وتشكل الكابلات تحت الماء العمود الفقري للاتصالات العالمية، التي تحمل أكثر من 95 في المائة من حركة البيانات الدولية عبر المحيطات، وتمتد شبكات الغواصات هذه إلى أكثر من 1.2 مليون كيلومتر في جميع أنحاء العالم، وتربط القارات والخدمات التمكينية تتراوح بين التجارة المالية في الوقت الحقيقي وتدفقات الفيديو، وتعتمد موثوقيتها كليا تقريبا على المواد المستخدمة في تشييدها، وتستلزم اختيار المواد المناسبة لكابلات المياه الجوفية فحصاً متوازناً للقدرة على الميكانيكية، ومقاومة.

التحديات البيئية الحرجة بالنسبة للمحاصيل تحت الماء

وقبل تقييم مواد محددة، من الضروري فهم الضغوط البيئية التي يجب أن تصمدها الكابلات المغمورة، حيث أن قاع المحيط يتكون من مزيج من التهديدات المادية والكيميائية والبيولوجية التي تختلف بعمقها وجغرافيتها وتيارها المحيط.

الضغط الهيدروستاتي

وتزداد الضغط بحوالي الغلاف الجوي الواحد (14.7 متراً مربعاً) كل 10 أمتار من العمق، وتواجه المواد التي تبلغ عمقها 000 8 متر أكثر من 800 جو من الضغط، ويجب أن تقاوم المواد الضغط وتمنع حدوث أي جرعات مائية عن طريق أي غبارات صغيرة، بل إن الفراغات الصغيرة في العزل يمكن أن تنهار أو تسمح بالماء بالسفر على طول المفاصل مما يؤدي إلى الفشل الكهربائي.

ممر من مياه البحر

إن مياه البحر هي كهروليت شديد السلوك يحتوي على الكلوريدات والكبريتات والأكسجين المذوب، وهي تهاجم بشدة المعادن، خاصة إذا كانت الخلايا المجرية مكوّنة بين أنواع مختلفة من السواحل، ولا يؤدي التآكل إلى تدهور عناصر الدروع والعناصر الهيكلية فحسب، بل يلوث أيضا مسارات العزل، فالتغطية الوقائية، والثبطات التآكلية، ونظم حماية الكاسيد هي كلها حلول تعتمد على المواد.

الإجهاد الميكانيكي أثناء التركيب والعملية

وأثناء عملية السطو، تتعرض الكابلات للتوتر من سفينة الكابلات، وتنحني فوق الثقوب، والأثر المحتمل في قاع البحار الصخرية، ويمكن أن تتضرر من جرعات الصيد ومراسي السفن والنشاط السيزمي، وقد يكون قاع البحار نفسه غير متكافئ، مع الصخور الحادة أو الرواسب اللينة التي تسبب الإغراق أو الإرهاق.

Biofouling

فالحيوانات البحرية مثل الشواذ، ودود الأنابيب، والطحالب تلحق بسطح الكابلات، وتزيد من الوزن والسحب، وفي حين أن التطهير الأحيائي عادة ما يكون غير مؤذي على سترات PE، يمكن أن يعجل التآكل إذا تم خرق المعاطف، وتصاغ بعض المواد بمضافات مضادة للحلف، وإن كانت الأنظمة البيئية تحد من استخدام الإيدي الأحيائي.

الميول القصوى والسير الحراري

وتتراوح درجات حرارة قاع البحار بين التفكيك القريب في أعماق المحيط إلى أكثر من 30 درجة مئوية في المياه المدارية الضحلة، كما أن أسلاك الطاقة التي تحمل تيارات كهربائية تولد التسخين الذاتي، ويجب أن تحافظ مواد العزل والستر على خصائصها التغذوية واستقرارها البعدي عبر نطاق حراري واسع، ويمكن أن تؤدي إلى إزالة الرطوبة أو التشقق بمرور الوقت.

مجموعات المواد الأساسية ودورها

إن كابل غواصة حديث ليس مادة واحدة بل تركيبة مصممة بعناية، فكل طبقة تخدم وظيفة محددة، ويجب أن تعمل المواد التي تختار لكل طبقة معا دون تفاعلات كيميائية أو ميكانيكية سلبية.

الجهات التي تصرف

وجوهر أي كابل هو الموصل الكهربائي، أما بالنسبة لكابلات الاتصالات، فإن الموصل يحمل القدرة على توجيه أجهزة إعادة الإرسال؛ وبالنسبة لكابلات الكهرباء، فإنه ينقل كميات كبيرة من الفولط، والخيارين الرئيسيين هما النحاس والألومنيوم.

Copper] offers excellent conductivity (about 58 MS/m) and high strength in small diameters. It resistrosion reasonably when isolated from seawater but is heavy, which increases cost and laying tension. In deep-water power cables, copper is favored for its low resistivity, reducing ohmic losses.

-ألمنيوم (ألومنيوم) لديه حوالي 61% من سلوكية النحاس لكل قسم، ولكنه أخف بنسبة 30%، عندما يكون الوزن معوقاً، مثل في منشآت المياه العميقة أو في قاع البحر الضعيف، يصبح الألمنيوم جذاباً، لكن الألومنيوم يشكل في كثير من الأحيان طبقة أوكسيدية صعبة تعقّد الإنهاء وتُضْر السلك الحديدية للوزن.

Some cables use copper-clad aluminum] to combine the weight savings with the corrosion resistance of copper at the surface.

Insulation

يجب أن يعزل العزل الكهربائي الموصل بينما يرتفع حجمه (لكابلات الكهرباء) أو يحافظ على تصعيد منخفض للإشارة (لكابلات الاتصالات)

(أ) إنَّ العزل الأكثر استخداماً في كابلات الاتصالات الغواصة، والثبات المنخفض للديكل (2.26) وعامل التحلل المنخفض جداً يقلل إلى أدنى حد من فقدان الإشارات، كما أنَّ ارتفاع كثافة الهواء والكهرباء (HDPE) وتراكم الطاقة (XLPE) يتيحان أفضل استقراراً حرارياً وقنوات ميكانيكية عالية الخطورة.

(ب) تستخدم أحياناً في طبقات العزل بسبب ارتفاع درجة حرارتها من درجة الحرارة (بنسبة 105 درجات مئوية) والاستيعاب الأدنى للرطوبة، كما أن التراكم الأحيائي أشد وأكثر مقاومة للضغط، غير أن خصائصه الديكلية أقل قليلاً من كونه كابلاً في السلك.

Fluorinated polymers] such as PTFE and FEP are used in specialized cables where extreme temperature resistance or extremely low signal loss, but their cost and handling difficulty limit them to short sections or critical repeaters.

التجميل والتذاكر الخارجية

السترة الخارجية هي خط الدفاع الأول ضد بيئة المحيط، ولا بد أن تكون غير قابلة للشرب، ومقاومة الأشعة فوق البنفسجية (التركيب) وقسوة بما يكفي للبقاء على قيد الحياة.

Polyethylene (PE)] dominates coat applications, especially medium and high-density grades. HDPE coats provide excellent moisture barrier properties, high impact strength, and good resistance to environmental stressing. The coat is typically extrud in a fish layer (3-6 mm) over the armoring. Some cables use [Far

(ه) تستخدم البوليويريتان (PU) في أقسام الكابلات التي تتطلب قدراً أكبر من المرونة، مثل تلك التي تقارب محطات الهبوط التي يجب أن ينحني فيها السلك حول الشواطئ الصخرية أو أن يُوجه عبر القنوات، كما أنها توفر مقاومة للغطاء العالي مقارنة بالبي.

In environmentally sensitive areas, low-smoke zero-halogen (LSZH)] coats are used to reduce toxic fumes in the event of fire, but this is more relevant for terrestrial sections near populated areas than for deep-sea sections.

التسلح

والحماية الميكانيكية تأتي من طبقة مدرعة ملفوفة حول الجوهر المكفول، ويعتمد اختيار مواد الدروع أساسا على التهديدات المتوقعة: معدات الصيد، أو المرساة، أو الاتصال بالصخور.

() الأسلاك الصلبة ذات الصلصة ] هي الدروع التقليدية والأكثر شيوعاً، فالفولاذ يقدم قوة عالية التوتر (500-700 إم بي) ويمكن تشكيله في غلاف دائري، وتُجمع الأسلاك بطبقة زنكية إلى بطء التآكل، وبالنسبة للكابلات التي تُعد فيها التهديدات الميكانيكية ضئيلة، وهي طبقة واحدة من الأسلاك الصلبة (الأضوء).

Stainless steel] wires (e.g., 316L) are used in areas where corrosion resistance is paramount, even though they are more expensive. Stainless steel is non-magnetic, which reduces electrical losses in power cables.

أما بالنسبة للماء الفوق الحاد أو التطبيقات التي يكون فيها الوزن بالغ الأهمية، فإن هذه المواد تستخدم أيضاً في التسليح غير المعدني باستخدام الألياف الاصطناعية العالية القوة مثل البولي فلور (باراميد) أو الدنيما (UHMWPE) وهي أقل من الصلب وغير المرن، و 3 من مصفوفات النسيج المقاوم للصدمات العالية ().

عناصر سد المياه

إن دخول المياه على طول الكابل هو طريقة الفشل الأولي، بل إن الثقب الصغير في السترة يمكن أن يسمح لمياه البحر بالسفر لفترة طويلة بين الوصل والعزل، مما يتسبب في حدوث دائرة قصيرة أو تدهور في الإشارات، كما أن المواد المسببة لغلق الماء مدرجة في صلب الكابلات ومتشابكاتها.

Swelling powders and tapes] contain sodium polyacrylate or similar superabsorbent polymers that swell on contact with water, plugging the cavity. These are placed under the coat and between armor wires.

Filled core designs] use continuous extrusions of water-swellable compounds or viscous silicone gels. For deep-sea cables, a combination of swellable tapes and a high-viscosity filling compound is standard.

Longitudinal water-blocking barriers] can also include metal foil laminates (e.g., copper tape bonded to PE) that prevent water migration, though these add complexity and cost.

اختيار المواد للمناطق البيئية المحددة

ولا توجد مجموعة مواد واحدة تعمل في جميع طرق الكابلات، ويقطع المهندسون سلكاً إلى الأرض، والمياه الضحلة، والمناطق العميقة المياه، ويختارون المواد بناء على ذلك.

المياه العميقة (حوالي 000 1 متر)

فالتهديدات الميكانيكية منخفضة، ويمكن أن يكون السلك مسلّحاً خفيفة (طبقة من الصلب) أو حتى غير مسلّح في بعض الكابلات الحديثة التي تعمل بالألياف الضوئية، والسترة هي HDPE لحجب انتشار المياه، وكثيراً ما يكون السائل ملوثاً بالنحاس للحد من الوزن، والعزل هو XLPE لكابلات الكهرباء أو PE الصلبة التي تستخدم في الاتصالات السلكية.

المياه السطحية (منطقة الهبوط إلى 200 متر)

وتعاني هذه المنطقة من صيد ثقيل، ومن قطرات مرساة، ومن حركة المرور على متن السفن، ومن الشائع أن تستخدم سترة فولاذية متعددة اليوريتان على الدروع لإضافة مقاومة للدماغ حيث يعبر السلك قاعات بحرية صخرية، كما أن حماية الكوروزون مع تستر شديد على الفولاذ، كما أن بعض الكابلات تتضمن أيضا شظية نحاسية منفصلة أو شريطافر لحماية البرق إذا كان الكابل قريب من الفولاذ.

بيئة القطب الشمالي

وتحتاج محرقة الجليد والبرد الشديد إلى مواد تظل مرنة عند درجات حرارة تحت الصفر، وتصبح العينة الموحدة رشوة تحت - 30 درجة مئوية. وتستخدم درجات متخصصة من البوليثيلين أو البوليوريثان، ويجب معالجة دروع الصلب لمقاومة التأثير المتدنية الحرارة، وقد تتطلب العناصر الفيبرقراطية ملء مع العشب غير المرفأ.

المناطق المدارية والعالية الإنشاء

وفي حين أن سترات PE بوجه عام تُعاني من انخفاض في مستوى الكائنات الحية، فإن بعض موردي الكابلات يقدمون سترات مع أكاسيد الكبروس أو عوامل أخرى مضادة للحفرة، فاللوائح البيئية في مناطق كثيرة تقيّد استخدام المعادن الثقيلة، ولذلك يجري دراسة الحلول غير البيولوجية مثل التنسيج السطحي.

السلف في مجال تكنولوجيا المواد

وتهدف البحوث الجارية إلى توسيع نطاق الحياة الكابلية إلى ما بعد فترة تصميم 25 عاماً الحالية والحد من الأثر البيئي، وتظهر عدة مواد ناشئة وعداً.

بوليمرات الصحة الذاتية

ويدخل البوليمرات التي تضم ميكروبات من عامل شفاء يفرج عنها عندما يتم تطوير الشقوق المادية لغسل الكابلات، وإذا حدث كسر صغير، يتدفق عامل الشفاء إلى الفجوة والبوليميرات، ويعيدون حاجز المياه، ويمكن لمواد التعافي الذاتي أن تقلل بشكل كبير من معدل الفشل الناجم عن تلف طفيف أو بطء النمو في الشقوق.

التكتلات المحسنة

عدم قدرة غرافين على الغازات والأيون يجعلها إضافة جذابة لسترات الكابلات حتى التركيزات المنخفضة جداً من الفطائر الغرافينية في مصفوفة البوليمر يمكنها أن تقلل من قدرة كربون الماء على الاختراق بنسبة 90 في المائة مقارنة بـ "هوب" النقية (غرافين) تحسن أيضاً القوة الميكانيكية وتوفر خصائص مضادة للدستور

التحلل البيولوجي وقابلية الارتقاء الإيكولوجي

ومع زيادة التدقيق في بلاستيك المحيطات، يقوم الباحثون باستكشاف البوليمرات القائمة على أساس بيولوجي مثل حمض البوليتكي أو البوليهيدروكياكلات لغسل الكابلات، وقد تتدهور هذه المواد في مياه البحر على مدى عقود، مما قد يقلل من النفايات الطويلة الأجل، وتفتقر التركيبات الحالية إلى قابلية التحمل في التستر الأولي، ولكن يمكن استخدامها في طبقات غير هيكلية أو في المعونات المؤقتة للتركيب.

مركب من طراز عالي الغضب من أجل التسليح

فالبوليمرات المجهزة بالكربون المتصدع توفر قوة متشابكة مماثلة للفولاذ عند خُمس الوزن، وفي الكابلات المغمورة يمكن أن تقلل الدروع المركبة من متطلبات التوترات الثابتة وتتيح إطالة أطول على سفن الكابلات، ويجري اختبار التصميمات الهجينية باستخدام الألياف الكربونية ذات الصبغة الحرارية في كل من الاتصالات السلكية وكابلات الكهرباء.

الاختبار وضمان الجودة

ويجب أن تجتاز المواد مؤهلات صارمة قبل نشرها، وتشمل الاختبارات ما يلي:

  • Aging tests] under combined thermal, pressure, and seawater exposure in pressure vessels that simulate 25 years of service.
  • Tensile and bending tests] to verify that the cable can withstand the dynamic loads of laying and retrieval. Cyclic bending tests (thousands of cycles) check for fatigue cracking.
  • فحوصات الجرس المائي حيث تخضع عينة من السترة المتضررة لمياه بحرية عالية الضغط، وتقاس المياه المسافات على طول النواة، وتحتاج المعايير إلى أقل من بضعة أمتار بعد 30 يوما.
  • ] voltage withstand tests] for power cables: applying high AC and impulse voltages to ensure insulation quality. Partial discharge measurements detect micro-voids.
  • Corrosion tests in salt spray chambers and under cathodic protection conditions to validate coating performance.

وتتبع جميع الاختبارات المعايير الدولية مثل المعيار IEC 60794 للكابلات البصرية الألياف والرقم IEC 60840 لكابلات الكهرباء، ويجب أن يوفر موردو المواد إمكانية التعقب من دفعة إلى قسم الكابلات.

التوقعات المستقبلية

وسيكون الابتكار المادي حاسما لتلبية الطلبات في المستقبل، ويجري الآن تصميم الكابلات المغمورة بحيث تحمل معدلات بيانات من النوع الثاني، مما يتطلب خسائر أقل في الديكليات، وتتطلب أسلاك الطاقة في مزارع الرياح البحرية تقديرا أعلى في حجم الفولطية (حتى 525 كيلو فولت في HVDC) مع عزل أرق، ويستحدث تغير المناخ مخاطر: قد يؤدي ارتفاع درجات حرارة البحر إلى تعجيل التآكل، وقد يؤدي ارتفاع وتيرة العواصف إلى حركة قاع البحار.

وينظر الباحثون أيضاً إلى مقاييس الديليكوت النانوية ] التي تجمع بين الجسيمات النانوية (مثل السيليكا أو الطين) ومقاييس البوليمر لقمع شجر المياه وزيادة قوة الانهيار، وفي مجال الاستشعار، تتطلب الكابلات ذات الألياف المتكاملة التي ترصد السلالة ودرج الحرارة على طول الطريق مواد لا تعوق الإشارة الخفيفة.

ومع تزايد اكتظاظ قاع المحيط بالكابلات، وخطوط الأنابيب، ومعدات التعدين، ستصبح المواد التي تُجفَّف بعد ويمكن إصلاحها، والتي تكون حميدة بيئيا، خط الأساس الجديد.

خاتمة

إن اختيار المواد اللازمة لكابلات المياه الجوفية هو تحد متعدد التخصصات يخلط بين الهندسة الكهربائية، وعلم البلمر، وعلم الميتالور، والبيولوجيا البحرية، ويكفل الاختيارات الصحيحة إمكانية الاتصال الموثوق بها لعقود من الضغوط الهائلة، والمياه البحرية التآكلية، والإساءة الميكانيكية، ولا تزال المواد الحالية من النخيل - البوليفي، والفولاذ، والنحاس - المعاطف فعالة، ولكن تطورية في البوليمرات المرنة.

For further reading, consult the ITU-T recommendations for submarine cable systems] or the ]IEE’s subsea cable standards. Detailed material performance data can be found in publications from Marine Structures