Legătura invizibilă dintre Tesla și submarinele non-nucleare
Submarinele (submarinele) care au apărut la sfârșitul secolului al XIX-lea - începutul secolului al XX-lea au devenit un mijloc de război nou, revoluționar în larg. În ciuda faptului că la momentul apariției lor, submarinele erau departe de a fi perfecte, aproape imediat au devenit o amenințare serioasă pentru navele de suprafață de toate clasele.
Principala problemă a submarinelor a devenit timpul în care pot rămâne sub apă fără a ieși la suprafață. Aceasta este o consecință a centralei electrice utilizate - motoare diesel și baterii. Motoarele diesel necesită aer pentru a funcționa și pot fi folosite atunci când se deplasează la suprafață sau pentru a reîncărca bateriile, iar capacitatea bateriilor vremii nu permitea submarinului să se ascundă mult timp sub apă.
Apariția submarinelor nucleare (NSA) părea să fi rezolvat problema pentru totdeauna - un reactor nuclear permite navelor cu propulsie nucleară să rămână sub apă pentru un timp aproape nelimitat. S-ar putea părea că era submarinelor diesel (DEPL) s-a încheiat - unele țări le-au abandonat complet. Cu toate acestea, tehnologiile nucleare nu erau disponibile pentru toate țările lumii, în plus, submarinele diesel-electrice erau de partea costului lor, care este de câteva ori mai mic decât costul navelor cu propulsie nucleară. Avantajele submarinelor diesel includ dimensiunile mai mici, ceea ce le permite să funcționeze eficient în ape puțin adânci, iar nivelul de zgomot al submarinelor diesel în regim de propulsie electrică este mai mic decât cel al submarinelor de aceeași generație. Nu ultimul rol l-au jucat problemele de mediu - unele țări nu lasă deloc navele cu o centrală nucleară să intre în apele lor teritoriale.
Nautilusul submarin a marcat o nouă etapă în dezvoltarea subacvatică flota. Imagine de la wikipedia.org
Astfel, submarinele nucleare și diesel au început să existe în paralel. Unele țări au abandonat complet submarinele diesel-electrice, unele le-au folosit doar pe acestea, în unele țări, de exemplu, în URSS și Rusia, se folosesc ambele tipuri de submarine.
Cu toate acestea, dezavantajul cheie al submarinelor diesel-electrice - raza scurtă de călătorie subacvatică, nu a dispărut nicăieri.
Submarine nenucleare
Pentru a crește timpul petrecut de submarinele diesel-electrice sub apă, au fost luate în considerare diferite metode de creștere a autonomiei acestora folosind centrale electrice independente de aer (VNEU). Submarinele cu VNEU au primit denumirea NAPL (submarine non-nucleare).
Una dintre cele mai de succes decizii a fost instalarea motoarelor Stirling pe submarinele suedeze din seria Gotland. Motoarele Stirling și o sursă de oxigen lichid în rezervoare oferă NNS suedeză capacitatea de a se mișca sub apă timp de până la 30 de zile, ceea ce poate fi considerat un rezultat remarcabil. Dezavantajul este complexitatea crescută a operațiunii, necesitatea de a furniza suplimentar submarinului oxigen lichid, dificultățile asociate cu producerea și stocarea acestuia pe țărm. Viteza subacvatică la motoarele Stirling este limitată la aproximativ cinci noduri (șapte în versiunile recente).
NNS de tip Gotland, echipat cu motor Stirling. Imagine de la wikipedia.org
Germanii au mers pe direcția inversă, instalând VNEU pe submarinele lor nenucleare, inclusiv centrale electrice bazate pe celule de combustie și centrale intermetalice de stocare a hidrogenului. Submarinul nuclear de tip 214 cu VNEU instalat are o rază de acțiune scufundată de 2350 de kilometri (2800 de kilometri în teste) la o viteză de 4 noduri. Dezavantajul proiectului este, de asemenea, considerat complexitatea operațiunii și nevoia de infrastructură onshore pentru producerea și stocarea hidrogenului. Există și riscuri de funcționare la tropice și la latitudinile nordice din cauza dependenței ratei de eliberare a hidrogenului din depozitele intermetalice de temperatură, care poate fie să reducă caracteristicile submarinului, fie chiar să provoace o urgență.
NNS german tip 214. Imagine wikipedia.org
Francezii au făcut și o încercare de a-și crea propriul VNEU pentru submarinele de tip Scorpen. Ei dezvoltau o turbină cu abur cu ciclu închis care funcționează cu etanol și oxigen. Cu toate acestea, nu au reușit să depășească prototipurile - eficiența energetică a instalațiilor experimentale s-a dovedit a fi extrem de scăzută.
Franța nu a reușit niciodată să creeze un VNEU pentru submarinele diesel-electrice de tip Scorpion. Imagine de la wikipedia.org
Rusia experimentează, de asemenea, crearea VNEU pentru credite neperformante. Pentru submarinele proiectului 677 „Lada” (în versiunea de export „Amur”), probabil că Biroul Central de Proiectare al MT „Rubin” a fost dezvoltat de VNEU pe pile de combustibil cu hidrogen. Momentan, stadiul lucrării este necunoscut, dar având în vedere că submarinele Amur au fost promovate activ la export, lipsa Știri despre VNEU nu inspiră optimism. În orice caz, NNS-urile cu VNEU pe pile de combustibil cu hidrogen ar avea aproximativ aceleași avantaje și dezavantaje ca și NNS-urile germane de tip 214.
Submarinul rusesc diesel-electric al proiectului 677 „Lada” nu a reușit încă să obțină VNEU. Imagine de la wikipedia.org
O altă dezvoltare rusească este NNS a proiectului P-750B Serval, proiectat de Malachite Design Bureau. Două turbine cu gaz ar trebui folosite ca VNEU pe NNS al proiectului P-750B, oxidantul căruia ar trebui să fie alimentat din vasele Dewar (oxigen lichid?) în poziție scufundată. Viteza maximă subacvatică a Proiectului P-750B NNS ar trebui să fie de aproximativ 10-12 noduri, ceea ce este mai mare decât cea a NNS-urilor cu motoare Stirling sau pile de combustibil cu hidrogen. NNS al proiectului P-750B Serval va putea rămâne sub apă până la 30 de zile, în timp ce depășește 1200 de mile marine (aproximativ 2200 de kilometri) fără a ieși la suprafață. Și odată cu ascensiunea la suprafață, intervalul de croazieră va fi de până la 4300 de mile marine.
Este prea devreme să vorbim despre avantajele și dezavantajele VNEU NAPL ale proiectului P-750B Serval. Se poate presupune că complexitatea operațiunii și cerințele pentru infrastructura de coastă pentru NNS-urile proiectului P-750B Serval vor fi comparabile cu cele pentru NNS-uri cu motor Stirling.
În orice caz, putem spune că toate proiectele existente și promițătoare de submarine non-nucleare sunt oarecum mai greu de operat decât submarinele tradiționale diesel-electrice, în plus, funcționarea lor necesită o infrastructură de coastă complexă și costisitoare. Împreună, acești factori duc la faptul că clienții revin adesea la submarinele diesel-electrice „clasice”, inclusiv motoarele diesel pentru călătorii de suprafață și încărcarea bateriilor, precum și bateriile cu capacitate crescută.
Apariția litiului în flotă
Forțele de „autoapărare” japoneze nu au nave cu propulsie nucleară în serviciu, dar tratează componenta „non-nucleară” a flotei de submarine destul de responsabil. Flota japoneză este înarmată cu 10 submarine nucleare din clasa Soryu, echipate cu patru motoare Stirling și două motoare diesel-electrice Kawasaki fiecare. S-a presupus că următoarea generație de submarine nucleare japoneze va fi echipată și cu VNEU bazat pe motorul Stirling.
Cu toate acestea, aparent, forțele japoneze de autoapărare nu sunt pe deplin mulțumite de acest tip de VNEU. Probabil, deplasarea crescută a NNS-urilor japoneze de tip Soryu, în comparație cu NNS-urile suedeze de tip Gotland, nu permite obținerea unor viteze subacvatice acceptabile pe motoarele Stirling și nu este posibilă scalarea dimensiunii și puterii motoarelor Stirling.
În al unsprezecelea submarin nuclear de tip Soryu, s-a decis să se abandoneze motoarele Stirling în favoarea bateriilor cu litiu, care au înlocuit bateriile cu plumb tradiționale pentru submarinele diesel-electrice/submarinele nucleare.
Submarine nucleare din clasa Soryu. Imagine de la wikipedia.org
Cu o gamă scufundată de submarine diesel-electrice cu baterii cu litiu, comparabilă cu submarinele nenucleare cu VNEU, primul poate merge cu o viteză scufundată de aproximativ 20 de noduri, ceea ce reprezintă mai mult decât dublul performanței submarinelor nenucleare cu VNEU. Singurul dezavantaj exprimat este costul ridicat al bateriilor cu litiu, dar, în primul rând, este o chestiune de timp - bateriile cu litiu devin treptat mai ieftine și, în al doilea rând, este necesar să se ia în considerare întregul ciclu de viață al submarinelor, inclusiv costul. de desfășurare și menținere a infrastructurii de oxigen/hidrogen de coastă pentru NALP, care nu sunt necesare submarinelor diesel-electrice cu baterii cu litiu.
Modificarea costului surselor de energie în dolari pe kWh din 2014 până în 2020 Imaginea habr.com
Avantajele submarinelor diesel-electrice cu baterii cu litiu includ și capacitatea de a se încărca rapid, ceea ce înseamnă mai puțin timp pentru a fi aproape de suprafață sub snorkel.
În ceea ce privește dezavantajele, este necesar să se includă explozivitatea crescută a bateriilor cu litiu. Acest lucru se poate întâmpla din cauza deteriorării mecanice, creșterii temperaturii, îmbătrânirii, supraîncărcării sau supradescărcării (cele care nu explodează, de exemplu, bateriile LiFePO4 litiu-fier-fosfat, au o capacitate specifică mică).
Este probabil ca o cultură de producție ridicată și soluții de circuite competente, combinate cu instrumente de diagnosticare încorporate, să rezolve majoritatea problemelor potențiale. În ceea ce privește deteriorarea mecanică, prezența lor înseamnă, cel mai probabil, distrugerea carenei puternice și moartea submarinului, iar explozia bateriilor în acest caz nu mai este atât de critică. În plus, japonezii au construit baterii cu litiu într-un submarin modernizat al unui proiect existent, iar în proiectele promițătoare, bateriile cu litiu pot fi scoase dintr-o carcasă puternică într-un compartiment protejat separat (sau mai multe compartimente) nesupravegheate în timpul călătoriei.
Apropo, în 2014, directorul general al Rusiei SKB Rubin a anunțat teste de succes ale bateriilor cu litiu pentru submarinele nucleare, dar de atunci informații despre astfel de lucrări nu au apărut în presa deschisă.
De ce este Tesla aici?
Titlul articolului îl prezintă pe unul dintre cei mai importanți producători de vehicule electrice - Tesla, dar ce legătură are cu submarinele?
Nu, Tesla nu intenționează să producă NNS sau componente pentru ele, cel puțin până când nu există informații despre acest lucru pe Internet (deși în 2019 Elon Musk a anunțat evoluțiile Tesla în crearea unui submarin comercial - un vehicul amfibiu, dezvoltări serioase cu greu au fost realizate în această direcție).
Dar baza duratei cursului subacvatic al submarinelor diesel-electrice sunt bateriile, iar Tesla sunt vehiculele electrice, dintre care bateriile sunt, de asemenea, o componentă critică. Nimeni nu a făcut mai mult pentru a dezvolta piața de mașini electrice decât Tesla și iubitul/detestatul de mulți, Elon Musk. Desigur, piața de mașini electrice s-ar fi format fără Tesla, dar 10-15 ani mai târziu - într-un mod similar, Apple a format piața smartphone-urilor, deși din punct de vedere tehnic au existat înainte de iPhone.
Creșterea explozivă a pieței vehiculelor electrice necesită o mulțime de baterii de înaltă performanță. Se investesc foarte mulți bani în acest domeniu, lucrează sute de companii publice și private și start-up-uri. Se construiesc noi fabrici pentru a crește producția de baterii.
Toate acestea duc la anumite consecințe. În primul rând, costul bateriilor existente, produse în masă, este redus, așa cum sa discutat mai sus. În al doilea rând, companiile de vehicule electrice dezvoltă soluții de circuite foarte eficiente pentru a opera în siguranță bateriile de mare capacitate. Piața civilă nu este o piață de arme pentru tine. Începeți să explodeze mașinile electrice și procesele civile, companiile de asigurări și bursele vor „mânca producătorul cu mărunțiș”. În al treilea rând, mai devreme sau mai târziu rezultatele cercetării vor avea cu siguranță un efect și este posibil ca acest lucru să se fi întâmplat deja.
În acest moment, pe mașina electrică Tesla Model 3 sunt instalate baterii cu o densitate de energie de până la 260 Wh/kg. Se poate presupune că bateriile cu litiu cu aproximativ aceeași capacitate specifică au fost instalate în submarinele japoneze diesel-electrice de tip Soryu (pur și simplu nu existau mai multe în acel moment) și, în același timp, raza lor de acțiune este deja comparabilă cu submarinele nucleare. cu VNEU.
În februarie 2022, compania americană Amprius, care lucrează îndeaproape cu Tesla, a anunțat începerea livrărilor de celule de baterii litiu-ion cu o densitate de energie de 450 W h/kg - cu cea mai mare densitate de energie dintre bateriile disponibile în prezent în comerț.
Este ușor de imaginat cât de mult vor crește capacitățile submarinelor diesel-electrice după instalarea unor astfel de baterii - ele vor depăși semnificativ submarinele non-nucleare atât în rază de acțiune, cât și în viteza subacvatică, precum și în ușurința de operare.
Constatări
Se poate prezice cu încredere că dezvoltarea pieței vehiculelor electrice și, în paralel, a aeronavelor electrice, a navelor va duce la dezvoltarea intensivă a tehnologiilor de stocare a energiei electrice care pot fi utilizate pe echipamente militare în diverse scopuri - vehicule aeriene fără pilot ( UAV-uri), platforme terestre cu propulsie electrică completă sau parțială, precum și pe vehicule subacvatice autonome nelocuite (AUV) și submarine diesel-electrice de nouă generație.
În legătură cu cele de mai sus, problema dezvoltării și producerii în Rusia a bateriilor moderne de mare capacitate poate fi considerată una dintre prioritățile pentru securitatea națională a țării noastre.
informații