Η Δύναμη της Επιμονής

Απεσταλμένος AUV. Πίστωση: Cellula Robotics

Απεσταλμένος AUV. Πίστωση: Cellula Robotics

Previous Next

«Το πεζικό κερδίζει μάχες. Η εφοδιαστική κερδίζει πολέμους.»

Αυτό το απόφθεγμα, που αποδίδεται στον Στρατηγό του Στρατού των ΗΠΑ, Τζον Πέρσινγκ, στο πλαίσιο των εκστρατευτικών επιχειρήσεων του Α' Παγκοσμίου Πολέμου, ισχύει εξίσου και σήμερα, καθώς προχωράμε στην εποχή των αυτόνομων υποθαλάσσιων συστημάτων. Από την εποχή των ιστίων έως την πυρηνική εποχή, η ναυτική ισχύς βασιζόταν στο πόσο μακριά και για πόσο καιρό μπορούσαν οι δυνάμεις να επιχειρήσουν προς τα εμπρός, και ενώ η εφοδιαστική αλυσίδα παραδοσιακά σήμαινε τη συντήρηση πληρωμάτων και πλατφορμών με καύσιμα, τρόφιμα και υλικό, το βάρος της εφοδιαστικής αλυσίδας των αυτόνομων υποβρύχιων επιχειρήσεων επικεντρώνεται ολοένα και περισσότερο σε μια θεμελιώδη απαίτηση: την ενέργεια. Είναι η ενέργεια που τροφοδοτεί κάθε σύστημα επί του πλοίου - πρόωση, πλοήγηση, επικοινωνία και αυτονομία - και τελικά επιτρέπει την κρίσιμη για την αποστολή αντοχή που είναι απαραίτητη για τη διατήρηση μιας διαρκούς υποθαλάσσιας παρουσίας.

Για χρόνια, το κυρίαρχο παράδειγμα υποβρύχιας ενέργειας ήταν η αποθηκευμένη ενέργεια. Με την υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, την επεκτασιμότητα και την ώριμη κατασκευαστική τους βάση, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου (Li-ion) αποτελούν το πρότυπο για υποβρύχια συστήματα τόσο για αμυντικούς όσο και για εμπορικούς πελάτες. Ωστόσο, η μακροχρόνια κυριαρχία των ιόντων λιθίου θα μπορούσε να υποχωρήσει, καθώς η παραγωγή ενέργειας επί του σκάφους, με τη μορφή κυψελών καυσίμου υδρογόνου, κερδίζει σταθερά έδαφος.

Ενώ αποτελούν σχετικά νέα καινοτομία για αυτόνομες υποβρύχιες επιχειρήσεις, οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου χρησιμοποιούνται από επανδρωμένα υποβρύχια εδώ και χρόνια για να παρέχουν ανεξάρτητη από τον αέρα πρόωση (AIP, επίσης γνωστή ως ανεξάρτητη από τον αέρα ισχύς). Τα συμβατικά ντιζελοηλεκτρικά υποβρύχια πρέπει περιοδικά να κάνουν snorkeling για να αντλούν οξυγόνο στους ντιζελοκινητήρες τους, οι οποίοι με τη σειρά τους κινούν γεννήτριες που επαναφορτίζουν τις μπαταρίες. Αλλά η snorkeling καθιστά ένα υποβρύχιο ευάλωτο στην ανίχνευση από επιφανειακές ή εναέριες πλατφόρμες που θα μπορούσαν να παραμονεύουν από πάνω. Οι κυψέλες καυσίμου λύνουν αυτό το πρόβλημα επιτρέποντας σε ένα υποβρύχιο να παράγει ηλεκτρική ενέργεια χωρίς καύση και χωρίς ατμοσφαιρικό οξυγόνο. Το αποθηκευμένο υδρογόνο και το υγρό οξυγόνο τροφοδοτούν κυψέλες καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEM), παράγοντας ηλεκτρική ενέργεια αθόρυβα, με νερό και θερμότητα ως υποπροϊόντα. Το αποτέλεσμα είναι η αθόρυβη, πλήρως βυθισμένη παραγωγή ενέργειας και η διάρκεια ζωής που μετριέται σε εβδομάδες αντί για ημέρες. Τα ίδια χαρακτηριστικά που καθιστούν τις κυψέλες καυσίμου ελκυστικές για τα συμβατικά υποβρύχια - αθόρυβη λειτουργία, υψηλή απόδοση και εκτεταμένη βυθισμένη αντοχή - οδηγούν τώρα στην υιοθέτησή τους σε αυτόνομα υποβρύχια οχήματα.

Σε αντίθεση με τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, οι οποίες αποθηκεύουν μια πεπερασμένη ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που σταδιακά εξαντλείται κατά τη διάρκεια μιας αποστολής, οι κυψέλες καυσίμου παράγουν ηλεκτρική ενέργεια για όσο διάστημα παραμένουν διαθέσιμα τα αντιδρώντα. Αν και είναι γενικά μεγαλύτερες, πιο πολύπλοκες και πιο ακριβές από τις λύσεις που λειτουργούν μόνο με μπαταρίες, οι κυψέλες καυσίμου μπορούν να παρέχουν αρκετές φορές την αξιοποιήσιμη ενέργεια ενός συστήματος μπαταριών συγκρίσιμου μεγέθους και βάρους και μπορούν να επεκτείνουν την υποβρύχια αντοχή από ώρες ή ημέρες σε εβδομάδες ή ακόμα και μήνες. Εκτός από την υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα, οι κυψέλες καυσίμου δεν αυτοεκφορτίζονται κατά τη διάρκεια περιόδων αδράνειας, κάτι που θα μπορούσε να επιτρέψει αποστολές που περιλαμβάνουν προκαθορισμένα συστήματα σε περιοχές προς τα εμπρός. Και η υψηλότερη αντοχή που προσφέρουν τέτοια συστήματα θα μπορούσε να μειώσει το συνολικό κόστος διατήρησης μιας αυτόνομης υποθαλάσσιας παρουσίας. Η διατήρηση αυτής της παρουσίας θα απαιτούσε τη λειτουργία ενός στόλου πλατφορμών σε εκ περιτροπής βάση - ανάπτυξη, περιπολία, ανάκτηση, αναπλήρωση των ενσωματωμένων αποθεμάτων ενέργειας και εκτέλεση συντήρησης. Εάν τα οχήματα μπορούν να παραμείνουν στον σταθμό για μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα και τα ενεργειακά τους συστήματα μπορούν να αναπληρωθούν σε λεπτά αντί για ώρες, οι χειριστές ενδέχεται να χρειάζονται λιγότερες πλατφόρμες για να διατηρήσουν το ίδιο επίπεδο επιμονής και κάλυψης περιοχής.

Τα οφέλη αντοχής των κυψελών καυσίμου για τα συμβατικά προωθούμενα AUV είναι σημαντικά, αλλά ο συνδυασμός τους με ένα μη συμβατικό AUV του οποίου ο μοναδικός σχεδιασμός παρέχει ήδη εκτεταμένη εμβέλεια και αντοχή θα ήταν ένα σημαντικό επίτευγμα. Η General Atomics έκανε ακριβώς αυτό με το G-Ray, ένα υποβρύχιο ανεμόπτερο με μικτές πτέρυγες που ελαχιστοποιεί την κατανάλωση ενέργειας μέσω του υψηλού λόγου άντωσης προς οπισθέλκουσα και της πρόωσης που βασίζεται στην άνωση. Πρόσφατα αποκαλυφθέν στο συνέδριο Sea-Air-Space της Navy League τον Απρίλιο του τρέχοντος έτους, το G-Ray ενσωματώνει ένα υβριδικό σύστημα κυψελών καυσίμου μπαταρίας-υδρογόνου που επιτρέπει εκτεταμένη αντοχή και εμβέλεια της τάξης των μηνών, με δυνατότητα για ακόμη μεγαλύτερες διάρκειες. Αντί να αποθηκεύει συμπιεσμένο υδρογόνο, το σύστημα αντιδρά ένα ελαφρύ κράμα αλουμινίου με νερό για να παράγει υδρογόνο, με αποτέλεσμα ένα καινοτόμο ενεργειακό σύστημα κατ' απαίτηση που μετατοπίζει τον περιορισμό αντοχής μακριά από την αποθηκευμένη ενέργεια στην ενσωματωμένη χωρητικότητα αντιδρώντων.

Ακτίνα G της General Atomics. Πίστωση: General Atomics

Τα στοιχεία καυσίμου υδρογόνου δεν περιορίζονται πλέον σε υποβρύχια οχήματα. Γίνονται μέρος της υποθαλάσσιας υποδομής που υποστηρίζει συνεχείς αυτόνομες λειτουργίες. Ο υποθαλάσσιος υπερσυμπιεστής (SSC) της Teledyne Marine είναι μια αποθήκη ενέργειας κυψελών καυσίμου στον βυθό της θάλασσας που επιτρέπει την επιτόπια παραγωγή ενέργειας για αισθητήρες, ενεργοποιητές ή συστήματα πρόσδεσης οχημάτων, επιτρέποντας στα AUV να επαναφορτίζονται και να αναδιατάσσονται χωρίς ανάκτηση από την επιφάνεια. Εννοιολογικά, ένα SSC λειτουργεί σαν ένας προωθημένος κόμβος εφοδιαστικής, παρέχοντας τη συνεχή ενέργεια που επιτρέπει σε μια περιφερειακή αυτόνομη υποθαλάσσια δύναμη να παραμείνει στον σταθμό. Η ιδέα δεν είναι εντελώς νέα. Σχεδόν πριν από μια δεκαετία, το Ναυτικό των ΗΠΑ πρότεινε την ιδέα του Προωθημένου Αναπτυσσόμενου Φυλακίου Ενέργειας και Επικοινωνίας (FDECO) για την υποστήριξη συνεχούς ανθυποβρυχιακού πολέμου (ASW) και επιχειρήσεων πληροφοριών, επιτήρησης και αναγνώρισης (ISR).

Υποθαλάσσιος υπερσυμπιεστής της Teledyne Marine. Πίστωση: Teledyne Marine

Για ορισμένες εταιρείες, η υποθαλάσσια ισχύς κυψελών καυσίμου υδρογόνου δεν αντιπροσωπεύει μόνο έναν πρωτοποριακό διαφοροποιητή προϊόντων, αλλά και μια ευκαιρία για αναδυόμενη αγορά. Τον Ιούνιο του τρέχοντος έτους, η Cellula Robotics και η Infinity Fuel Cell and Hydrogen Inc. παρουσίασαν τη NautiGEN, μια κοινοπραξία που επικεντρώνεται αποκλειστικά στην παροχή λύσεων ισχύος κυψελών καυσίμου για θαλάσσια αυτόνομα συστήματα. Η Infinity, με έδρα το Γουίνδσορ του Κονέκτικατ, είναι μια εταιρεία ανάπτυξης συστημάτων κυψελών καυσίμου για αεροδιαστημικές, αμυντικές και ναυτιλιακές εφαρμογές, ενώ η Cellula, με έδρα τη Βρετανική Κολομβία, βρίσκεται στην πρώτη γραμμή της εμπορευματοποίησης κυψελών καυσίμου μέσω της οικογένειας AUV μακράς διαρκείας. Η Cellula και η Infinity έχουν συνεργαστεί στο παρελθόν στην τεχνολογία κυψελών καυσίμου. Σε πρόσφατες δοκιμές του Envoy LD-AUV της Cellula, το όχημα ολοκλήρωσε μια υποβρύχια διέλευση που ξεπέρασε τα 2000 χλμ. σε μια διάρκεια αποστολής 385 ωρών, κατά τη διάρκεια των οποίων εκτέλεσε πάνω από 4000 στροφές και ελιγμούς που καταναλώνουν ενέργεια. Το όχημα τροφοδοτούνταν από το σύστημα ισχύος Mystic 2000 AUV της Infinity, το οποίο αξιοποιεί την τεχνολογία κυψελών καυσίμου που αναπτύχθηκε αρχικά για αεροδιαστημικές εφαρμογές πριν προσαρμοστεί για ναυτιλιακή χρήση. Η δημιουργία της NautiGEN αντικατοπτρίζει την αυξανόμενη εμπιστοσύνη ότι η ενέργεια από κυψέλες καυσίμου έχει ωριμάσει σε μια βιώσιμη εμπορική αγορά αντί να παραμείνει μια εξειδικευμένη τεχνολογία που επιτρέπει την ανάπτυξη.

Η NautiGEN είναι μια κοινοπραξία μεταξύ της Cellula Robotics και της Infinity Fuel Cell and Hydrogen Inc. που επικεντρώνεται στην παροχή λύσεων ισχύος κυψελών καυσίμου για θαλάσσια αυτόνομα συστήματα. Πίστωση: Cellula Robotics

Η αντοχή είναι ο ακρογωνιαίος λίθος των αυτόνομων υποθαλάσσιων επιχειρήσεων. Καθορίζει πόσο καιρό μπορεί να παραμείνει μια πλατφόρμα στον σταθμό και το μέγεθος της περιοχής που μπορεί αποτελεσματικά να παρακολουθεί ή να επηρεάζει. Είτε πρόκειται για την παρακολούθηση εχθρικών υποβρυχίων, είτε για την εκτέλεση αποστολών μεγάλης εμβέλειας στον βυθό της θάλασσας, είτε για τον αποκλεισμό ενός στρατηγικού σημείου συμφόρησης, τα AUV θα χρειαστούν πρόσβαση σε ενέργεια υψηλής πυκνότητας επί του σκάφους για να διασφαλίσουν την επιτυχία της αποστολής. Τα στοιχεία καυσίμου υδρογόνου αντιπροσωπεύουν μια μετατόπιση από υποβρύχιες πλατφόρμες που αποθηκεύουν ηλεκτρική ενέργεια σε πλατφόρμες ικανές να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια καθ' όλη τη διάρκεια μιας αποστολής. Ενώ μπορεί να μην αντικαταστήσουν τις μπαταρίες ιόντων λιθίου σε υποθαλάσσιες επιχειρήσεις, τα στοιχεία καυσίμου θα μπορούσαν να ενσωματωθούν σε υβριδικές αρχιτεκτονικές ισχύος όπως αυτή του G-Ray, με τα στοιχεία καυσίμου να παρέχουν υψηλή ενέργεια, μεγάλης διάρκειας βασική ισχύ και τις μπαταρίες να παρέχουν γρήγορες εκρήξεις ηλεκτρικής ενέργειας για ελιγμούς, έλεγχο πλευστότητας, επικοινωνίες και λειτουργία ωφέλιμου φορτίου. Το αν τα στοιχεία καυσίμου θα γίνουν η κυρίαρχη ενεργειακή λύση για τον ευρύτερο αυτόνομο ναυτιλιακό τομέα μένει να φανεί, αλλά φαίνεται ότι είναι έτοιμα να διαδραματίσουν έναν ολοένα και πιο σημαντικό ρόλο στη δημιουργία και τη διατήρηση μιας αξιόπιστης, επίμονης υποθαλάσσιας δύναμης.