Zonnestormen en digitale communicatie. Wat is de relatie?
Digitale communicatie was een bijzonder aandachtspunt toen ik mij, tijdens m'n werkzame leven in de energiewereld, bezig mocht houden met de mogelijkheden maar vooral ook de risico's bij de inzet van draadloze digitale communicatietechniek. Mijn focus lag op de inzetbaarheid voor maatschappelijk kritische processen, in brede zin. Het was de tijd van de 2G netwerken en de opkomst van het publieke 3G en voor hulpdiensten C2000. Een veel gehoorde kreet was toen ook ‘we MOETEN over naar digitaal, dat is veel beter dan analoog’! In de basis van de digitale communicatietechniek is sindsdien weinig veranderd, wel zijn er opvolgende generaties ontwikkeld. En zoals met elke ontwikkeling wordt ook deze techniek vele malen intensiever dan in de beginjaren toegepast, in dit geval ongebreideld en onbevangen!
Eerst iets over Zonnestormen. De activiteit van de Zon varieert in een cyclus van circa 12 jaar. Rondom een zonnemaximum in de cyclus, ongeveer nu (eind 2024), is de activiteit hoog. Er zijn dan meer Zonnevlekken te zien en is er vaker sprake van een Zonnestorm waar wij op aarde iets van mee kunnen krijgen. Eén van de dingen die we er van kunnen merken is, bij een heldere en koude hemel, het indrukwekkende Noorderlicht, het Aurora Borealis.
Zonnevlekken
, (beeld: NASA/Solar Dynamics Observatory.)
Het Noorderlicht, Aurora Borealis, 10 oktober 2024, noord Friesland.
Een Zonnestorm volgt op een Zonnevlam en bestaat uit een fors elektromagnetisch veld, ook wel een magnetische flux genoemd. Overigens, niet alleen de Zon, ook een atoomexplosie kan op kleinere schaal zo'n flux veroorzaken. Zo'n flux kan onvoorziene effecten hebben op elektrische componenten die daardoor zelfs kapot kunnen gaan. Het risico daarop ontstaat door een onbeheersbare elektrische inductie.
NASA/SDO maakte deze foto van een zonnevlam op 2 oktober 2014.
Maar wat is inductie? Neem als voorbeeld, heel in het klein, de goeie ouwe fietsdynamo. Die is net als elke andere generator, gebaseerd op het principe van inductie. In de fietsdynamo draait een magneet waarvan het magnetisch veld overgebracht wordt naar de spoel van koperdraad. Als gevolg van de passerende magnetische velden (noord en zuidpool), ontstaat er in geleidbare materialen in dat veld een elektrische spanning en daardoor, in een aangesloten circuit, ook een stroom. Dat aangesloten circuit, het lampje, krijgt spanning, er gaat een stroom lopen, de gloeidraad wordt heet, het lampje 'brandt'. Als een inductie-spanning en -stroom (veel) hoger zijn dan die waar het circuit (het lampje) voor ontworpen is, gaat dat ding stuk. Op de fiets-van-toen: als je heel hard fietste kon de gloeidraad in het lampje doorbrandden.
Maar wat heeft dat nu te maken met digitale communicatie… Digitale communicatie drijft op tijd-synchronisatie. ‘Digitaal’ bestaat uit reeksen enen en nullen: binaire waarden. In de communicatie worden die binaire waarden aangevuld met exacte tijd-labels. Zonder aan weerszijden van de lijn de exacte tijd aan het begin en het eind van de reeksen (bits en bytes), levert de omzetting van een digitale inhoud naar analoog geluid absolute wartaal op. Het tijdmechanisme voor deze technologie ‘lenen’ we gemakshalve van GPS-signalen.
Bij GPS denkt men vaak aan navigatie, maar we doen er nogal wat meer mee. GPS bestaat uit berichten (telegrammen) via radiotechnologie uitgezonden door satellieten, met in die berichten de exacte verzendtijd van dat bericht en o.a. de globale positie van die satelliet. Het verschil tussen verzend- en ontvangsttijd zegt, op basis van doppler, iets over de afstand tussen de satelliet en de ontvanger. Maakt je systeem op die manier een driepuntsmeting op basis van berichten van 3 verschillende satellieten, dan wordt daarmee de positie van je ontvanger bepaald. Des te meer signalen, des te nauwkeuriger de positie. Dat hangt natuurlijk ook af van de kwaliteit van je ontvanger. GPS is dus niks meer dan tijd. Maar naast positie bepaling lenen we de GPS-tijd ook al heel lang voor veel meer zaken die tijd-afhankelijk zijn: communicatie over 2/3/4/5G en C2000 netwerken, energieopwekking, verkeerstechnieken, openbaar vervoer, communicatie in lucht- en maritiem verkeer, radio en tv, betalingsverkeer, en heel veel andere zaken.
Waarom Lenen? Dat is gemakkelijk, want GPS is er toch? En erg Hollands: het is gratis. Er zijn inmiddels 6 constellaties. De eerste was NAVSTAR van de Amerikanen. Maar helaas, gratis. Geen enkele gebruiker, groot of klein, heeft een abonnement of zoiets, laat staan enige invloed op de kwaliteit en de beschikbaarheid. Sterker nog: de meeste satelliet constellaties hebben oorspronkelijk een militair doel. Omdat iedereen, dus ook de vijand, elk systeem kan gebruiken, is er de mogelijkheid van een ‘time-offset’. Daarmee wordt, via grondstations, de tijd in de satellieten bewust in de war gebracht. Op dat moment zegt jouw navigatie opeens dat je in de Sahara staat in plaats van op je eigen dorpsplein. De militairen ‘aan de goede kant’ kunnen die time-offset ook instellen, dus die staan wél op je dorpsplein.
De GPS-satellieten 'boven ons'.
Maar terug naar de Zon: als die een flinke wind laat, dan zijn de satellieten juist het zwakke punt. Deze geostationaire satellieten cirkelen met de aarde mee en hebben, op een hoogte tussen 20.000km en 36.000km, min of meer een vaste plek boven de aarde. Technisch gezien zijn deze satellieten relatief onbeschermd. Ze zijn weliswaar zo goed mogelijk ingepakt, maar zitten volgepropt met kritische apparatuur en last but not least, rondom voorzien van open antennes en zonnepanelen. Bij een flinke inductie kunnen er dan in zo'n satelliet heel veel 'lampjes' kapot gaan'...
3e (laatste) generatie GPS-satelliet, USA.
