הקשר הבלתי נראה בין טסלה לצוללות לא גרעיניות
צוללות (צוללות) שהופיעו בסוף המאה ה-XNUMX - תחילת המאה ה-XNUMX הפכו לאמצעי לחימה חדש ומהפכני בים הפתוח. למרות העובדה שבזמן הופעתם, צוללות היו רחוקות מאוד מלהיות מושלמות, הן הפכו כמעט מיד לאיום רציני על ספינות פני השטח מכל המעמדות.
הבעיה העיקרית של צוללות הפכה לזמן שבו הן יכולות להישאר מתחת למים מבלי לעלות על פני השטח. זו תוצאה של תחנת הכוח המשמשת - מנועי דיזל וסוללות. מנועי דיזל דורשים אוויר כדי לפעול וניתן להשתמש בהם בעת תנועה על פני השטח או לטעינת מצברים, וקיבולת הסוללות של אז לא אפשרה לצוללת להסתתר מתחת למים לאורך זמן.
נראה היה כי הופעתן של צוללות גרעיניות (NSA) פתרה את הבעיה לנצח - כור גרעיני מאפשר לספינות המונעות על ידי גרעיני להישאר מתחת למים למשך זמן כמעט בלתי מוגבל. אולי נראה שעידן צוללות הדיזל (DEPL) הסתיים - מדינות מסוימות נטשו אותן לחלוטין. עם זאת, טכנולוגיות גרעיניות לא היו זמינות לכל מדינות העולם, בנוסף, צוללות דיזל-חשמליות היו בצד העלות שלהן, הנמוכה פי כמה מהעלות של ספינות מונעות גרעיניות. היתרונות של צוללות דיזל כוללים את גודלן הקטן יותר, המאפשר להן לפעול ביעילות במים רדודים, ורמת הרעש של צוללות דיזל במצב הנעה חשמלי נמוכה מזו של צוללות מאותו דור. לא את התפקיד האחרון מילאו נושאי איכות הסביבה - חלק מהמדינות לא נותנות כלל לספינות עם תחנת כוח גרעינית להיכנס למים הטריטוריאליים שלהן.
כך החלו להתקיים במקביל צוללות גרעיניות ודיזל. חלק מהמדינות נטשו לחלוטין צוללות דיזל-חשמליות, חלקן השתמשו בהן בלבד, בחלק מהמדינות, למשל, בברית המועצות וברוסיה, נעשה שימוש בשני סוגי הצוללות.
עם זאת, החיסרון המרכזי של צוללות דיזל-חשמליות - הטווח הקצר של הנסיעה מתחת למים, לא נעלם לשום מקום.
צוללות לא גרעיניות
כדי להגדיל את זמן השהות של צוללות דיזל-חשמליות מתחת למים, נשקלו שיטות שונות להגברת האוטונומיה שלהן באמצעות תחנות כוח עצמאיות באוויר (VNEU). צוללות עם VNEU קיבלו את הכינוי NAPL (צוללות לא גרעיניות).
אחת ההחלטות המוצלחות ביותר הייתה התקנת מנועי סטירלינג על הצוללות השבדיות מסדרת גוטלנד. מנועי סטירלינג ואספקת חמצן נוזלי במיכלים מספקים ל-NNS השוודית את היכולת לנוע מתחת למים עד 30 יום, מה שיכול להיחשב כתוצאה יוצאת מן הכלל. החיסרון הוא המורכבות המוגברת של הפעולה, הצורך לספק לצוללת חמצן נוזלי בנוסף, הקשיים הקשורים בייצור ובאחסון שלה על החוף. המהירות התת-ימית במנועי סטירלינג מוגבלת לכחמישה קשרים (שבעה בשינויים האחרונים).
הגרמנים הלכו בדרך אחרת, והתקינו את VNEU על הצוללות הלא-גרעיניות שלהם, כולל תחנות כוח המבוססות על תאי דלק ומפעלי אחסון מימן בין-מתכתיים. לצוללות הגרעיניות מסוג 214 מותקן VNEU יש טווח שקוע של 2350 קילומטרים (2800 קילומטרים בניסויים) במהירות של 4 קשר. החיסרון של הפרויקט נחשב גם למורכבות התפעול והצורך בתשתית יבשתית לייצור ואחסון מימן. ישנם גם סיכונים בפעולה באזורים הטרופיים ובקווי הרוחב הצפוניים בשל התלות של קצב שחרור המימן מאחסנים בין-מתכתיים בטמפרטורה, מה שעלול להפחית את מאפייני הצוללת, או אפילו לגרום למצב חירום.
הצרפתים גם עשו ניסיון ליצור VNEU משלהם לצוללות מסוג Scorpen. הם פיתחו טורבינת קיטור במחזור סגור הפועלת על אתנול וחמצן. עם זאת, הם לא הצליחו לחרוג מאבות הטיפוס - היעילות האנרגטית של מתקני הניסוי התבררה כנמוכה ביותר.
רוסיה גם מתנסה ביצירת VNEU עבור NPLs. עבור צוללות של פרויקט 677 "לאדה" (בגרסת הייצוא "אמור"), ככל הנראה, הלשכה המרכזית לתכנון של MT "רובין" פותחה על ידי VNEU על תאי דלק מימן. נכון לעכשיו, מצב העבודה אינו ידוע, אך בהתחשב בכך שצוללות עמור קודמו באופן אקטיבי לייצוא, החוסר חדשות לגבי VNEU לא מעורר אופטימיות. בכל מקרה, ל-NNS עם VNEU על תאי דלק מימן יהיו בערך אותם יתרונות וחסרונות כמו ל-NNS מסוג 214 הגרמני.
פיתוח רוסי נוסף הוא NNS של פרויקט P-750B Serval, שתוכנן על ידי לשכת העיצוב של מלאכיט. יש להשתמש בשתי טורבינות גז כ-VNEU ב-NNS של פרויקט P-750B, שהמחמצן אליו צריך להיות מסופק מכלי דיואר (חמצן נוזלי?) במצב שקוע. המהירות התת-ימית המרבית של Project P-750B NNS צריכה להיות בערך 10-12 קשר, וזה גבוה יותר מזו של NNSs עם מנועי סטירלינג או תאי דלק מימן. ה-NNS של פרויקט P-750B Serval יוכל להישאר מתחת למים עד 30 ימים, תוך התגברות על 1200 מיילים ימיים (כ-2200 קילומטרים) ללא פני השטח. ועם העלייה לפני השטח, טווח השיוט יעמוד על עד 4300 מיילים ימיים.
מוקדם מדי לדבר על היתרונות והחסרונות של VNEU NAPL של פרויקט P-750B Serval. ניתן להניח שמורכבות הפעולה והדרישות לתשתיות חופיות עבור NNS של פרויקט P-750B Serval יהיו דומות לאלה של NNS עם מנוע סטירלינג.
בכל מקרה אפשר לומר שכל הפרויקטים הקיימים והמבטיחים של צוללות לא גרעיניות קשים איכשהו יותר לתפעול מצוללות דיזל-חשמליות מסורתיות, בנוסף, הפעלתן דורשת תשתית חופית מורכבת ויקרה. יחד, גורמים אלו מביאים לכך שלקוחות חוזרים לא פעם לצוללות הדיזל-חשמליות ה"קלאסיות", לרבות מנועי דיזל לנסיעות עיליות וטעינת סוללות, כמו גם סוללות קיבולת מוגברת.
הופעת הליתיום לצי
לכוחות ה"הגנה העצמית" היפניים אין ספינות מונעות גרעיניות בשירות, אך הם מתייחסים בצורה אחראית למדי למרכיב ה"לא גרעיני" של צי הצוללות. הצי היפני חמוש ב-10 צוללות גרעיניות מסוג Soryu, המצוידות בארבעה מנועי סטירלינג ושני מנועי קוואסאקי דיזל-חשמליים כל אחת. ההנחה הייתה שגם הדור הבא של צוללות גרעיניות יפניות יצויד ב-VNEU המבוסס על מנוע סטירלינג.
עם זאת, ככל הנראה, כוחות ההגנה העצמית היפנים אינם מרוצים לחלוטין עם סוג זה של VNEU. יש להניח, התזוזה המוגברת של הצוללות הגרעיניות היפניות מסוג Soryu, בהשוואה לצוללות הגרעיניות השוודיות בדרגת גוטלנד, אינה מאפשרת השגת מהירויות תת-מימיות מקובלות במנועי סטירלינג, ולא ניתן להתאים את הגודל והכוח של מנועי סטירלינג.
בצוללת הגרעינית האחת עשרה מסוג Soryu הוחלט לנטוש את מנועי סטירלינג לטובת סוללות ליתיום שהחליפו את סוללות העופרת המסורתיות לצוללות דיזל-חשמליות / צוללות גרעיניות.
עם טווח טבול של צוללות דיזל-חשמליות עם סוללות ליתיום, דומה לצוללות לא גרעיניות עם VNEU, הראשונה יכולה לעבור במהירות שקועה של כ-20 קשר, שהיא יותר מכפול מהביצועים של צוללות לא גרעיניות עם VNEU. החיסרון היחיד שהושמע הוא העלות הגבוהה של סוללות ליתיום, אבל, ראשית, זה עניין של זמן - סוללות ליתיום הופכות זולות יותר בהדרגה, ושנית, יש צורך לקחת בחשבון את כל מחזור החיים של צוללות, כולל העלות של פריסה ותחזוקה של תשתית חמצן/מימן חופית עבור NALP, אשר צוללות דיזל-חשמליות עם סוללות ליתיום אינן נדרשות.
שינוי בעלות מקורות האנרגיה בדולרים לקוט"ש מ-2014 עד 2020 תמונה habr.com
היתרונות של צוללות דיזל-חשמליות עם סוללות ליתיום כוללים גם את היכולת להיטען במהירות, מה שאומר פחות זמן להיות ליד פני השטח מתחת לשנורקל.
באשר לחסרונות, יש צורך לכלול את הנפיצות המוגברת של סוללות ליתיום. זה יכול לקרות עקב נזק מכני, עליית טמפרטורה, הזדקנות, טעינת יתר או פריקת יתר (לאלו שאינם מתפוצצים, למשל, סוללות LiFePO4 ליתיום-ברזל-פוספט, בעלות קיבולת ספציפית קטנה).
סביר להניח שתרבות ייצור גבוהה ופתרונות מעגלים מוכשרים, בשילוב כלי אבחון מובנים, יפתרו את רוב הבעיות הפוטנציאליות. באשר לנזק מכני, נוכחותם פירושה ככל הנראה הרס גוף החזק ומוות הצוללת, ופיצוץ הסוללות במקרה זה כבר אינו כה קריטי. בנוסף, היפנים בנו סוללות ליתיום לתוך צוללת מודרנית של פרויקט קיים, ובפרויקטים מבטיחים ניתן להוציא סוללות ליתיום מתיק חזק לתא מוגן נפרד (או מספר תאים) ללא השגחה במהלך הטיול.
אגב, עוד בשנת 2014, מנכ"ל SKB רובין הרוסי הכריז על ניסויים מוצלחים של סוללות ליתיום לצוללות גרעיניות, אך מאז מידע על עבודה כזו לא הופיע בעיתונות הפתוחה.
למה טסלה כאן?
בכותרת המאמר מופיעה אחת מהיצרניות המובילות של כלי רכב חשמליים - טסלה, אבל מה זה קשור לצוללות?
לא, טסלה לא מתכננת לייצר עבורם NNS או רכיבים, לפחות עד שלא יהיה מידע על כך באינטרנט (למרות שב-2019 אילון מאסק הכריז על הפיתוחים של טסלה ביצירת צוללת מסחרית - רכב אמפיבי, פיתוחים רציניים כמעט ולא בוצעו בכיוון זה).
אבל הבסיס של משך המהלך התת-ימי של צוללות דיזל-חשמליות הוא סוללות, וטסלה היא כלי רכב חשמליים, שגם הסוללות הן מרכיב קריטי בהן. אף אחד לא עשה יותר לפתח את שוק המכוניות החשמליות מאשר טסלה והאהוב/שנוא על ידי רבים, אילון מאסק. כמובן ששוק המכוניות החשמליות היה מתגבש ללא טסלה, אבל 10-15 שנים מאוחר יותר - באופן דומה, אפל יצרה את שוק הסמארטפונים, למרות שטכנית הם היו קיימים לפני האייפון.
הצמיחה הנפיצה של שוק הרכב החשמלי דורשת הרבה סוללות בעלות ביצועים גבוהים. הרבה כסף מושקע בתחום הזה, מאות חברות וסטארט-אפים ציבוריות ופרטיות פועלות. נבנים מפעלים חדשים להגברת ייצור הסוללות.
כל זה מוביל לתוצאות מסוימות. ראשית, העלות של סוללות קיימות בייצור המוני מופחתת, כפי שנדון לעיל. שנית, חברות רכב חשמלי מפתחות פתרונות מעגלים בעלי ביצועים גבוהים המאפשרים הפעלה בטוחה של סוללות בעלות קיבולת גבוהה. השוק האזרחי הוא לא שוק נשק בשבילך. תתחילו לפוצץ מכוניות חשמליות ותביעות אזרחיות, חברות ביטוח ובורסות "יאכלו את היצרן בגפיים". שלישית, במוקדם או במאוחר לתוצאות המחקר בהחלט תהיה השפעה, וייתכן שזה כבר קרה.
נכון לעכשיו, במכונית החשמלית טסלה דגם 3 מותקנות סוללות עם צפיפות אנרגיה של עד 260 וואט/ק"ג. ניתן להניח שסוללות ליתיום בעלות קיבולת ספציפית זהה בערך הותקנו בצוללות דיזל-חשמליות יפניות מסוג Soryu (פשוט לא היו עוד באותה תקופה), ויחד עם זאת, הטווח שלהן כבר דומה לצוללות גרעיניות. עם VNEU.
בפברואר 2022 הודיעה חברת Amprius האמריקאית, שעובדת בשיתוף פעולה הדוק עם טסלה, על תחילת אספקה של תאי סוללת ליתיום-יון בצפיפות אנרגיה של 450 W/h/ק"ג - עם צפיפות האנרגיה הגבוהה ביותר מבין הסוללות הזמינות כיום.
קל לדמיין עד כמה היכולות של צוללות דיזל-חשמליות יגדלו לאחר התקנת סוללות כאלה - הן יעלו משמעותית על צוללות שאינן גרעיניות הן בטווח ובמהירות התת-ימית, והן בנוחות התפעול.
ממצאים
ניתן לחזות בביטחון כי התפתחות השוק של כלי רכב חשמליים, ובמקביל למטוסים חשמליים, ספינות תוביל לפיתוח אינטנסיבי של טכנולוגיות אגירת אנרגיה חשמלית שניתן להשתמש בהן על ציוד צבאי למטרות שונות - כלי טיס בלתי מאוישים ( מל"טים), פלטפורמות קרקעיות עם הנעה חשמלית מלאה או חלקית, וכן על כלי רכב תת-מימיים אוטונומיים (AUV) וצוללות דיזל-חשמליות מהדור החדש.
בהקשר לאמור לעיל, נושא הפיתוח והייצור ברוסיה של סוללות מודרניות בעלות קיבולת גבוהה יכול להיחשב לאחד מסדר העדיפויות לביטחון הלאומי של ארצנו.
מידע