Вчені навчилися зберігати інформацію в льоді за допомогою бульбашок

Китайські вчені з Пекінського технологічного інституту під керівництвом Менцзе Сонг розробили революційний метод зберігання інформації у льоді. Дослідження, опубліковане в журналі Cell Reports Physical Science, демонструє можливість кодування повідомлень шляхом контролю форми та розташування повітряних бульбашок, що утворюються під час замерзання води.

Ідея використання льоду як носія інформації виникла з вивчення природних льодовиків, які вже тисячоліттями зберігають дані про минуле. Льодовикові керни містять інформацію про температуру, хімічний склад атмосфери та навіть вулканічні виверження. Дослідники задалися питанням, чи можна використати цей природний механізм для створення штучних повідомлень.

Традиційні методи зберігання інформації, такі як папір, магнітні стрічки або цифрові носії, виявляються ненадійними в екстремальних умовах. В Антарктиді або на Місяці чорнило вицвітає, електроніка виходить з ладу, а екстремальні температури швидко розряджають батареї. Лід же, навпаки, процвітає в холодних умовах і може зберігатися тисячоліттями.

Принцип роботи нового методу базується на контролі процесу замерзання води. Коли вода перетворюється на лід, вона витискає та стискає гази, створюючи повітряні кишені — бульбашки. Форма цих бульбашок залежить від швидкості замерзання: при швидкому замерзанні утворюються яйцеподібні бульбашки, при повільному — голкоподібні.

Дослідники зрозуміли, що змінюючи швидкість замерзання, можна створювати бінарний тип повідомлення. Вони розглядали різні підходи, але бінарне кодування виявилося найефективнішим, оскільки може зберігати понад десять разів більше інформації порівняно з азбукою Морзе.

Менцзе Сонг пояснює: «Оскільки положення та форма бульбашок визначаються швидкістю замерзання, можна вручну контролювати швидкість замерзання для маніпулювання формою та розподілом бульбашок у льоді».

Для перевірки своєї теорії науковці створили тонкі шари води між прозорими листами та заморожували їх за допомогою ретельно контрольованої холодної плити. Регулюючи швидкість утворення льоду, вони могли маніпулювати розміром, формою та розташуванням повітряних бульбашок.

Команда також виявила, що раптове збільшення швидкості замерзання шляхом зниження температури холодної плити призводить до утворення одного шару бульбашок. Це дозволяє створювати багатошарову структуру інформації, де кожен «шар бульбашок» представляє окреме повідомлення.

Для декодування повідомлень дослідники розробили спеціальну систему. Камера робить знімок льодяного зрізу в градаціях сірого, а програмне забезпечення зчитує положення та яскравість бульбашок. На основі цих даних програма відновлює закодоване повідомлення.

Поки що ємність системи залишається скромною — лише кілька речень на один льодяний кубик. Однак команда стверджує, що систему можна зробити більш ефективною та масштабувати. Вони вважають, що зрештою зберігання інформації у льоді може стати життєздатним методом у холодних середовищах.

Звичайно, система залежить від збереження льоду. Але в середовищах зі стабільними температурами нижче нуля — таких як Антарктида, глибокі печери або кріогенні лабораторії — метод може забезпечити низькоенергетичну, стійку та візуальну форму зберігання інформації.

«У природно холодних регіонах використання захоплених повітряних бульбашок як засобу доставки та зберігання повідомлень споживає менше енергії, ніж телекомунікації, і є більш прихованим, ніж паперові документи», — каже інженер-механік та автор дослідження Менцзе Сонг.

Зараз команда досліджує, як типи газів, тиск та тривимірна геометрія впливають на утворення бульбашок. Вони хочуть вивчити можливості включення більш складних типів інформації. Дослідники також сподіваються пов'язати свої відкриття з динамікою льодовиків та матеріалознавством у більш широкому контексті.

«Наші відкриття можуть бути широко застосовані в багатьох галузях», — каже Сонг. «У повсякденному житті ми можемо маніпулювати бульбашками для ефективного виробництва льоду з різним вмістом бульбашок та створення красивих льодяних скульптур. У промисловості наше дослідження може допомогти з плавленням металів та виробництвом, а також з видаленням льоду з літаків та кораблів».

Поки що це все ще рудиментарний засіб комунікації. Навряд чи він найближчим часом замінить жорсткі диски або супутники. Але в екстремальних умовах він може знайти своє місце як унікальний спосіб довготривалого зберігання інформації.