Uno spunto paradossale per capire perché l’acqua è il peggior nemico delle frequenze che usiamo ogni giorno

Immaginate per un momento uno scenario assolutamente impossibile nella pratica: prendete la vostra radio POC, la stessa con cui ogni mattina coordinate il personale o parlate con gli amici radioamatori su un gruppo di PoC Radio Italia, e immergetevi in mare. Premete il PTT e… niente. La fisica ha già deciso tutto prima che voi abbiate premuto quel tasto.

Questo articolo nasce esattamente da quella scena impossibile. Serve a capire perché l’acqua è uno degli ambienti più ostili che esistano per le telecomunicazioni radio.

Che cosa trasmette una POC

Prima di immergerci, vale la pena ricordare su cosa viaggia il segnale di una radio POC. A differenza di un walkie-talkie analogico che trasmette direttamente in VHF o UHF, una POC, Push-to-Talk over Cellular. sfrutta la rete cellulare LTE. Il pacchetto voce parte dalla radio, sale alla torre 4G più vicina, attraversa Internet e arriva al destinatario tramite server PTT. Le frequenze in gioco sono quelle delle reti mobili italiane: banda B20 a 800 MHz, banda B8 a 900 MHz, banda B3 a 1800 MHz, banda B1 a 2100 MHz e banda B7 a 2600 MHz. Stiamo dunque parlando di segnali che viaggiano tra gli 800 MHz e i 2,6 GHz, frequenze altissime rispetto a tutto quello che i sottomarini usano per comunicare.

L’acqua non è un vuoto

Quando un’onda elettromagnetica si propaga nel vuoto, si comporta come se il mondo non esistesse: nessun ostacolo, nessuna perdita. Appena incontra un mezzo fisico la situazione cambia radicalmente, e l’acqua è uno dei mezzi fisici più “aggressivi” in assoluto nei confronti delle onde radio. Il motivo sta nella sua conducibilità elettrica. L’acqua dolce è già un discreto conduttore, ma l’acqua di mare, con tutto il sale disciolto, ha una conducibilità di circa 4 S/m contro i 0.01 S/m dell’acqua dolce di lago. Quella conducibilità è il problema principale.

Quando un campo elettromagnetico penetra in un mezzo conduttore, le cariche libere al suo interno reagiscono al campo e si mettono in moto generando correnti indotte. Queste correnti dissipano energia per effetto Joule e tolgono energia all’onda che avanzava. Il risultato è che l’ampiezza del campo si riduce in modo esponenziale man mano che l’onda si addentra nel mezzo. Il parametro che misura quanto velocemente questo accade si chiama profondità di penetrazione o skin depth, indicato con la lettera greca δ (delta), e si calcola con la relazione:

$$\delta =\sqrt{\frac{2\rho }{\omega \mu }}$$δ=ωμ2ρ​​

dove ρ è la resistività del mezzo, ω è la pulsazione angolare del segnale (ω = 2πf) e μ è la permeabilità magnetica. La formula dice una cosa precisa: al crescere della frequenza f, la skin depth diminuisce. Più alta è la frequenza, meno il segnale riesce a penetrare nel mezzo conduttore. E l’acqua salata è un conduttore.

I numeri che chiudono il discorso

A questo punto i calcoli diventano brutali. Nella banda Wi-Fi a 2,4 GHz, frequenza non troppo lontana da quella delle bande LTE più alte — l’attenuazione in acqua limpida è già di circa 180 dB per metro. In acqua di mare sale a circa 1000 dB per metro. Per chi non mastica di decibel: 10 dB significano che il segnale si riduce a un decimo della sua potenza. 20 dB a un centesimo. 60 dB a un milionesimo. Con 180 dB/m in acqua dolce, il segnale della nostra POC virtuale sarebbe ridotto a un valore praticamente nullo dopo pochi centimetri, nell’ordine dei millimetri in acqua salata. Non c’è potenza di trasmissione che tenga: poteste mettere un trasmettitore da un megawatt, il risultato non cambierebbe in modo significativo perché il problema non è la potenza assoluta ma il tasso di attenuazione per unità di distanza.

Come fanno i sottomarini, allora

La domanda sorge naturale. I sottomarini comunicano, quindi qualcosa funziona sott’acqua. La risposta sta nella formula: abbassate la frequenza, la skin depth aumenta e il segnale penetra più in profondità. La marina militare usa le ELF — Extremely Low Frequency, tra 3 e 300 Hz, capaci di raggiungere sottomarini a grandi profondità. A profondità minori si usano le VLF — Very Low Frequency, tra 3 e 30 kHz, che permettono velocità di trasmissione leggermente maggiori ma richiedono che il sottomarino si avvicini alla superficie oppure dispieghi una boa d’antenna. Il prezzo da pagare per usare frequenze così basse è enorme: a 10 kHz la lunghezza d’onda è di circa 30 km, il che significa che le antenne trasmittenti a terra occupano decine di chilometri quadrati. Trasportare su una radio portatile un’antenna sintonizzata su 10 kHz è fisicamente impossibile — la lunghezza minima pratica sarebbe dell’ordine dei chilometri.

Salinità, temperatura e pressione: le altre variabili

Nell’analisi di un sistema di comunicazione subacqueo reale, la frecuencia non è l’unico parametro. La salinità dell’acqua modifica direttamente la conducibilità: un’acqua quasi distillata (come certi laghi alpini) è meno aggressiva dell’acqua oceanica tropicale, ricca di sali. La temperatura dell’acqua influenza la mobilità degli ioni e quindi la conducibilità: acqua calda è più conduttiva di acqua fredda. La pressione idrostatica non modifica direttamente la propagazione elettromagnetica, ma comprime i gas disciolti e altera la struttura molecolare in modo non trascurabile a grandi profondità. Tutti questi fattori si sommano e rendono la progettazione di sistemi di comunicazione subacquei una disciplina ingegneristica complessa a sé stante, ben lontana dalla semplice ricetrasmittente PTT.

Perché questo spunto è utile

L’esercizio mentale della POC sott’acqua non è una curiosità fine a sé stessa. Serve ad ancorare in modo concreto concetti che altrimenti resterebbero astratti: la propagazione elettromagnetica nei mezzi materiali, la relazione inversa tra frequenza e penetrazione, il concetto di skin depth, il motivo per cui i decibel si sommano e non si moltiplicano, e la differenza fondamentale tra trasmettere in aria e trasmettere in un mezzo conduttivo. Questi stessi principi ritornano ogni volta che si parla di penetrazione del segnale nelle strutture in cemento armato, di comunicazioni in galleria, di RFID passivi a contatto con liquidi biologici o di NFC che fatica a funzionare quando la mano è sudata. L’acqua è ovunque e la sua interazione con i campi elettromagnetici è un argomento che attraversa l’elettronica, le telecomunicazioni e persino la biofisica.

Un universo di frequenze da esplorare

Lo spettro radio è una risorsa enorme che va dagli 3 Hz delle ELF militari fino ai terahertz dei sistemi ottici wireless. Ogni banda ha le sue caratteristiche di propagazione, i suoi usi, i suoi limiti fisici invalicabili. Capire perché una POC muore in pochi millimetri sott’acqua mentre una ELF militare raggiunge un sottomarino a 200 metri di profondità non è nozionismo: è la chiave per progettare sistemi che funzionino dove devono funzionare, scegliere la frequenza giusta per ogni applicazione e non farsi sorprendere da fenomeni fisici che la matematica aveva già previsto. Chi lavora con le radio — radioamatori, tecnici, sistemisti di reti PMR o POC — ha tutto l’interesse a conoscere questi fondamentali, perché prima o poi si scontrerà con un ambiente che non si comporta come l’aria aperta.

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