الاتصال غير المرئي بين تسلا والغواصات غير النووية
أصبحت الغواصات (الغواصات) التي ظهرت في نهاية القرن التاسع عشر - بداية القرن العشرين وسيلة ثورية جديدة للحرب في عرض البحر. على الرغم من حقيقة أنه في وقت ظهورها ، كانت الغواصات بعيدة كل البعد عن الكمال ، فقد أصبحت على الفور تقريبًا تهديدًا خطيرًا للسفن السطحية من جميع الفئات.
أصبحت المشكلة الرئيسية للغواصات هي الوقت الذي يمكن أن تظل خلاله تحت الماء دون أن تطفو على السطح. هذا نتيجة لمحطة الطاقة المستخدمة - محركات الديزل والبطاريات. تتطلب محركات الديزل الهواء للعمل ويمكن استخدامها عند التحرك على السطح أو لإعادة شحن البطاريات ، كما أن سعة البطاريات في ذلك الوقت لم تسمح للغواصة بالاختباء تحت الماء لفترة طويلة.
يبدو أن ظهور الغواصات النووية (NSA) قد حل المشكلة إلى الأبد - يسمح المفاعل النووي للسفن التي تعمل بالطاقة النووية بالبقاء تحت الماء لفترة غير محدودة تقريبًا. قد يبدو أن عصر غواصات الديزل (DEPL) قد انتهى - فقد تخلت عنها بعض الدول تمامًا. ومع ذلك ، لم تكن التقنيات النووية متاحة لجميع دول العالم ، بالإضافة إلى أن الغواصات التي تعمل بالديزل والكهرباء كانت بجانب تكلفتها ، والتي تقل عدة مرات عن تكلفة السفن التي تعمل بالطاقة النووية. تشمل مزايا غواصات الديزل حجمها الأصغر ، مما يسمح لها بالعمل بفعالية في المياه الضحلة ، ومستوى ضوضاء غواصات الديزل في وضع الدفع الكهربائي أقل من الغواصات من جيل مماثل. لم يكن الدور الأخير الذي لعبته القضايا البيئية - بعض البلدان لا تسمح للسفن التي لديها محطة للطاقة النووية بدخول مياهها الإقليمية على الإطلاق.
وهكذا ، بدأت الغواصات النووية والديزل في الوجود بالتوازي. تخلت بعض البلدان تمامًا عن الغواصات التي تعمل بالديزل والكهرباء ، والبعض الآخر يستخدمها فقط ، في بعض البلدان ، على سبيل المثال ، في الاتحاد السوفياتي وروسيا ، يتم استخدام كلا النوعين من الغواصات.
ومع ذلك ، فإن العيب الرئيسي للغواصات التي تعمل بالديزل والكهرباء - المدى القصير للسفر تحت الماء ، لم يختف في أي مكان.
الغواصات غير النووية
لزيادة الوقت الذي تقضيه الغواصات التي تعمل بالديزل والكهرباء تحت الماء ، تم النظر في طرق مختلفة لزيادة استقلاليتها باستخدام محطات الطاقة المستقلة عن الهواء (VNEU). تلقت الغواصات مع VNEU تسمية NAPL (غواصات غير نووية).
كان أحد أكثر القرارات نجاحًا هو تركيب محركات Stirling على الغواصات السويدية من سلسلة Gotland. توفر محركات ستيرلنغ وإمداد الأكسجين السائل في الخزانات لـ NNS السويدية القدرة على التحرك تحت الماء لمدة تصل إلى 30 يومًا ، والتي يمكن اعتبارها نتيجة رائعة. العيب هو التعقيد المتزايد للعملية ، والحاجة إلى تزويد الغواصة بالأكسجين السائل بالإضافة إلى الصعوبات المرتبطة بإنتاجها وتخزينها على الشاطئ. السرعة تحت الماء في محركات "ستيرلنغ" محدودة بحوالي خمس عقد (سبعة في التعديلات الأخيرة).
NNS من نوع جوتلاند ، مزود بمحرك ستيرلينغ. صورة wikipedia.org
ذهب الألمان في الاتجاه الآخر ، حيث قاموا بتثبيت VNEU على غواصاتهم غير النووية ، بما في ذلك محطات الطاقة القائمة على خلايا الوقود ومحطات تخزين الهيدروجين بين المعادن. الغواصة النووية من النوع 214 المزودة بـ VNEU لها مدى مغمور يبلغ 2350 كيلومترًا (2800 كيلومتر في الاختبارات) بسرعة 4 عقدة. يعتبر عيب المشروع أيضًا مدى تعقيد العملية والحاجة إلى البنية التحتية البرية لإنتاج وتخزين الهيدروجين. هناك أيضًا مخاطر التشغيل في المناطق المدارية وفي خطوط العرض الشمالية بسبب اعتماد معدل إطلاق الهيدروجين من المستودعات المعدنية على درجة الحرارة ، مما قد يقلل من خصائص الغواصة ، أو حتى يتسبب في حالة طوارئ.
نوع NNS الألماني 214. صورة wikipedia.org
كما حاول الفرنسيون إنشاء VNEU الخاصة بهم للغواصات من نوع Scorpen. كانوا يطورون توربينات بخارية ذات دورة مغلقة تعمل على الإيثانول والأكسجين. ومع ذلك ، فقد فشلوا في تجاوز النماذج الأولية - تبين أن كفاءة الطاقة في المنشآت التجريبية منخفضة للغاية.
لم تنجح فرنسا أبدًا في إنشاء VNEU للغواصات التي تعمل بالديزل والكهرباء من نوع Scorpion. صورة wikipedia.org
تقوم روسيا أيضًا بتجربة إنشاء VNEU للقروض غير العاملة. بالنسبة لغواصات المشروع 677 "Lada" (في نسخة التصدير "Amur") ، من المفترض أن يكون مكتب التصميم المركزي لـ MT "Rubin" قد تم تطويره بواسطة VNEU على خلايا وقود الهيدروجين. في الوقت الحالي ، حالة العمل غير معروفة ، ولكن بالنظر إلى أن غواصات أمور تم الترويج لها بنشاط للتصدير ، فإن النقص أخبار حول VNEU لا يوحي بالتفاؤل. على أي حال ، فإن NNS مع VNEU على خلايا وقود الهيدروجين سيكون لها نفس المزايا والعيوب تقريبًا مثل النوع الألماني 214 NNSs.
الغواصة الروسية التي تعمل بالديزل والكهرباء لمشروع 677 "لادا" لم تتمكن بعد من الحصول على VNEU. صورة wikipedia.org
تطور روسي آخر هو الغواصة النووية P-750B Serval التي صممها مكتب تصميم Malachite. يجب استخدام توربينات غازية على شكل VNEU في NNS لمشروع P-750B ، المؤكسد الذي يجب توفيره من أوعية ديوار (الأكسجين السائل؟) في وضع مغمور. يجب أن تكون السرعة القصوى تحت الماء لمشروع P-750B NNS حوالي 10-12 عقدة ، وهي أعلى من سرعة NNS بمحركات Stirling أو خلايا وقود الهيدروجين. ستكون NNS لمشروع P-750B Serval قادرة على البقاء تحت الماء لمدة تصل إلى 30 يومًا ، بينما تتغلب على 1200 ميل بحري (حوالي 2200 كيلومتر) دون أن تطفو على السطح. ومع الصعود إلى السطح ، سيصل مدى الإبحار إلى 4300 ميل بحري.
من السابق لأوانه الحديث عن مزايا وعيوب VNEU NAPL لمشروع P-750B Serval. يمكن افتراض أن تعقيد العملية ومتطلبات البنية التحتية الساحلية لـ NNSs لمشروع P-750B Serval ستكون قابلة للمقارنة مع تلك الخاصة بـ NNS بمحرك Stirling.
على أي حال ، يمكننا القول أن جميع المشاريع الحالية والواعدة للغواصات غير النووية هي بطريقة ما أكثر صعوبة في التشغيل من الغواصات التقليدية التي تعمل بالديزل والكهرباء ، بالإضافة إلى أن تشغيلها يتطلب بنية تحتية ساحلية معقدة ومكلفة. تؤدي هذه العوامل معًا إلى حقيقة أن العملاء غالبًا ما يعودون إلى الغواصات "الكلاسيكية" التي تعمل بالديزل والكهرباء ، بما في ذلك محركات الديزل للسفر السطحي وشحن البطاريات ، فضلاً عن البطاريات ذات السعة المتزايدة.
ظهور الليثيوم في الأسطول
لا تمتلك قوات "الدفاع الذاتي" اليابانية سفنًا تعمل بالطاقة النووية في الخدمة ، لكنها تتعامل مع المكون "غير النووي" لأسطول الغواصات بمسؤولية تامة. الأسطول الياباني مزود بعشر غواصات نووية من طراز Soryu ، ومجهزة بأربعة محركات من طراز Stirling ومحركين من طراز Kawasaki يعمل بالديزل والكهرباء. كان من المفترض أن يكون الجيل القادم من الغواصات النووية اليابانية مجهزًا أيضًا بـ VNEU استنادًا إلى محرك ستيرلينغ.
ومع ذلك ، على ما يبدو ، فإن قوات الدفاع الذاتي اليابانية ليست راضية تمامًا عن هذا النوع من VNEU. من المفترض أن الإزاحة المتزايدة لأجهزة NNS اليابانية من نوع Soryu ، مقارنةً بـ NNS السويدية من نوع Gotland ، لا تسمح بالحصول على سرعات مقبولة تحت الماء على محركات Stirling ، ولا يمكن قياس حجم وقوة محركات Stirling.
في الغواصة النووية الحادية عشرة من نوع Soryu ، تقرر التخلي عن محركات Stirling لصالح بطاريات الليثيوم ، التي حلت محل بطاريات الرصاص التقليدية للغواصات التي تعمل بالديزل والكهرباء / الغواصات النووية.
غواصات نووية من طراز Soryu. صورة wikipedia.org
مع مجموعة مغمورة من الغواصات التي تعمل بالديزل والكهرباء مع بطاريات ليثيوم مماثلة للغواصات غير النووية مع VNEU ، يمكن للغواصات أن تسير بسرعة مغمورة تبلغ حوالي 20 عقدة ، وهو أكثر من ضعف أداء الغواصات غير النووية مع VNEU. العيب الوحيد الذي تم التعبير عنه هو التكلفة العالية لبطاريات الليثيوم ، ولكن أولاً ، إنها مسألة وقت - بطاريات الليثيوم أصبحت أرخص تدريجيًا ، وثانيًا ، من الضروري مراعاة دورة الحياة الكاملة للغواصات ، بما في ذلك تكلفة نشر وصيانة البنية التحتية للأكسجين / الهيدروجين الساحلية لـ NALP ، وهو أمر غير مطلوب بواسطة الغواصات التي تعمل بالديزل والكهرباء مع بطاريات الليثيوم.
التغير في تكلفة مصادر الطاقة بالدولار لكل كيلوواط ساعة من 2014 إلى 2020 صورة habr.com
تشمل مزايا الغواصات التي تعمل بالديزل والكهرباء مع بطاريات الليثيوم أيضًا القدرة على الشحن السريع ، مما يعني قضاء وقت أقل بالقرب من السطح تحت أنبوب التنفس.
أما بالنسبة للعيوب ، فمن الضروري تضمين زيادة انفجار بطاريات الليثيوم. يمكن أن يحدث هذا بسبب التلف الميكانيكي أو ارتفاع درجة الحرارة أو الشيخوخة أو الشحن الزائد أو التفريغ الزائد (تلك التي لا تنفجر ، على سبيل المثال ، بطاريات LiFePO4 الليثيوم والحديد والفوسفات ، لها سعة محددة صغيرة).
من المحتمل أن تؤدي ثقافة الإنتاج العالية وحلول الدوائر المختصة ، جنبًا إلى جنب مع أدوات التشخيص المضمنة ، إلى حل معظم المشكلات المحتملة. بالنسبة للضرر الميكانيكي ، فإن وجودها على الأرجح يعني تدمير الهيكل القوي وموت الغواصة ، ولم يعد انفجار البطاريات في هذه الحالة بالغ الأهمية. بالإضافة إلى ذلك ، تم تصنيع بطاريات الليثيوم اليابانية في غواصة حديثة لمشروع قائم ، وفي المشاريع الواعدة ، يمكن إخراج بطاريات الليثيوم من علبة قوية إلى مقصورة محمية منفصلة (أو عدة مقصورات) دون مراقبة أثناء الرحلة.
بالمناسبة ، في عام 2014 ، أعلن المدير العام لشركة SKB Rubin الروسية عن اختبارات ناجحة لبطاريات الليثيوم للغواصات النووية ، ولكن منذ ذلك الحين لم تظهر معلومات حول هذا العمل في الصحافة المفتوحة.
لماذا تسلا هنا؟
يظهر عنوان المقال إحدى الشركات الرائدة في تصنيع السيارات الكهربائية - تيسلا ، ولكن ما علاقتها بالغواصات؟
لا ، لا تخطط Tesla لإنتاج NNS أو مكونات لها ، على الأقل حتى لا تتوفر معلومات حول هذا على الإنترنت (على الرغم من إعلان Elon Musk في عام 2019 عن تطورات Tesla في إنشاء غواصة تجارية - مركبة برمائية ، لم يتم تنفيذ تطورات خطيرة في هذا الاتجاه).
لكن أساس مدة المسار تحت الماء للغواصات التي تعمل بالديزل والكهرباء هو البطاريات ، وتيسلا هي المركبات الكهربائية ، والتي تعد البطاريات أيضًا مكونًا مهمًا فيها. لم يقم أحد بتطوير سوق السيارات الكهربائية أكثر من تسلا والمحبوب / المكروه من قبل الكثيرين ، إيلون ماسك. بالطبع ، كان من الممكن أن يتشكل سوق السيارات الكهربائية بدون Tesla ، ولكن بعد 10-15 عامًا - بطريقة مماثلة ، شكلت Apple سوق الهواتف الذكية ، على الرغم من أنها كانت موجودة من الناحية الفنية قبل ظهور iPhone.
يتطلب النمو الهائل لسوق السيارات الكهربائية الكثير من البطاريات عالية الأداء. يتم استثمار الكثير من الأموال في هذا المجال ، وتعمل المئات من الشركات العامة والخاصة والشركات الناشئة. يتم بناء مصانع جديدة لزيادة إنتاج البطاريات.
كل هذا يؤدي إلى عواقب معينة. أولاً ، يتم تقليل تكلفة البطاريات الحالية ذات الإنتاج الضخم ، كما تمت مناقشته أعلاه. ثانيًا ، تعمل شركات السيارات الكهربائية على تطوير حلول دوائر عالية الأداء تسمح بالتشغيل الآمن للبطاريات عالية السعة. السوق المدني ليس سوقًا للأسلحة بالنسبة لك. ابدأ بتفجير السيارات الكهربائية والدعاوى القضائية المدنية وشركات التأمين والبورصات "ستأكل الشركة المصنعة بحوصلة الطائر". ثالثًا ، عاجلاً أم آجلاً ، سيكون لنتائج البحث تأثير بالتأكيد ، ومن المحتمل أن يكون هذا قد حدث بالفعل.
في الوقت الحالي ، يتم تثبيت بطاريات ذات كثافة طاقة تصل إلى 3 واط / كجم في السيارة الكهربائية Tesla Model 260. يمكن افتراض أنه تم تركيب بطاريات الليثيوم بنفس السعة المحددة تقريبًا في الغواصات اليابانية التي تعمل بالديزل والكهرباء من نوع Soryu (لم يكن هناك المزيد في ذلك الوقت) ، وفي الوقت نفسه ، يمكن مقارنتها بالفعل بالغواصات النووية مع VNEU.
في فبراير 2022 ، أعلنت شركة Amprius الأمريكية ، التي تعمل عن كثب مع Tesla ، عن بدء تسليم خلايا بطارية ليثيوم أيون بكثافة طاقة تبلغ 450 واط / كجم - بأعلى كثافة طاقة بين البطاريات المتاحة تجاريًا حاليًا.
من السهل تخيل مقدار زيادة قدرات الغواصات التي تعمل بالديزل والكهرباء بعد تركيب هذه البطاريات - فهي ستتجاوز بشكل كبير الغواصات غير النووية من حيث المدى والسرعة تحت الماء ، وفي سهولة التشغيل.
النتائج
يمكن التنبؤ على وجه اليقين بأن تطوير سوق السيارات الكهربائية ، وبالتوازي مع الطائرات والسفن الكهربائية ، سيؤدي إلى تطوير مكثف لتقنيات تخزين الطاقة الكهربائية التي يمكن استخدامها في المعدات العسكرية لأغراض مختلفة - المركبات الجوية بدون طيار (UAVs) ، والمنصات الأرضية ذات الدفع الكهربائي الكامل أو الجزئي ، وكذلك على المركبات ذاتية القيادة غير المأهولة تحت الماء (AUVs) والغواصات التي تعمل بالديزل والكهرباء.
فيما يتعلق بما سبق ، يمكن اعتبار مسألة تطوير وإنتاج البطاريات الحديثة عالية السعة في روسيا إحدى أولويات الأمن القومي لبلدنا.
معلومات