A láthatatlan kapcsolat a Tesla és a nem nukleáris tengeralattjárók között
A XNUMX. század végén - XNUMX. század elején megjelent tengeralattjárók (tengeralattjárók) a nyílt tengeri hadviselés új, forradalmi eszközeivé váltak. Annak ellenére, hogy megjelenésük idején a tengeralattjárók nagyon messze voltak a tökéletestől, szinte azonnal komoly veszélyt jelentettek minden osztályú felszíni hajóra.
A tengeralattjárókkal a fő probléma az az idő, ameddig víz alatt tudnak maradni anélkül, hogy a felszínre kerülnének. Ez a használt erőmű – dízelmotorok és akkumulátorok – következménye. A dízelmotorok működéséhez levegő szükséges, és a felszínen való mozgáshoz vagy akkumulátorok töltéséhez is használhatók, az akkori akkumulátorok kapacitása pedig nem tette lehetővé, hogy a tengeralattjáró sokáig elbújjon a víz alatt.
Úgy tűnt, hogy az atom-tengeralattjárók (NSA) megjelenése örökre megoldotta a problémát – egy atomreaktor lehetővé teszi, hogy az atommeghajtású hajók szinte korlátlan ideig víz alatt maradjanak. Úgy tűnhet, hogy a dízel-tengeralattjárók (DEPL) korszaka véget ért - egyes országok teljesen elhagyták őket. A nukleáris technológiák azonban nem voltak elérhetőek a világ minden országa számára, ráadásul a dízel-elektromos tengeralattjárók a költségük oldalán álltak, ami többszöröse az atommeghajtású hajók költségének. A dízel-tengeralattjárók előnyei közé tartozik a kisebb méret, amely lehetővé teszi a sekély vízben történő hatékony működést, valamint az elektromos meghajtású dízel-tengeralattjárók zajszintje alacsonyabb, mint az azonos generációs tengeralattjáróké. Nem utolsósorban a környezetvédelmi kérdések játszottak szerepet – egyes országok egyáltalán nem engedik be felségvizeikre az atomerőművel rendelkező hajókat.
A nautilus tengeralattjáró új szakaszt jelentett a víz alatti fejlődésben flotta. Kép: wikipedia.org
Így párhuzamosan kezdtek létezni az atom- és dízel-tengeralattjárók. Egyes országok teljesen elhagyták a dízel-elektromos tengeralattjárókat, mások csak azokat használták, egyes országokban, például a Szovjetunióban és Oroszországban mindkét típusú tengeralattjárót használják.
A dízel-elektromos tengeralattjárók fő hátránya azonban - a víz alatti utazás rövid hatótávja - nem tűnt el sehol.
Nem nukleáris tengeralattjárók
A dízel-elektromos tengeralattjárók víz alatt töltött idejének növelése érdekében különféle módszereket fontolgattak autonómiájuk növelésére a levegőtől független erőművek (VNEU) segítségével. A VNEU-val rendelkező tengeralattjárók a NAPL (nem nukleáris tengeralattjáró) elnevezést kapták.
Az egyik legsikeresebb döntés a Stirling-motorok telepítése volt a Gotland sorozat svéd tengeralattjáróira. A Stirling motorok és a tartályokban lévő folyékony oxigén utánpótlás a svéd NNS számára akár 30 napig is képes víz alatt mozogni, ami kiemelkedő eredménynek tekinthető. Hátránya a működés megnövekedett összetettsége, a tengeralattjáró folyékony oxigénnel való ellátásának szükségessége, valamint a gyártás és a parton tárolás nehézségei. A Stirling-motorok víz alatti sebessége körülbelül öt csomóra korlátozódik (a legújabb verziókban hét).
A németek a másik utat járták be: VNEU-t telepítettek nem nukleáris tengeralattjáróikra, beleértve az üzemanyagcellás erőműveket és az intermetallikus hidrogéntárolókat. A VNEU-val felszerelt 214-es típusú nukleáris tengeralattjárók 2350 kilométeres (teszteknél 2800 kilométeres) hatótávolságúak 4 csomós sebesség mellett. A projekt hátrányának tekintik az üzemeltetés összetettségét és a hidrogén előállításához és tárolásához szükséges szárazföldi infrastruktúra szükségességét is. A trópusokon és az északi szélességi körökön is fennáll a működés veszélye az intermetallikus tárolókból származó hidrogénkibocsátás sebességének hőmérséklettől való függése miatt, ami vagy csökkentheti a tengeralattjáró tulajdonságait, vagy akár vészhelyzetet is okozhat.
A franciák kísérletet tettek saját VNEU létrehozására is a Scorpén típusú tengeralattjárókhoz. Egy etanollal és oxigénnel működő, zárt ciklusú gőzturbinát fejlesztettek ki. A prototípusokon azonban nem sikerült túllépniük – a kísérleti létesítmények energiahatékonysága rendkívül alacsonynak bizonyult.
Franciaországnak soha nem sikerült VNEU-t létrehoznia a Scorpion típusú dízel-elektromos tengeralattjárókhoz. Kép: wikipedia.org
Oroszország is kísérletezik a VNEU létrehozásával az NPL-k számára. A 677 "Lada" projekt tengeralattjárói számára (az "Amur" export változatban) feltehetően az MT "Rubin" Központi Tervezőirodáját a VNEU fejlesztette ki hidrogén üzemanyagcellákon. Jelenleg a munka státusza nem ismert, de mivel az Amur tengeralattjárókat aktívan exportálták, a hiánya Hír a VNEU-val kapcsolatos nem kelt optimizmust. Mindenesetre a hidrogén üzemanyagcellás VNEU-val rendelkező NNS-ek megközelítőleg ugyanazokkal az előnyökkel és hátrányokkal rendelkeznek, mint a német típusú 214-es NNS-ek.
A 677-es projekt "Lada" orosz dízel-elektromos tengeralattjárója még nem tudta megszerezni a VNEU-t. Kép: wikipedia.org
Egy másik orosz fejlesztés a P-750B Serval projekt NNS-e, amelyet a Malachite Design Bureau tervezett. A P-750B projekt NNS-én VNEU-ként két gázturbinát kell használni, amelyekhez az oxidálószert a Dewar edényekből (folyékony oxigén?) kell bemeríteni. A Project P-750B NNS maximális víz alatti sebességének körülbelül 10-12 csomónak kell lennie, ami magasabb, mint a Stirling-motoros vagy hidrogén üzemanyagcellás NNS-eké. A P-750B Serval projekt NNS-je akár 30 napig is képes lesz víz alatt maradni, miközben 1200 tengeri mérföldet (körülbelül 2200 kilométert) tesz meg felszínre kerülés nélkül. A felszínre való emelkedéssel pedig az utazótávolság akár 4300 tengeri mérföld is lesz.
Korai még beszélni a P-750B Serval projekt VNEU NAPL előnyeiről és hátrányairól. Feltételezhető, hogy a P-750B Serval projekt NNS-ei esetében a művelet összetettsége és a part menti infrastruktúrára vonatkozó követelmények hasonlóak lesznek a Stirling-motoros NNS-ekéhez.
Mindenesetre elmondhatjuk, hogy a nem nukleáris tengeralattjárók minden létező és ígéretes projektje valahogy nehezebben üzemeltethető, mint a hagyományos dízel-elektromos tengeralattjárók, ráadásul üzemeltetésük bonyolult és költséges part menti infrastruktúrát igényel. Ezek a tényezők együttesen azt a tényt eredményezik, hogy az ügyfelek gyakran visszatérnek a „klasszikus” dízel-elektromos tengeralattjárókhoz, beleértve a felszíni utazáshoz és az akkumulátor töltéséhez szükséges dízelmotorokat, valamint a megnövelt kapacitású akkumulátorokat.
A lítium megjelenése a flottában
A japán „önvédelmi” erőknek nincsenek szolgálatban nukleáris meghajtású hajói, de meglehetősen felelősségteljesen bánnak a tengeralattjáró-flotta „nem nukleáris” komponensével. A japán flotta 10 Soryu osztályú nukleáris tengeralattjáróval van felszerelve, amelyek mindegyike négy Stirling-motorral és két-két Kawasaki dízel-elektromos motorral van felszerelve. Feltételezték, hogy a japán atomtengeralattjárók következő generációját is a Stirling-motoron alapuló VNEU-val szerelik fel.
Úgy tűnik azonban, hogy a japán önvédelmi erők nincsenek teljesen elégedettek az ilyen típusú VNEU-val. Feltehetően a japán Soryu típusú atomtengeralattjárók megnövekedett vízkiszorítása a svéd Gotland-osztályú atomtengeralattjárókhoz képest nem teszi lehetővé Stirling-hajtóműveken elfogadható víz alatti sebesség elérését, a Stirling-hajtóművek méretét és teljesítményét sem lehet skálázni.
A tizenegyedik Soryu típusú nukleáris tengeralattjáróban úgy döntöttek, hogy elhagyják a Stirling-motorokat a lítium akkumulátorok javára, amelyek felváltották a dízel-elektromos tengeralattjárók / nukleáris tengeralattjárók hagyományos ólom akkumulátorait.
A lítium akkumulátorral szerelt dízel-elektromos tengeralattjárók víz alatti választékával, amely összehasonlítható a VNEU-val nem nukleáris tengeralattjárókkal, az előbbi körülbelül 20 csomós merülési sebességgel tud menni, ami több mint kétszerese a VNEU-val felszerelt nem nukleáris tengeralattjárók teljesítményének. Az egyetlen hangoztatott hátrány a lítium akkumulátorok magas költsége, de először is ez idő kérdése - a lítium akkumulátorok fokozatosan olcsóbbá válnak, másodszor pedig figyelembe kell venni a tengeralattjárók teljes életciklusát, beleértve a költségeket is. a part menti oxigén/hidrogén infrastruktúra telepítése és karbantartása a NALP számára, amelyhez lítium akkumulátorral felszerelt dízel-elektromos tengeralattjárókra nincs szükség.
Az energiaforrások dollár/kWh-ban kifejezett költségének változása 2014-től 2020-ig Kép habr.com
A lítium akkumulátorral szerelt dízel-elektromos tengeralattjárók előnyei közé tartozik a gyors töltés lehetősége is, ami azt jelenti, hogy kevesebb időt kell tölteni a felszín közelében a légzőcső alatt.
Ami a hátrányokat illeti, figyelembe kell venni a lítium akkumulátorok fokozott robbanékonyságát. Ez történhet mechanikai sérülés, hőmérséklet emelkedés, öregedés, túltöltés vagy túltöltés miatt (a nem robbanóak, pl. a LiFePO4 lítium-vas-foszfát akkumulátorok kis fajlagos kapacitással rendelkeznek).
Valószínű, hogy a magas gyártási kultúra és a hozzáértő áramköri megoldások a beépített diagnosztikai eszközökkel kombinálva megoldják a legtöbb lehetséges problémát. Ami a mechanikai sérüléseket illeti, jelenlétük nagy valószínűséggel az erős hajótest pusztulását és a tengeralattjáró halálát jelenti, és az akkumulátorok felrobbanása ebben az esetben már nem olyan kritikus. Ráadásul a japánok egy meglévő projekt modernizált tengeralattjárójába építettek lítium akkumulátorokat, és az ígéretes projekteknél a lítium akkumulátorokat egy erős tokból külön védett rekeszbe (vagy több rekeszbe) lehet kivenni az utazás során.
Egyébként még 2014-ben az orosz SKB Rubin főigazgatója bejelentette, hogy sikeresen tesztelték a lítium-akkumulátorokat nukleáris tengeralattjárók számára, de azóta nem jelentek meg ilyen munkákról szóló információk a nyílt sajtóban.
Miért van itt a Tesla?
A cikk címében az elektromos járművek egyik vezető gyártója, a Tesla szerepel, de mi köze ennek a tengeralattjárókhoz?
Nem, a Tesla nem tervez NNS-t vagy komponenseket gyártani hozzájuk, legalábbis addig, amíg erről nincs információ az interneten (bár 2019-ben Elon Musk bejelentette a Tesla kereskedelmi tengeralattjáró – egy kétéltű jármű – fejlesztését, komoly fejlesztések alig történtek ebbe az irányba.).
De a dízel-elektromos tengeralattjárók víz alatti pályájának időtartamának alapja az akkumulátorok, a Tesla pedig az elektromos járművek, amelyeknek szintén kritikus elemei az akkumulátorok. Senki sem tett többet az elektromos autók piacának fejlesztéséért, mint a Tesla és a sokak által szeretett/utált Elon Musk. Természetesen a Tesla nélkül is kialakult volna az elektromos autók piaca, de 10-15 évvel később - hasonló módon - az Apple alakította ki az okostelefonok piacát, igaz, technikailag már az iPhone megjelenése előtt is léteztek.
Az elektromos járművek piacának robbanásszerű növekedése sok nagy teljesítményű akkumulátort igényel. Nagyon sok pénzt fektetnek be ezen a területen, több száz állami és magáncég, start-up dolgozik. Új gyárak épülnek az akkumulátorgyártás növelésére.
Mindez bizonyos következményekkel jár. Először is, a meglévő, sorozatgyártású akkumulátorok költsége csökken, amint azt fentebb tárgyaltuk. Másodszor, az elektromos járművekkel foglalkozó cégek rendkívül hatékony áramköri megoldásokat fejlesztenek a nagy kapacitású akkumulátorok biztonságos működtetésére. A polgári piac nem fegyverpiac az ön számára. Kezdje el felrobbantani az elektromos autókat, és a polgári perek, a biztosítótársaságok és a tőzsdék „megeszik a gyártót zsigerekkel”. Harmadszor, előbb-utóbb a kutatás eredményei mindenképpen hatást fejtenek ki, és lehetséges, hogy ez már meg is történt.
Jelenleg a Tesla Model 3 elektromos autóba legfeljebb 260 Wh / kg energiasűrűségű akkumulátorok vannak telepítve. Feltételezhető, hogy megközelítőleg azonos fajlagos kapacitású lítium akkumulátorokat telepítettek a japán Sorju típusú dízel-elektromos tengeralattjárókba (akkor egyszerűen nem volt több), ugyanakkor hatótávolságuk már az atomtengeralattjárókéhoz hasonlítható. a VNEU-val.
2022 februárjában a Teslával szorosan együttműködő amerikai Amprius cég bejelentette a 450 Wh/kg energiasűrűségű lítium-ion akkumulátorcellák szállításának megkezdését – a jelenleg a kereskedelemben kapható akkumulátorok közül a legnagyobb energiasűrűséggel.
Könnyű elképzelni, hogy mennyivel nőnek a dízel-elektromos tengeralattjárók képességei az ilyen akkumulátorok beszerelése után - jelentősen meghaladják a nem nukleáris tengeralattjárókat mind hatótávolságban, mind víz alatti sebességben, mind pedig a könnyű kezelhetőségben.
Álláspontja
Bátran megjósolható, hogy az elektromos járművek és ezzel párhuzamosan az elektromos repülőgépek, hajók piacának fejlődése a különféle célú haditechnikai eszközökön - pilóta nélküli légi járműveken - felhasználható elektromos energia tárolási technológiák intenzív fejlesztését fogja eredményezni. UAV-k), teljes vagy részleges elektromos meghajtású földi platformok, valamint autonóm lakatlan víz alatti járművek (AUV) és új generációs dízel-elektromos tengeralattjárók.
A fentiekkel összefüggésben a modern, nagy kapacitású akkumulátorok oroszországi fejlesztésének és gyártásának kérdése hazánk nemzetbiztonságának egyik prioritásaként tekinthető.
Információk