150 jaar geleden, op 16 augustus 1858, ontving de president van de Verenigde Staten James Buchanan een felicitatietelegram van koningin Victoria en stuurde haar een bericht terug. De eerste officiële uitwisseling van berichten over de nieuw aangelegde trans-Atlantische telegraafkabel werd gekenmerkt door een parade en vuurwerk boven het stadhuis van New York. De festiviteiten werden overschaduwd door een brand die om deze reden plaatsvond, en na 6 weken viel de kabel uit. Toegegeven, zelfs daarvoor werkte hij niet erg goed - de boodschap van de koningin werd binnen 16,5 uur verzonden.
Van idee tot project
Het eerste voorstel voor telegrafie en de Atlantische Oceaan was een relaisschema waarin berichten die door schepen werden afgeleverd, vanuit Newfoundland naar de rest van Noord-Amerika zouden worden getelegrafeerd. Het probleem was de aanleg van een telegraaflijn langs het moeilijke terrein van het eiland.
Het verzoek om hulp van de ingenieur die verantwoordelijk was voor het project trok de Amerikaan aanzakenman en financier Cyrus Field. Tijdens zijn werk stak hij meer dan 30 keer de oceaan over. Ondanks de tegenslagen waarmee Field te maken kreeg, leidde zijn enthousiasme tot succes.
De zakenman sprong meteen op het idee van een trans-Atlantische overboeking. In tegenstelling tot terrestrische systemen, waarbij de pulsen werden geregenereerd door relais, moest de transoceanische lijn zich redden met een enkele kabel. Field kreeg de verzekering van Samuel Morse en Michael Faraday dat het signaal over lange afstanden kon worden verzonden.
William Thompson leverde de theoretische basis hiervoor door de inverse kwadratenwet in 1855 te publiceren. De stijgtijd van een puls die door een kabel gaat zonder inductieve belasting wordt bepaald door de tijdconstante RC van een geleider met lengte L, gelijk aan rcL2, waarbij r en c de weerstand zijn en capaciteit per lengte-eenheid, respectievelijk. Thomson heeft ook bijgedragen aan onderzeese kabeltechnologie. Hij verbeterde de spiegelgalvanometer, waarbij de kleinste afwijkingen van de spiegel veroorzaakt door de stroom werden versterkt door projectie op een scherm. Later vond hij een apparaat uit dat signalen registreert met inkt op papier.
Onderzeese kabeltechnologie werd verbeterd nadat guttapercha in 1843 in Engeland verscheen. Deze hars van een boom afkomstig uit het Maleisische schiereiland was een ideale isolator omdat het thermoplastisch was, zacht werd bij verhitting en terugkeerde naar een vaste vorm bij afkoeling, waardoor het gemakkelijker werd om de geleiders te isoleren. Onder de omstandigheden van druk en temperatuur op de bodem van de oceaan, zijn isolerende eigenschappen:verbeterd. Guttapercha bleef het belangrijkste isolatiemateriaal voor onderzeese kabels tot de ontdekking van polyethyleen in 1933.
Veldprojecten
Cyrus Field leidde 2 projecten, waarvan de eerste mislukte en de tweede in succes eindigde. In beide gevallen bestonden de kabels uit een enkele 7-aderige draad omgeven door guttapercha en gepantserd met staaldraad. Geteerde hennep bood bescherming tegen corrosie. De zeemijl van de kabel uit 1858 woog 907 kg. De trans-Atlantische kabel uit 1866 was zwaarder, met 1.622 kg/mijl, maar omdat hij meer volume had, woog hij minder in het water. De treksterkte was respectievelijk 3t en 7,5t.
Alle kabels hadden één waterretourgeleider. Hoewel zeewater minder weerstand heeft, is het onderhevig aan zwerfstromingen. Stroom werd geleverd door chemische stroombronnen. Het project uit 1858 had bijvoorbeeld 70 elementen van elk 1,1 V. Deze spanningsniveaus, gecombineerd met onjuiste en onzorgvuldige opslag, zorgden ervoor dat de transatlantische diepzeekabel faalde. Het gebruik van een spiegelgalvanometer maakte het mogelijk om in volgende lijnen lagere spanningen te gebruiken. Aangezien de weerstand ongeveer 3 ohm per zeemijl was, konden op een afstand van 2000 mijl stromen in de orde van een milliampère, voldoende voor een spiegelgalvanometer, worden gedragen. In de jaren 1860 werd een bipolaire telegraafcode geïntroduceerd. De punten en lijnen van de morsecode zijn vervangen door pulsen van tegengestelde polariteit. In de loop van de tijd ontwikkeldcomplexere schema's.
Expedities 1857-58 en 65-66
£ 350.000 werd opgehaald door de uitgifte van aandelen om de eerste trans-Atlantische kabel te leggen. De Amerikaanse en Britse regeringen garandeerden een return on investment. De eerste poging werd gedaan in 1857. Er waren 2 stoomschepen, Agamemnon en Niagara, nodig om de kabel te vervoeren. De elektriciens keurden een methode goed waarbij het ene schip de lijn vanaf een walstation legde en vervolgens het andere uiteinde verbond met een kabel op een ander schip. Het voordeel was dat het een continue elektrische verbinding met de wal onderhield. De eerste poging eindigde in een mislukking toen de uitrusting voor het leggen van kabels 200 mijl uit de kust faalde. Het ging verloren op een diepte van 3,7 km.
In 1857 ontwikkelde de hoofdingenieur van Niagara, William Everett, nieuwe kabellegapparatuur. Een opmerkelijke verbetering was een automatische rem die in werking trad wanneer de spanning een bepaalde drempel bereikte.
Na een hevige storm die de Agamemnon bijna tot zinken bracht, ontmoetten de schepen elkaar in het midden van de oceaan en op 25 juni 1858 begonnen ze opnieuw met het leggen van de trans-Atlantische kabel. De Niagara trok naar het westen en de Agamemnon naar het oosten. Er werden 2 pogingen ondernomen, onderbroken door beschadiging van de kabel. De schepen keerden terug naar Ierland om hem te vervangen.
17 juli, de vloot vertrok opnieuw om elkaar te ontmoeten. Na een kleine hapering was de operatie een succes. Lopend met een constante snelheid van 5-6 knopen, op 4 augustus, kwam de Niagara binnenin Trinity Bay Newfoundland. Op dezelfde dag arriveerde de Agamemnon in Valentia Bay in Ierland. Koningin Victoria stuurde het eerste begroetingsbericht zoals hierboven beschreven.
De expeditie van 1865 mislukte 600 mijl van Newfoundland, en alleen de poging van 1866 was succesvol. Het eerste bericht over de nieuwe lijn werd op 31 juli 1866 van Vancouver naar Londen gestuurd. Bovendien werd het einde van een in 1865 verloren kabel gevonden en werd de lijn ook met succes voltooid. De overdrachtssnelheid was 6-8 woorden per minuut tegen een kostprijs van $10/woord.
Telefooncommunicatie
In 1919 startte het Amerikaanse bedrijf AT&T een onderzoek naar de mogelijkheid om een trans-Atlantische telefoonkabel aan te leggen. In 1921 werd een diepwater telefoonlijn aangelegd tussen Key West en Havana.
In 1928 werd voorgesteld om een kabel zonder repeaters aan te leggen met één spraakkanaal over de Atlantische Oceaan. De hoge kosten van het project ($15 miljoen) op het hoogtepunt van de Grote Depressie, evenals verbeteringen in radiotechnologie, onderbraken het project.
In het begin van de jaren dertig maakten ontwikkelingen in de elektronica het mogelijk om een onderzees kabelsysteem met repeaters te creëren. De vereisten voor het ontwerp van tussenschakelversterkers waren ongekend, aangezien de apparaten 20 jaar ononderbroken op de oceaanbodem moesten werken. Er werden hoge eisen gesteld aan de betrouwbaarheid van componenten, met name vacuümbuizen. In 1932 waren er al elektrische lampen die met succes werden getest invoor 18 jaar. De gebruikte radio-elementen waren aanzienlijk inferieur aan de beste monsters, maar ze waren zeer betrouwbaar. Het resultaat was dat TAT-1 22 jaar werkte en geen enkele lamp faalde.
Een ander probleem was het leggen van versterkers in open zee op een diepte tot 4 km. Wanneer het schip wordt gestopt om de repeater te resetten, kunnen er knikken in de kabel met spiraalvormige bepantsering verschijnen. Als gevolg hiervan werd een flexibele versterker gebruikt, die geschikt was voor apparatuur die was ontworpen voor telegraafkabels. De fysieke beperkingen van de flexibele repeater beperkten de capaciteit echter tot een 4-draads systeem.
UK Post heeft een alternatieve aanpak ontwikkeld met harde repeaters met een veel grotere diameter en capaciteit.
Implementatie van TAT-1
Het project werd na de Tweede Wereldoorlog opnieuw opgestart. In 1950 werd flexibele versterkertechnologie getest door een systeem dat Key West en Havana met elkaar verbond. In de zomer van 1955 en 1956 werd de eerste trans-Atlantische telefoonkabel gelegd tussen Oban in Schotland en Clarenville op het eiland. Newfoundland, ruim ten noorden van bestaande telegraaflijnen. Elke kabel was ongeveer 1950 zeemijl lang en had 51 repeaters. Hun aantal werd bepaald door de maximale spanning op de klemmen die voor stroom kon worden gebruikt zonder de betrouwbaarheid van hoogspanningscomponenten aan te tasten. De spanning was +2000 V aan het ene uiteinde en -2000 V aan het andere. De bandbreedte van het systeem, in zijnwachtrij werd bepaald door het aantal repeaters.
Naast de repeaters werden 8 onderzeese equalizers geïnstalleerd op de oost-westlijn en 6 op de west-oostlijn. Ze corrigeerden de geaccumuleerde verschuivingen in de frequentieband. Hoewel het totale verlies in de 144 kHz-bandbreedte 2100 dB was, verminderde het gebruik van equalizers en repeaters dit tot minder dan 1 dB.
Aan de slag TAT-1
In de eerste 24 uur na de lancering op 25 september 1956 werden 588 telefoontjes gepleegd vanuit Londen en de VS en 119 vanuit Londen naar Canada. TAT-1 verdrievoudigde onmiddellijk de capaciteit van het transatlantische netwerk. De kabelbandbreedte was 20-164 kHz, wat ruimte bood voor 36 spraakkanalen (elk 4 kHz), waarvan 6 verdeeld over Londen en Montreal en 29 tussen Londen en New York. Eén kanaal was bedoeld voor de telegraaf en de dienst.
Het systeem omvatte ook een landverbinding via Newfoundland en een onderzeese verbinding naar Nova Scotia. De twee lijnen bestonden uit een enkele kabel van 271 zeemijl met 14 door UK Post ontworpen starre repeaters. De totale capaciteit was 60 spraakkanalen, waarvan 24 Newfoundland en Nova Scotia met elkaar verbonden.
Verdere verbeteringen aan TAT-1
De TAT-1-lijn kostte $ 42 miljoen. De prijs van $ 1 miljoen per kanaal stimuleerde de ontwikkeling van eindapparatuur die bandbreedte efficiënter zou gebruiken. Het aantal spraakkanalen in het standaard 48 kHz-frequentiebereik is verhoogd van 12 naar 16 door vermindering vanhun breedte van 4 tot 3 kHz. Een andere innovatie was temporele spraakinterpolatie (TASI), ontwikkeld door Bell Labs. TASI verdubbelde het aantal spraakcircuits dankzij spraakpauzes.
Optische systemen
De eerste transoceanische optische kabel TAT-8 werd in 1988 in gebruik genomen. Repeaters regenereerden pulsen door optische signalen om te zetten in elektrische signalen en vice versa. Twee werkende vezelsparen werkten met een snelheid van 280 Mbps. In 1989 stemde IBM er dankzij deze trans-Atlantische internetkabel mee in om een T1-verbinding tussen Cornwall University en CERN te financieren, waardoor de verbinding tussen het Amerikaanse en Europese deel van het vroege internet aanzienlijk werd verbeterd.
In 1993 was er wereldwijd meer dan 125.000 km aan TAT-8's in gebruik. Dit cijfer kwam bijna overeen met de totale lengte van analoge onderzeese kabels. In 1992 kwam de TAT-9 in dienst. De snelheid per vezel is verhoogd naar 580 Mbps.
Technologische doorbraak
Aan het eind van de jaren negentig leidde de ontwikkeling van met erbium gedoteerde optische versterkers tot een enorme sprong voorwaarts in de kwaliteit van onderzeese kabelsystemen. Lichtsignalen met een golflengte van ongeveer 1,55 micron kunnen direct worden versterkt en de doorvoer wordt niet langer beperkt door de snelheid van de elektronica. Het eerste optisch verbeterde systeem dat over de Atlantische Oceaan vloog, was TAT 12/13 in 1996. De transmissiesnelheid op elk van de twee paar vezels was 5 Gbps.
Moderne optische systemen maken de overdracht van zulke grote volumes mogelijkgegevens dat redundantie van cruciaal belang is. Moderne glasvezelkabels zoals TAT-14 bestaan doorgaans uit 2 afzonderlijke transatlantische kabels die deel uitmaken van een ringtopologie. De andere twee lijnen verbinden kuststations aan weerszijden van de Atlantische Oceaan. Gegevens worden in beide richtingen door de ring gestuurd. In het geval van een breuk, zal de ring zichzelf repareren. Verkeer wordt omgeleid naar reservevezelparen in servicekabels.
