился к английскому правительству с просьбой соединить в одну линию все имевшиеся в его распоряжении провода и пропустить через них ток. В ночь на 9 декабря 1856 года все воздушные, подземные и подводные провода Англии и Ирландии были соединены в одну непрерывную цепь длиной в 8 тысяч километров. Ток легко прошел через громадную цепь, и с этой стороны больше сомнений не было.

Собрав все необходимые предварительные сведения, Филд приступил в феврале 1857 года к изготовлению кабеля. Кабель состоял из семижильного медного каната с гуттаперчевой оболочкой. Жилы его были обложены просмоленной пенькой, а снаружи кабель был еще обвит 18 шнурами из 7 железных проволок каждый. В таком виде кабель длиной в 4 тысячи километров весил три тысячи тонн. Это значит, что для его перевозки по железной дороге понадобился бы состав из 183 товарных вагонов.

 

История прокладки кабеля изобилует массой непредвиденных обстоятельств. Он несколько раз обрывался, спаянные куски «не желали» доставлять энергию к месту назначения.

Для прокладки кабеля было приспособлено специальное судно «Грейт Истерн» — в прошлом прекрасно оборудованный океанский пароход, не окупавший расходов по пассажирскому движению и снятый с рейсов. Уже на другой день после отплытия «Грейт Истерн» электротехники обнаружили, что по кабелю прекратилось прохождение тока. Пароход, проделав чрезвычайно сложный и опасный маневр, во время которого чуть было не произошел разрыв кабеля, сделал полный поворот и стал обратно наматывать уже спущенный на дно кабель. Вскоре, когда кабель стал подниматься из воды, все заметили причину порчи: через кабель был проткнут острый железный прут, задевший гуттаперчевую изоляцию. Кабель портился еще дважды.  Когда стали поднимать обратно кабель с глубины 4 тысяч метров, он от сильного натяжения оборвался и утонул.

Неутомимый Сайрус Филд организовал компанию, чтобы еще раз попытаться проложить кабель через неподатливый океан. Изготовленный компанией новый кабель состоял из семижильного шнура, изолированного четырьмя слоями. Снаружи кабель был покрыт слоем «просмоленной пеньки и обмотан десятью стальными проволоками. Новый кабель оказался значительно лучше по сравнению с прежним. «Грейт Истерн» был оборудован новыми машинами для укладки кабеля, а также специальными приспособлениями, предназначенными для подъема кабеля со дна. Новая экспедиция отправилась в путь 7 июля 1866 года. На этот раз полный успех увенчал отважное предприятие: «Грейт Истерн» достиг американского берега, проложив, наконец, телеграфный кабель через океан. Этот «кабель действовал почти без перерыва в течение семи лет.

Третий трансатлантический кабель был проложен англо-американской телеграфной компанией в 1873 году. Он соединял Пти-Минон возле Бреста во Франции с Ньюфаундлендом. В течение последующих 11 лет та же компания проложила между Валенсией и Ньюфаундлендом еще четыре кабеля. В 1874 году была построена телеграфная линия, соединявшая Европу с Южной Америкой.

В 1809 году, то есть через три года после прокладки подводного кабеля через Атлантический океан, была завершена постройка еще одного грандиозного телеграфного предприятия — Индо-европейской линии. Эта линия соединила двойным проводом Калькутту с Лондоном. Длина ее — 10 тысяч километров.

Значительно позже, чем через Атлантику, был проложен телеграфный кабель через Тихий океан. Так телеграфная сеть опутывала весь земной шар. Благодаря этим линиям практически мгновенно действует всемирная паутина — Интернет.

Как устроен современный подводный кабель?

Современные кабели намного более технологичны: особо прочное кевларовое волокно или майларовая пленка предотвращает растяжение и разрыв кабеля, полиэтилен обеспечивает превосходную герметизацию и успешно противодействует агрессивной среде, вазелин или специальный гель дополнительно предотвращают контакт воды с жилами кабеля.

Но дело не только в более качественной защите жил — сейчас для передачи данных используются совсем другие технологии! Сегодня более 99% интернет-трафика переносится с помощью оптоволокна, изготовленного из кварцевого или многокомпонентного стекла диаметром 100 — 150 мкм.

Из чего же состоит кабель?

  1. Полиэтилен — внешний традиционный изоляционный слой кабеля. Данный материал является отличным выбором для прямого контакта с водой, так как обладает следующими свойствами: устойчив к действию воды, не реагирует со щелочами любой концентрации, с растворами нейтральных, кислых и основных солей, органическими и неорганическими кислотами, даже с концентрированной серной кислотой.

    Мировой океан содержит в себе, фактически, все элементы таблицы Менделеева, а вода является универсальным растворителем. Использование такого распространенного в хим. промышленности материала как полиэтилен является логичным и оправданным, так как в первую очередь инженерам было необходимо исключить реакцию кабеля и воды, тем самым избежать его разрушения под воздействием окружающей среды. Полиэтилен использовался в качестве изолирующего материала в ходе прокладки первых межконтинентальных линий телефонной связи в середине XX века.

    Однако, в силу своей пористой структуры полиэтилен не может обеспечить полной гидроизоляции кабеля, поэтому мы переходим к следующему слою.
  2. Майларовая пленка — синтетический материал на основе полиэтилентерефталата. Имеет следующие свойства: не имеет запаха, вкуса, прозрачный, химически неактивный, с высокими барьерными свойствами (в том числе и ко многим агрессивным средам), устойчивый к разрыву (в 10 раз прочнее полиэтилена), износу, удару. Майлар (или в СССР Лавсан) широко используется в промышленности, упаковке, текстиле, космической промышленности. Из него даже шьют палатки. Однако, использование данного материала ограничено многослойными пленками из-за усадки при термосваривании.
  3. Многожильные стальные провода. В основном используется мощная стальная оплетка для придания кабелю достаточной жесткости и прочности, а также для противодействия агрессивным механических воздействиям извне.
  4. Алюминиевый водный барьер, или слой алюмополиэтилена используется как очередной слой гидроизоляции и экранирования кабеля. Алюмополиэтилен представляет собой комбинацию из фольги алюминиевой и полиэтиленовой пленки, соединенных между собой клеевым слоем. Проклейка может быть как односторонней, так и двухсторонней. В масштабах всей конструкции алюмополиэтилен выглядит почти незаметным. Толщина пленки может варьироваться от производителя к производителю, но, к примеру, у одного из производителей на территории РФ толщина конечного продукта составляет 0.15-0.2 мм при односторонней проклейке.
  5. Слой поликарбоната вновь используется для усиления конструкции. Легкий, прочный и стойкий к давлению и ударам, материал.
  6. Медная, или алюминиевая трубка входит в состав сердечника кабеля и служит для его экранирования. Непосредственно в эту конструкцию укладываются другие медные трубки с оптоволокном внутри. В зависимости от конструкции кабеля, трубок может быть несколько и они могут быть переплетены между собой различным образом.

    Укладка оптоволокна в медные трубки которые заполнены гидрофобным тиксотропным гелем, а металлические элементы конструкции используются для организации дистанционного электропитания промежуточных регенераторов — устройств, осуществляющих восстановление формы оптического импульса, который, распространяясь по волокну, претерпевает искажения. 
  7. Гидрофобный гель на основе вазелина.
  8. Оптические волокна.

Источники

Для написания статьи использовались следующие источники:

  • Интернет из под воды >>
  • Трансатлантический телеграфный кабель >>
  • А. Кларк: Голос через океан >>