Niewidzialne połączenie Tesli z niejądrowymi okrętami podwodnymi
Okręty podwodne (okręty podwodne), które pojawiły się na przełomie XIX i XX wieku, stały się nowym, rewolucyjnym środkiem walki na otwartym morzu. Pomimo faktu, że w momencie ich pojawienia się okręty podwodne były bardzo dalekie od doskonałości, niemal natychmiast stały się poważnym zagrożeniem dla okrętów nawodnych wszystkich klas.
Głównym problemem okrętów podwodnych stał się czas, w którym mogą przebywać pod wodą bez wynurzania się. Wynika to z zastosowanej elektrowni - silników Diesla i akumulatorów. Silniki Diesla wymagają do działania powietrza i mogą być używane podczas poruszania się po powierzchni lub do ładowania akumulatorów, a pojemność ówczesnych akumulatorów nie pozwalała okrętowi podwodnemu na długie ukrywanie się pod wodą.
Wydawało się, że pojawienie się atomowych okrętów podwodnych (NSA) rozwiązało problem na zawsze - reaktor jądrowy pozwala statkom o napędzie atomowym przebywać pod wodą przez niemal nieograniczony czas. Mogłoby się wydawać, że era okrętów podwodnych z silnikiem Diesla (DEPL) dobiegła końca – niektóre kraje całkowicie z nich zrezygnowały. Jednak technologie jądrowe nie były dostępne dla wszystkich krajów świata, ponadto okręty podwodne z silnikiem Diesla były po stronie ich kosztu, który jest kilkakrotnie niższy niż koszt statków o napędzie atomowym. Zaletami okrętów podwodnych z silnikiem Diesla są ich mniejsze rozmiary, co pozwala im skutecznie działać na płytkich wodach, a poziom hałasu okrętów podwodnych z silnikiem Diesla w trybie napędu elektrycznego jest niższy niż w przypadku okrętów podwodnych podobnej generacji. Nie ostatnią rolę odegrały kwestie środowiskowe – niektóre państwa w ogóle nie wpuszczają na swoje wody terytorialne statków z elektrownią jądrową.
W ten sposób okręty podwodne z napędem atomowym i wysokoprężnym zaczęły istnieć równolegle. Niektóre kraje całkowicie porzuciły okręty podwodne z silnikiem Diesla, niektóre używały tylko ich, w niektórych krajach, na przykład w ZSRR i Rosji, używane są oba typy okrętów podwodnych.
Jednak kluczowa wada okrętów podwodnych z silnikiem Diesla - krótki zasięg podwodnej podróży, nigdzie nie zniknęła.
Niejądrowe okręty podwodne
Aby wydłużyć czas spędzony przez okręty podwodne z silnikiem Diesla pod wodą, rozważano różne metody zwiększenia ich autonomii za pomocą elektrowni niezależnych od powietrza (VNEU). Okręty podwodne z VNEU otrzymały oznaczenie NAPL (okręty podwodne niejądrowe).
Jedną z najbardziej udanych decyzji była instalacja silników Stirlinga na szwedzkich okrętach podwodnych serii Gotland. Silniki Stirlinga oraz zapas ciekłego tlenu w zbiornikach zapewniają szwedzkiemu NNS możliwość poruszania się pod wodą nawet przez 30 dni, co można uznać za znakomity wynik. Wadą jest zwiększona złożoność działania, konieczność dodatkowego zaopatrzenia okrętu podwodnego w ciekły tlen, trudności związane z jego produkcją i przechowywaniem na lądzie. Prędkość podwodna silników Stirlinga jest ograniczona do około pięciu węzłów (siedem w ostatnich modyfikacjach).
NNS typu Gotland, wyposażony w silnik Stirlinga. Zdjęcie z wikipedia.org
Niemcy poszli w drugą stronę, instalując VNEU na swoich niejądrowych okrętach podwodnych, w tym elektrowniach opartych na ogniwach paliwowych i międzymetalicznych magazynach wodoru. Atomowy okręt podwodny typu 214 z zainstalowanym VNEU ma zasięg zanurzenia 2350 kilometrów (w testach 2800 kilometrów) przy prędkości 4 węzłów. Za wadę projektu uważa się również złożoność eksploatacji oraz konieczność posiadania na lądzie infrastruktury do produkcji i magazynowania wodoru. Istnieje również ryzyko operacji w tropikach i na północnych szerokościach geograficznych ze względu na zależność szybkości uwalniania wodoru z magazynów międzymetalicznych od temperatury, co może albo pogorszyć charakterystykę okrętu podwodnego, albo nawet spowodować awarię.
Niemiecki NNS typ 214. Zdjęcie wikipedia.org
Francuzi podjęli również próbę stworzenia własnego VNEU dla okrętów podwodnych typu Scorpen. Opracowywali turbinę parową o obiegu zamkniętym, działającą na etanol i tlen. Nie udało im się jednak wyjść poza prototypy – efektywność energetyczna eksperymentalnych instalacji okazała się wyjątkowo niska.
Francji nigdy nie udało się stworzyć VNEU dla okrętów podwodnych z silnikiem Diesla typu Scorpion. Zdjęcie z wikipedia.org
Rosja eksperymentuje również z tworzeniem VNEU dla kredytów zagrożonych. Dla okrętów podwodnych projektu 677 „Łada” (w wersji eksportowej „Amur”) prawdopodobnie Centralne Biuro Projektowe MT „Rubin” zostało opracowane przez VNEU na wodorowych ogniwach paliwowych. W tej chwili status prac jest nieznany, ale biorąc pod uwagę, że okręty podwodne Amur były aktywnie promowane na eksport, brak Aktualności o VNEU nie napawa optymizmem. W każdym razie NNS z VNEU na wodorowych ogniwach paliwowych miałyby w przybliżeniu takie same zalety i wady jak niemieckie NNS typu 214.
Rosyjska łódź podwodna z silnikiem Diesla projektu 677 "Łada" nie była jeszcze w stanie uzyskać VNEU. Zdjęcie z wikipedia.org
Kolejnym rosyjskim osiągnięciem jest atomowy okręt podwodny P-750B Serwal zaprojektowany przez biuro projektowe Malachite. Dwie turbiny gazowe powinny być użyte jako VNEU na NNS projektu P-750B, do którego utleniacz powinien być dostarczany ze zbiorników Dewara (ciekły tlen?) w pozycji zanurzonej. Maksymalna prędkość podwodna Projektu P-750B NNS powinna wynosić około 10-12 węzłów, czyli więcej niż prędkość NNS z silnikami Stirlinga lub wodorowymi ogniwami paliwowymi. NNS projektu P-750B Serval będzie w stanie przebywać pod wodą do 30 dni, pokonując jednocześnie 1200 mil morskich (około 2200 kilometrów) bez wynurzania. A wraz z wynurzaniem się na powierzchnię zasięg będzie wynosił do 4300 mil morskich.
Za wcześnie mówić o zaletach i wadach VNEU NAPL projektu P-750B Serval. Można przypuszczać, że złożoność eksploatacji i wymagania dotyczące infrastruktury brzegowej dla KSW projektu P-750B Serval będą porównywalne z tymi dla KSW z silnikiem Stirlinga.
W każdym razie można powiedzieć, że wszystkie istniejące i obiecujące projekty niejądrowych okrętów podwodnych są w jakiś sposób trudniejsze w obsłudze niż tradycyjne okręty podwodne z silnikiem Diesla, a ponadto ich eksploatacja wymaga złożonej i kosztownej infrastruktury przybrzeżnej. Razem te czynniki powodują, że klienci często wracają do „klasycznych” okrętów podwodnych z silnikiem Diesla, w tym silników Diesla do podróży naziemnych i ładowania akumulatorów, a także akumulatorów o zwiększonej pojemności.
Pojawienie się litu we flocie
Japońskie siły „samoobrony” nie mają w służbie statków o napędzie atomowym, ale dość odpowiedzialnie traktują „niejądrowy” komponent floty okrętów podwodnych. Japońska flota jest uzbrojona w 10 atomowych okrętów podwodnych klasy Soryu, każdy wyposażony w cztery silniki Stirlinga i dwa silniki wysokoprężne Kawasaki. Założono, że następna generacja japońskich atomowych okrętów podwodnych również będzie wyposażona w VNEU oparty na silniku Stirlinga.
Jednak najwyraźniej japońskie Siły Samoobrony nie są w pełni zadowolone z tego typu VNEU. Przypuszczalnie zwiększona wyporność japońskich NNS typu Soryu w porównaniu ze szwedzkimi NNS typu Gotland nie pozwala na uzyskanie akceptowalnych prędkości podwodnych na silnikach Stirlinga, a także nie jest możliwe skalowanie wielkości i mocy silników Stirlinga.
W jedenastym atomowym okręcie podwodnym typu Soryu postanowiono zrezygnować z silników Stirlinga na rzecz akumulatorów litowych, które zastąpiły akumulatory ołowiowe tradycyjne dla okrętów podwodnych z silnikiem Diesla / atomowych okrętów podwodnych.
Atomowe okręty podwodne klasy Soryu. Zdjęcie z wikipedia.org
Z zanurzoną gamą okrętów podwodnych z silnikiem Diesla i bateriami litowymi, porównywalnymi z okrętami podwodnymi niejądrowymi z VNEU, te pierwsze mogą poruszać się w zanurzeniu z prędkością około 20 węzłów, czyli ponad dwukrotnie większą niż osiągi niejądrowych okrętów podwodnych z VNEU. Jedyną zgłaszaną wadą jest wysoki koszt baterii litowych, ale po pierwsze jest to kwestia czasu - baterie litowe stopniowo stają się tańsze, a po drugie konieczne jest uwzględnienie całego cyklu życia okrętów podwodnych, w tym kosztów rozmieszczenia i utrzymania przybrzeżnej infrastruktury tlenowo-wodorowej dla NALP, do której nie są potrzebne okręty podwodne z silnikiem Diesla i bateriami litowymi.
Zmiana kosztów źródeł energii w dolarach za kWh od 2014 do 2020 roku Obraz habr.com
Do zalet okrętów podwodnych z silnikiem Diesla i akumulatorami litowymi należy również możliwość szybkiego ładowania, co oznacza mniej czasu na przebywanie blisko powierzchni pod fajką.
Jeśli chodzi o wady, należy uwzględnić zwiększoną wybuchowość baterii litowych. Może się to zdarzyć z powodu uszkodzeń mechanicznych, wzrostu temperatury, starzenia się, przeładowania lub nadmiernego rozładowania (te, które nie eksplodują, na przykład akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe LiFePO4, mają małą pojemność właściwą).
Jest prawdopodobne, że wysoka kultura produkcji i kompetentne rozwiązania obwodów w połączeniu z wbudowanymi narzędziami diagnostycznymi rozwiążą większość potencjalnych problemów. Jeśli chodzi o uszkodzenia mechaniczne, ich obecność najprawdopodobniej oznacza zniszczenie mocnego kadłuba i śmierć łodzi podwodnej, a eksplozja baterii w tym przypadku nie jest już tak krytyczna. Ponadto japończycy wbudowali baterie litowe w zmodernizowaną łódź podwodną istniejącego projektu, aw obiecujących projektach baterie litowe można było wyjąć z mocnej obudowy do oddzielnego chronionego przedziału (lub kilku przedziałów) bez nadzoru podczas podróży.
Nawiasem mówiąc, jeszcze w 2014 roku dyrektor generalny rosyjskiego SKB Rubin ogłosił pomyślne testy baterii litowych do atomowych okrętów podwodnych, ale od tego czasu informacje o takich pracach nie pojawiały się w otwartej prasie.
Dlaczego Tesla jest tutaj?
W tytule artykułu pojawia się jeden z czołowych producentów pojazdów elektrycznych – Tesla, ale co to ma wspólnego z okrętami podwodnymi?
Nie, Tesla nie planuje produkować dla nich NNS ani komponentów, przynajmniej dopóki nie będzie informacji na ten temat w Internecie (chociaż w 2019 roku Elon Musk ogłosił postępy Tesli w tworzeniu komercyjnej łodzi podwodnej - pojazdu amfibii, poważnych prac w tym kierunku prawie nie przeprowadzono).
Ale podstawą czasu trwania podwodnego kursu okrętów podwodnych z silnikiem Diesla są akumulatory, a Tesla to pojazdy elektryczne, których akumulatory są również kluczowym elementem. Nikt nie zrobił więcej dla rozwoju rynku samochodów elektrycznych niż Tesla i ukochany/znienawidzony przez wielu Elon Musk. Oczywiście rynek samochodów elektrycznych uformowałby się bez Tesli, ale 10-15 lat później - w podobny sposób Apple uformował rynek smartfonów, choć technicznie istniały one przed pojawieniem się iPhone'a.
Gwałtowny wzrost rynku pojazdów elektrycznych wymaga wielu akumulatorów o wysokiej wydajności. Inwestuje się w ten obszar dużo pieniędzy, działają setki publicznych i prywatnych firm oraz start-upów. Powstają nowe fabryki, aby zwiększyć produkcję akumulatorów.
Wszystko to prowadzi do określonych konsekwencji. Po pierwsze, zmniejsza się koszt istniejących, produkowanych masowo akumulatorów, jak omówiono powyżej. Po drugie, producenci pojazdów elektrycznych opracowują wysokowydajne rozwiązania obwodów, które umożliwiają bezpieczne działanie akumulatorów o dużej pojemności. Rynek cywilny nie jest dla ciebie rynkiem broni. Zaczną eksplodować samochody elektryczne i pozwy cywilne, firmy ubezpieczeniowe i giełdy "zje producenta podrobami". Po trzecie, prędzej czy później wyniki badań na pewno przyniosą skutek, a możliwe, że już się to stało.
W tej chwili w samochodzie elektrycznym Tesla Model 3 instalowane są akumulatory o gęstości energii do 260 Wh / kg. Można założyć, że baterie litowe o mniej więcej takiej samej pojemności właściwej były instalowane w japońskich okrętach podwodnych z silnikiem wysokoprężnym typu Soryu (w tamtym czasie po prostu ich nie było), a jednocześnie ich zasięg jest już porównywalny z atomowymi okrętami podwodnymi z VNEU.
W lutym 2022 roku ściśle współpracująca z Teslą amerykańska firma Amprius poinformowała o rozpoczęciu dostaw ogniw akumulatorów litowo-jonowych o gęstości energetycznej 450 Wh/kg – o największej gęstości energetycznej spośród obecnie dostępnych na rynku akumulatorów.
Łatwo sobie wyobrazić, jak bardzo wzrosną możliwości okrętów podwodnych z silnikiem Diesla po zainstalowaniu takich akumulatorów - znacznie przewyższą one niejądrowe okręty podwodne zarówno pod względem zasięgu i prędkości podwodnej, jak i łatwości obsługi.
odkrycia
Można z całą pewnością przewidywać, że rozwój rynku pojazdów elektrycznych, a równolegle elektrycznych statków powietrznych, doprowadzi do intensywnego rozwoju technologii magazynowania energii elektrycznej, która może być wykorzystywana w sprzęcie wojskowym o różnym przeznaczeniu – bezzałogowych statkach powietrznych ( UAV), platform naziemnych z pełnym lub częściowym napędem elektrycznym, a także autonomicznych bezzałogowych pojazdów podwodnych (AUV) i okrętów podwodnych nowej generacji z silnikiem Diesla.
W związku z powyższym kwestię rozwoju i produkcji w Rosji nowoczesnych akumulatorów o dużej pojemności można uznać za jeden z priorytetów bezpieczeństwa narodowego naszego kraju.
informacja