Εμπνευσμένοι από τις φυσικά σχηματιζόμενες φυσαλίδες αέρα σε παγετώνες, ερευνητές ανέπτυξαν μία μέθοδο κωδικοποίησης μηνυμάτων σε πάγο.
Δημοσιευμένη στο Cell Reports Physical Science, η μελέτη εξηγεί πώς η ομάδα κωδικοποίησε παγωμένα μηνύματα σε δυαδικό και κώδικα Μορς, χειριζόμενη το μέγεθος και την κατανομή των φυσαλίδων στον πάγο. Η μέθοδος αυτή θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την αποθήκευση σύντομων μηνυμάτων σε πολύ ψυχρές περιοχές όπως η Ανταρκτική και η Αρκτική, όπου η συμβατική αποθήκευση πληροφοριών είναι δύσκολη ή υπερβολικά ακριβή.
Ενεργειακά αποδοτική και διακριτική αποθήκευση
«Σε φυσικά ψυχρές περιοχές, η χρήση παγιδευμένων φυσαλίδων αέρα ως μέσου μετάδοσης και αποθήκευσης μηνυμάτων καταναλώνει λιγότερη ενέργεια από τις τηλεπικοινωνίες και είναι πιο διακριτική από τα έγγραφα σε χαρτί», λέει η μηχανικός μηχανολογίας και συγγραφέας Mengjie Song, που συνδέεται με το Beijing Institute of Technology.
«Αυτά τα παγωμένα μηνύματα μπορούν να διατηρηθούν για μεγάλο χρονικό διάστημα και τα μηνύματα που μεταφέρουν είναι εύκολα ορατά και αναγνώσιμα».
Σχηματισμός φυσαλίδων κατά την ψύξη
Καθώς το νερό παγώνει, τα διαλυμένα αέρια εκτοπίζονται και συγκεντρώνονται, σχηματίζοντας παγιδευμένοι θύλακες αέρα (δηλαδή φυσαλίδες). Αυτές οι φυσαλίδες είναι είτε ωοειδείς είτε σαν βελόνες και συνήθως βρίσκονται σε τρισδιάστατα κομμάτια πάγου. Για να διερευνήσουν πώς σχηματίζονται αυτές οι φυσαλίδες στον πάγο, η ομάδα χρησιμοποίησε μία ψυχρή επιφάνεια για να παγώσει ένα δισδιάστατο στρώμα νερού μεταξύ δύο διαφανών φύλλων πλαστικού. Στη συνέχεια, δοκίμασαν διαφορετικές θερμοκρασίες και προσανατολισμούς για να εξετάσουν την επίδραση της ταχύτητας και της κατεύθυνσης ψύξης στον σχηματισμό των φυσαλίδων.
Έλεγχος της ταχύτητας ψύξης
Διαπίστωσαν ότι η απότομη αύξηση της ταχύτητας ψύξης, μέσω απότομης μείωσης της θερμοκρασίας της ψυχρής επιφάνειας, είχε ως αποτέλεσμα τη δημιουργία μίας στρώσης με φυσαλίδες. Γρηγορότερες ταχύτητες ψύξης παρήγαγαν ωοειδείς φυσαλίδες, οπότε με τη σταδιακή μείωση της ταχύτητας ψύξης, κατάφεραν να παραγάγουν διαδοχικές στρώσεις με διαφορετικά σχήματα φυσαλίδων: η πρώτη στρώση περιείχε μόνο ωοειδείς φυσαλίδες, ακολουθούμενη από μία στρώση με ωοειδείς και βελονοειδείς φυσαλίδες, ακολουθούμενη από στρώση με μόνο βελονοειδείς φυσαλίδες – και τέλος μία στρώση πάγου χωρίς καθόλου φυσαλίδες.
«Αφού η θέση και το σχήμα των φυσαλίδων καθορίζονται από την ταχύτητα ψύξης, είναι δυνατόν να ελεγχθεί χειροκίνητα η ταχύτητα ψύξης για να χειριστούμε το σχήμα και την κατανομή των φυσαλίδων στον πάγο», λέει η Song.
Κωδικοποίηση πληροφοριών σε πάγο
Στη συνέχεια, οι ερευνητές δοκίμασαν αν μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν αυτή τη γνώση για να κωδικοποιήσουν μηνύματα σε πάγο. Για να το κάνουν αυτό, ανέθεσαν σε μέγεθος, σχήμα και θέση φυσαλίδων διαφορετικούς χαρακτήρες σε κώδικες Μορς και δυαδικό. Στη συνέχεια, προγραμμάτισαν την ψυχρή επιφάνεια ώστε να ελέγχει την ταχύτητα και την κατεύθυνση της ψύξης, παράγοντας έτσι ένα κομμάτι πάγου με φυσαλίδες σε κατάλληλες θέσεις και μεγέθη.
Ανάγνωση του παγωμένου μηνύματος
Για να διαβάσει το παγωμένο μήνυμα, η ομάδα έβγαλε μία φωτογραφία του πάγου και τη μετέτρεψε σε κλίμακα του γκρι. Κατόπιν, εκπαίδευσαν έναν υπολογιστή να ανιχνεύει αυτόματα τη θέση και το μέγεθος των φυσαλίδων αέρα με βάση την τιμή του γκρι (οι περιοχές χωρίς φυσαλίδες είναι σκούρο γκρι, ενώ οι φυσαλίδες είναι σχεδόν λευκές). Με βάση αυτές τις τιμές της κλίμακας του γκρι, ο υπολογιστής απέκρυψε το παγωμένο μήνυμα σε δυαδικό ή κώδικα Μορς και στη συνέχεια το μετέτρεψε σε αναγνώσιμη μορφή – σε αυτήν την περίπτωση, αγγλικά γράμματα και αραβικούς αριθμούς.
Σύγκριση δυαδικού και Μορς
Μετά τη σύγκριση των μεθόδων κωδικοποίησης Μορς και δυαδικού, οι ερευνητές κατέληξαν ότι ο δυαδικός κώδικας είναι η καλύτερη επιλογή, καθώς μπορεί να αποθηκεύσει μηνύματα περίπου δέκα φορές μεγαλύτερα.
Η δυνατότητα ελέγχου της θέσης και κατανομής των φυσαλίδων στον πάγο θα μπορούσε να έχει εφαρμογές πέρα από την κωδικοποίηση πληροφοριών. Για παράδειγμα, καθώς οι φυσαλίδες μειώνουν τη μηχανική αντοχή του πάγου, η τοποθέτησή τους σε ευθεία γραμμή θα μπορούσε να επιτρέψει στα φύλλα πάγου να σπάνε τακτοποιημένα, όπως η διάτρηση σε μπισκότο. Η μέθοδος θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν πώς σχηματίζονται φυσαλίδες και σε άλλα στερεά υλικά, όπως το αλουμίνιο, που δεν μπορούν να απεικονιστούν εσωτερικά.
«Τα ευρήματά μας μπορούν να εφαρμοστούν ευρέως σε πολλούς τομείς», λέει η Song. «Στην καθημερινή μας ζωή, μπορούμε να χειριζόμαστε τις φυσαλίδες για να παράγουμε αποδοτικά πάγο με διαφορετικά περιεχόμενα φυσαλίδων και να δημιουργούμε όμορνα γλυπτά από πάγο. Στη βιομηχανία, η έρευνά μας μπορεί να βοηθήσει στη μεταλλουργία και την κατασκευή, καθώς και στην αποπαγοποίηση αεροσκαφών και πλοίων».
Σχέδια για μελλοντική έρευνα
Στο μέλλον, η ομάδα σχεδιάζει να διερευνήσει την επίδραση του τύπου και της συγκέντρωσης του αερίου στα χαρακτηριστικά του πάγου με φυσαλίδες, καθώς και να εξετάσει περαιτέρω τον σχηματισμό φυσαλίδων σε τρισδιάστατα περιβάλλοντα.
