Gutta-percha: vật liệu từ thân cây nối điện báo qua Đại Tây Dương

Mạng điện báo thế kỷ 19 không chỉ cần dây kim loại để dẫn điện. Nó cần một lớp vỏ đủ kín, bền và dẻo để dòng điện không bị nước biển phá hỏng. Gutta-percha, một loại nhựa tự nhiên lấy từ nhựa cây ở Đông Nam Á, đã giải quyết đúng nút thắt ấy, mở đường cho những tuyến cáp nối châu Âu với châu Mỹ dưới đáy Đại Tây Dương. [1]

Điều đáng chú ý là thành công này không bắt đầu từ một phòng thí nghiệm chuyên về đại dương. Nó hình thành từ một chuỗi thử nghiệm thất bại trên đất liền, một phương pháp phủ dây bằng áp lực, rồi những chuyến tàu phải thả hàng nghìn kilômét cáp xuống vùng biển chưa được hiểu rõ. [1]

Vì sao dây điện báo không thể tự mình vượt biển?

Điện báo truyền thông tin bằng cách đóng ngắt dòng điện trong dây dẫn. Trên đất liền, người ta sớm nhận ra tiềm năng của cách gửi tín hiệu này. Nhưng khi dây đi qua sông, eo biển hoặc dưới biển, nước trở thành mối đe dọa trực tiếp: nó có thể làm hỏng lớp bảo vệ, gây rò điện hoặc khiến dây dẫn đứt khi bị kéo và uốn. [1]

Những vật liệu thử nghiệm đầu tiên cho thấy bài toán không đơn giản. Sợi gai dầu phủ hắc ín và cao su Ấn Độ từng được dùng để chống nước, nhưng không chịu được môi trường dưới nước trong thời gian cần thiết. Vấn đề không chỉ là tìm một lớp phủ không thấm nước; lớp phủ còn phải bám chặt vào dây, chịu lực khi cáp bị kéo và giữ được khả năng cách điện trong suốt hành trình. [1]

Gutta-percha có đặc tính gì đặc biệt?

Gutta-percha là nhựa tự nhiên đông lại từ nhựa cây thuộc chi Palaquium, trong đó có Palaquium gutta ở khu vực Malaysia. Vật liệu này có quan hệ hóa học với cao su tự nhiên, nhưng cách nó phản ứng với nhiệt và lực lại phù hợp hơn cho việc bọc dây. Khi được làm nóng, gutta-percha đủ mềm để uốn quanh lõi kim loại; khi nguội, nó giữ hình dạng mới. [1]

Độ bền và khả năng hấp thụ ứng suất giúp lớp vỏ chịu được những thay đổi khi cáp nằm trên đất hoặc dưới đáy biển. Quan trọng hơn, gutta-percha là chất cách điện tốt. Nói đơn giản, nó vừa tạo hàng rào trước nước, vừa hạn chế dòng điện thoát khỏi dây dẫn. Chính sự kết hợp này khiến nó hữu ích hơn một vật liệu chỉ chống thấm hoặc chỉ mềm dẻo. [1]

Werner Siemens đã biến nhựa cây thành lớp vỏ kỹ thuật thế nào?

Mẫu gutta-percha được William Montgomerie, một bác sĩ người Anh làm việc tại châu Á, gửi về Anh vào năm 1843. William Siemens sau đó chuyển sự chú ý đến vật liệu này, còn Werner Siemens nhận ra tiềm năng điện của nó trong bối cảnh các kỹ sư đang tìm cách bảo vệ dây điện báo đặt dưới đất. [1]

Năm 1847, Werner Siemens cùng một cộng sự phát triển phương pháp phủ dây bằng áp lực. Gutta-percha được ép bao quanh dây dẫn thành một lớp cách điện liền mạch, thay vì chỉ quấn bên ngoài như một lớp vật liệu rời. Đây là thay đổi quan trọng: dây có lớp vỏ đồng đều hơn và có thể được đưa vào những môi trường ẩm ướt, nơi các cách bảo vệ trước đó nhanh chóng thất bại. [1]

Thử nghiệm dưới nước sớm cho thấy công nghệ này không chỉ dành cho điện báo dân sự. Tại cảng Kiel, các dây được bọc gutta-percha từng nối thủy lôi dưới nước với bộ phận kích hoạt. Dù thủy lôi không được dùng để đánh chìm tàu trong sự kiện đó, thử nghiệm chứng minh dây điện có thể hoạt động trong môi trường biển và gợi mở những ứng dụng quân sự sau này. [1]

Từ eo biển đến Đại Tây Dương: bước thử quan trọng là gì?

Năm 1850, một tuyến cáp ngầm đầu tiên nối Anh với Pháp được thả qua eo biển Manche. Cáp gồm dây đồng được bao quanh bằng gutta-percha, nhưng nhanh chóng hỏng sau khi một ngư dân vô tình kéo dây lên và làm đứt nó. Một năm sau, tuyến cáp có lớp giáp bảo vệ được đặt thành công. Tin tức về tàu thuyền, hàng hóa và giá cả bắt đầu đi nhanh hơn nhiều so với thư từ hoặc chim đưa tin. [1]

Thành công ở eo biển khiến ý tưởng nối Anh với Hoa Kỳ trở nên có vẻ khả thi, dù quy mô hoàn toàn khác. Một tuyến xuyên Đại Tây Dương phải dài hơn 2.000 dặm, cần lượng lớn gutta-percha và phải được thả xuống vùng nước sâu. Người ta còn phải hiểu địa hình đáy biển để tránh những đoạn quá dốc hoặc dễ làm cáp chịu lực bất thường. [1]

Các chuyến khảo sát đã thay đổi hình dung về đáy đại dương. Đáy biển không phải một mặt phẳng dốc đều từ bờ ra khơi, mà có núi cao, thung lũng sâu và những vùng tương đối bằng phẳng. Việc tìm được một dải đáy biển thuận lợi giúp các nhà tổ chức có cơ sở để chọn tuyến cáp, dù việc chế tạo và thả cáp vẫn đầy rủi ro. [1]

Vì sao năm 1858 thành công nhưng vẫn được xem là thất bại?

Dự án nối Ireland với Newfoundland thất bại trong hai lần thử vào năm 1857 và tháng 6 năm 1858. Một lần cáp đứt ở vùng nước sâu; lần khác, mối nối giữa hai nửa cáp hỏng nhiều lần giữa đại dương. Đến lần thứ ba, tuyến cáp được đặt thành công. Tháng 8 năm 1858, Tổng thống Hoa Kỳ James Buchanan và Nữ hoàng Anh Victoria có thể trao đổi tín hiệu qua Đại Tây Dương. [1]

Công chúng phấn khích vì tốc độ truyền tin, dù cáp chỉ chuyển được vài từ ngắn mỗi phút. Nhưng tín hiệu ban đầu nhanh chóng yếu đi và tuyến cáp ngừng hoạt động hoàn toàn vào tháng 10 cùng năm. Các kỹ sư khi đó chưa hiểu đầy đủ cách dòng điện lan truyền qua hàng nghìn kilômét dây được bọc cách điện. Thiết bị đo và kỹ thuật thả cáp cũng chưa đủ đáng tin cậy. [1]

Bài học quan trọng nằm ở đây: có gutta-percha vẫn chưa đủ. Vật liệu đã giải quyết việc cách điện, nhưng toàn bộ hệ thống còn phụ thuộc vào độ bền của lõi dây, lớp giáp, mối nối, thiết bị trên tàu và cách gửi tín hiệu. Một lớp vỏ tốt mở cánh cửa; nó không tự mình bảo đảm tuyến cáp sẽ hoạt động. [1]

Điều gì khiến tuyến cáp năm 1866 bền vững hơn?

Sau những thất bại và gián đoạn do Nội chiến Hoa Kỳ, nỗ lực mới được tiến hành. Năm 1865, cáp lại đứt trong lúc đặt. Đến năm 1866, tàu Great Eastern, con tàu đủ lớn để chở cả tuyến cáp, đã thành công khi nối Valentia ở Ireland với St. John’s tại Newfoundland. Sau đó, nó còn quay lại, tìm phần cáp bị đứt từ nỗ lực trước, nối và đặt lại phần này. [1]

Kết quả là hai tuyến cáp nối được Anh và Hoa Kỳ. Thành tựu ấy cho thấy cuộc cách mạng liên lạc không chỉ là câu chuyện về phát minh ra điện báo. Nó còn là lịch sử của vật liệu, sản xuất, khảo sát biển, đóng tàu và xử lý sự cố. Gutta-percha giữ vai trò nền tảng vì nó biến một sợi dây kim loại dễ tổn thương thành một thiết bị có thể tồn tại dưới đáy đại dương. [1]

Vật liệu này cũng kéo theo một hệ quả khác. Nhu cầu tăng mạnh khiến nguồn gutta-percha tự nhiên suy giảm; về sau, các đồn điền được phát triển để cung cấp nguyên liệu. Đến giữa thế kỷ 20, polyethylene dần thay thế gutta-percha. Nhưng ý tưởng cốt lõi vẫn còn: thông tin xuyên đại dương cần một đường dẫn và một lớp bảo vệ đáng tin cậy. Ngày nay, cáp quang tiếp tục đảm nhận vai trò đó dưới hình thức kỹ thuật khác. [1]