Mối liên hệ vô hình giữa Tesla và tàu ngầm phi hạt nhân
Tàu ngầm (tàu ngầm) xuất hiện vào cuối thế kỷ XNUMX - đầu thế kỷ XNUMX đã trở thành một phương tiện tác chiến mới, mang tính cách mạng trên biển khơi. Mặc dù thực tế là vào thời điểm xuất hiện, các tàu ngầm còn rất xa mới hoàn hảo, chúng gần như ngay lập tức trở thành mối đe dọa nghiêm trọng đối với các tàu nổi thuộc mọi lớp.
Vấn đề chính của tàu ngầm là thời gian chúng có thể ở dưới nước mà không nổi lên. Đây là hệ quả của việc sử dụng nhà máy điện - động cơ diesel và pin. Động cơ diesel cần không khí để hoạt động và có thể được sử dụng khi di chuyển trên mặt nước hoặc để sạc pin, và dung lượng của pin thời đó không cho phép tàu ngầm ẩn mình dưới nước trong một thời gian dài.
Sự xuất hiện của tàu ngầm hạt nhân (NSA) dường như đã giải quyết được vấn đề mãi mãi - một lò phản ứng hạt nhân cho phép các tàu chạy bằng năng lượng hạt nhân ở dưới nước trong thời gian gần như không giới hạn. Có vẻ như kỷ nguyên của tàu ngầm diesel (DEPL) đã qua - một số quốc gia đã hoàn toàn từ bỏ chúng. Tuy nhiên, công nghệ hạt nhân không được cung cấp cho tất cả các quốc gia trên thế giới, ngoài ra, tàu ngầm diesel-điện còn có giá thành rẻ hơn nhiều lần so với giá tàu chạy bằng năng lượng hạt nhân. Ưu điểm của tàu ngầm diesel bao gồm kích thước nhỏ hơn, cho phép chúng hoạt động hiệu quả ở vùng nước nông, độ ồn của tàu ngầm diesel ở chế độ đẩy điện thấp hơn so với các tàu ngầm cùng thế hệ. Vấn đề môi trường không phải đóng vai trò cuối cùng - một số quốc gia hoàn toàn không cho tàu có nhà máy điện hạt nhân vào lãnh hải của họ.
Tàu ngầm nautilus đánh dấu một giai đoạn mới trong quá trình phát triển dưới nước hạm đội. Hình ảnh theo wikipedia.org
Do đó, tàu ngầm hạt nhân và tàu ngầm diesel bắt đầu tồn tại song song. Một số quốc gia từ bỏ hoàn toàn tàu ngầm diesel-điện, một số nước chỉ sử dụng chúng, ví dụ như ở Liên Xô và Nga, cả hai loại tàu ngầm này đều được sử dụng.
Tuy nhiên, nhược điểm cơ bản của tàu ngầm diesel-điện - phạm vi di chuyển dưới nước ngắn, vẫn chưa biến mất ở đâu.
Tàu ngầm phi hạt nhân
Để tăng thời gian hoạt động của tàu ngầm diesel-điện dưới nước, nhiều phương pháp khác nhau đã được xem xét để tăng quyền tự chủ của chúng bằng cách sử dụng các nhà máy điện không phụ thuộc vào không khí (VNEU). Các tàu ngầm của VNEU nhận được định danh NAPL (tàu ngầm phi hạt nhân).
Một trong những quyết định thành công nhất là việc lắp đặt động cơ Stirling trên các tàu ngầm Thụy Điển thuộc dòng Gotland. Động cơ Stirling và nguồn cung cấp oxy lỏng trong các thùng giúp NNS Thụy Điển có khả năng di chuyển dưới nước lên đến 30 ngày, đây có thể coi là một kết quả vượt trội. Điểm bất lợi là sự phức tạp của hoạt động ngày càng tăng, nhu cầu cung cấp thêm oxy lỏng cho tàu ngầm, những khó khăn liên quan đến việc sản xuất và lưu trữ trên bờ. Tốc độ dưới nước trên động cơ Stirling được giới hạn trong khoảng năm hải lý / giờ (bảy trong các sửa đổi gần đây).
NNS kiểu Gotland, được trang bị động cơ Stirling. Hình ảnh theo wikipedia.org
Người Đức đã đi theo hướng khác, lắp đặt VNEU trên các tàu ngầm phi hạt nhân của họ, bao gồm các nhà máy điện dựa trên pin nhiên liệu và nhà máy lưu trữ hydro liên kim loại. Tàu ngầm hạt nhân loại 214 lắp VNEU có tầm bắn chìm 2350 km (2800 km trong các cuộc thử nghiệm) với tốc độ 4 hải lý / giờ. Nhược điểm của dự án cũng được coi là sự phức tạp của hoạt động và sự cần thiết của cơ sở hạ tầng trên bờ để sản xuất và lưu trữ hydro. Ngoài ra còn có những rủi ro khi hoạt động ở các vùng nhiệt đới và vĩ độ phía bắc do sự phụ thuộc của tốc độ giải phóng hydro từ các kho chứa liên kim loại vào nhiệt độ, có thể làm giảm các đặc tính của tàu ngầm, hoặc thậm chí gây ra tình trạng khẩn cấp.
NNS của Đức loại 214. Hình ảnh wikipedia.org
Người Pháp cũng đã cố gắng tạo ra VNEU của riêng họ cho các tàu ngầm kiểu Scorpen. Họ đang phát triển một tuabin hơi nước chu trình khép kín chạy bằng ethanol và oxy. Tuy nhiên, chúng đã không thể vượt ra ngoài các nguyên mẫu - hiệu suất năng lượng của các cơ sở thí nghiệm hóa ra là cực kỳ thấp.
Pháp chưa bao giờ thành lập VNEU cho các tàu ngầm diesel-điện kiểu Scorpion. Hình ảnh theo wikipedia.org
Nga cũng đang thử nghiệm thành lập VNEU cho NPL. Đối với tàu ngầm đề án 677 "Lada" (phiên bản xuất khẩu là "Amur"), có lẽ do Cục Thiết kế Trung ương MT "Rubin" do VNEU phát triển trên pin nhiên liệu hydro. Hiện tại, tình trạng của công việc vẫn chưa được biết, nhưng do các tàu ngầm Amur đã được tích cực xúc tiến xuất khẩu, nên thiếu Tin tức về VNEU không truyền cảm hứng cho sự lạc quan. Trong mọi trường hợp, NNS với VNEU trên pin nhiên liệu hydro sẽ có những ưu điểm và nhược điểm tương tự như NNS Kiểu 214 của Đức.
Tàu ngầm diesel-điện dự án 677 "Lada" của Nga vẫn chưa được VNEU. Hình ảnh theo wikipedia.org
Một phát triển khác của Nga là NNS của dự án P-750B Serval, do Cục thiết kế Malachite thiết kế. Hai tuabin khí nên được sử dụng làm VNEU trên NNS của dự án P-750B, chất oxy hóa sẽ được cung cấp từ các tàu Dewar (oxy lỏng?) Ở vị trí ngập nước. Tốc độ tối đa dưới nước của Project P-750B NNS phải đạt khoảng 10-12 hải lý / giờ, cao hơn tốc độ của NNS với động cơ Stirling hoặc pin nhiên liệu hydro. NNS của dự án P-750B Serval sẽ có thể ở dưới nước tới 30 ngày, trong khi vượt qua 1200 hải lý (khoảng 2200 km) mà không cần nổi lên. Và với việc bay lên bề mặt, phạm vi bay sẽ lên đến 4300 hải lý.
Còn quá sớm để nói về những ưu và nhược điểm của VNEU NAPL của dự án P-750B Serval. Có thể giả định rằng mức độ phức tạp của hoạt động và các yêu cầu đối với cơ sở hạ tầng ven biển đối với các NNS của dự án P-750B Serval sẽ tương đương với các NNS có động cơ Stirling.
Trong mọi trường hợp, chúng ta có thể nói rằng tất cả các dự án hiện có và đầy hứa hẹn về tàu ngầm phi hạt nhân về mặt nào đó khó hoạt động hơn so với tàu ngầm diesel-điện truyền thống, ngoài ra, hoạt động của chúng đòi hỏi cơ sở hạ tầng ven biển phức tạp và tốn kém. Cùng với nhau, những yếu tố này dẫn đến thực tế là khách hàng thường quay trở lại với các tàu ngầm diesel-điện "cổ điển", bao gồm động cơ diesel để du hành trên mặt nước và sạc pin, cũng như tăng dung lượng pin.
Sự ra đời của Liti vào hạm đội
Lực lượng "tự vệ" Nhật Bản không có tàu chạy bằng năng lượng hạt nhân trong biên chế, nhưng họ đối xử với thành phần "phi hạt nhân" của hạm đội tàu ngầm khá có trách nhiệm. Hạm đội Nhật Bản được trang bị 10 tàu ngầm hạt nhân lớp Soryu, mỗi chiếc được trang bị XNUMX động cơ Stirling và XNUMX động cơ diesel-điện Kawasaki. Người ta cho rằng thế hệ tàu ngầm hạt nhân tiếp theo của Nhật Bản cũng sẽ được trang bị cho VNEU dựa trên động cơ Stirling.
Tuy nhiên, rõ ràng, Lực lượng Phòng vệ Nhật Bản không hoàn toàn hài lòng với loại hình VNEU này. Có lẽ, việc tăng trọng lượng dịch chuyển của các NNS kiểu Soryu của Nhật Bản, so với các NNS kiểu Gotland của Thụy Điển, không cho phép đạt được tốc độ dưới nước chấp nhận được trên động cơ Stirling và không thể mở rộng kích thước và sức mạnh của động cơ Stirling.
Trong tàu ngầm hạt nhân loại Soryu thứ XNUMX, người ta quyết định từ bỏ động cơ Stirling để chuyển sang sử dụng pin lithium, loại pin này thay thế pin chì truyền thống cho tàu ngầm diesel-điện / tàu ngầm hạt nhân.
Tàu ngầm hạt nhân lớp Soryu. Hình ảnh theo wikipedia.org
Với phạm vi lặn của tàu ngầm diesel-điện lắp pin lithium, có thể so sánh với tàu ngầm phi hạt nhân của VNEU, chiếc trước đây có thể đi với tốc độ khoảng 20 hải lý / giờ, cao hơn gấp đôi hiệu suất của tàu ngầm phi hạt nhân cùng VNEU. Hạn chế duy nhất được nói đến là giá thành của pin lithium cao, nhưng thứ nhất, đó là vấn đề thời gian - pin lithium đang dần trở nên rẻ hơn, và thứ hai, cần phải tính đến toàn bộ vòng đời của tàu ngầm, bao gồm cả chi phí. triển khai và duy trì cơ sở hạ tầng oxy / hydro ven biển cho NALP, mà các tàu ngầm diesel-điện với pin lithium không bắt buộc.
Thay đổi chi phí của các nguồn năng lượng tính bằng đô la trên mỗi kWh từ năm 2014 đến năm 2020 Hình ảnh habr.com
Ưu điểm của tàu ngầm diesel-điện với pin lithium còn có khả năng sạc nhanh, tức là ít thời gian ở gần bề mặt dưới ống thở.
Về nhược điểm, phải kể đến khả năng dễ cháy nổ của pin lithium. Điều này có thể xảy ra do hư hỏng cơ học, nhiệt độ tăng, lão hóa, sạc quá mức hoặc xả quá mức (những pin không phát nổ, ví dụ như pin LiFePO4 lithium-iron-phosphate, có dung lượng cụ thể nhỏ).
Có khả năng là một nền văn hóa sản xuất cao và các giải pháp mạch có thẩm quyền, kết hợp với các công cụ chẩn đoán tích hợp, sẽ giải quyết hầu hết các vấn đề tiềm ẩn. Đối với hư hỏng cơ học, sự hiện diện của chúng rất có thể đồng nghĩa với việc phá hủy thân tàu mạnh và làm tàu ngầm chết, và việc nổ pin trong trường hợp này không còn quá nghiêm trọng. Ngoài ra, Nhật Bản đã chế tạo pin lithium thành một tàu ngầm hiện đại hóa của một dự án hiện có và trong các dự án đầy hứa hẹn, pin lithium có thể được đưa ra khỏi hộp chắc chắn vào một ngăn được bảo vệ riêng biệt (hoặc một số ngăn) mà không cần giám sát trong suốt chuyến đi.
Nhân tiện, vào năm 2014, Tổng giám đốc SKB Rubin của Nga đã tuyên bố thử nghiệm thành công pin lithium cho tàu ngầm hạt nhân, nhưng kể từ đó thông tin về công việc này đã không còn xuất hiện trên báo chí.
Tại sao Tesla lại ở đây?
Tiêu đề của bài báo đề cập đến một trong những nhà sản xuất xe điện hàng đầu - Tesla, nhưng nó có liên quan gì đến tàu ngầm?
Không, Tesla không có kế hoạch sản xuất NNS hoặc các thành phần cho chúng, ít nhất là cho đến khi không có thông tin về điều này trên Internet (mặc dù vào năm 2019, Elon Musk đã công bố những phát triển của Tesla trong việc tạo ra một chiếc tàu ngầm thương mại - một phương tiện đổ bộ, nhưng những phát triển nghiêm túc hầu như không được thực hiện theo hướng này).
Nhưng cơ sở của thời gian hoạt động dưới nước của tàu ngầm diesel-điện là pin, còn Tesla là xe điện, trong đó pin cũng là một thành phần quan trọng. Không ai đã làm được nhiều hơn để phát triển thị trường ô tô điện hơn Tesla và người được nhiều người yêu quý / ghét bỏ, Elon Musk. Tất nhiên, thị trường ô tô điện sẽ hình thành nếu không có Tesla, nhưng 10-15 năm sau - theo cách tương tự, Apple đã hình thành thị trường điện thoại thông minh, mặc dù về mặt kỹ thuật, chúng tồn tại trước iPhone.
Sự phát triển bùng nổ của thị trường xe điện đòi hỏi rất nhiều loại pin hiệu suất cao. Rất nhiều tiền đang được đầu tư vào lĩnh vực này, hàng trăm công ty nhà nước và tư nhân và các công ty khởi nghiệp đang hoạt động. Các nhà máy mới đang được xây dựng để tăng sản lượng pin.
Tất cả điều này dẫn đến những hậu quả nhất định. Đầu tiên, giá thành của các loại pin sản xuất hàng loạt hiện có sẽ giảm xuống, như đã thảo luận ở trên. Thứ hai, các công ty sản xuất xe điện đang phát triển các giải pháp mạch điện hiệu quả cao để vận hành an toàn pin dung lượng cao. Thị trường dân sự không phải là thị trường vũ khí cho bạn. Bắt đầu bùng nổ ô tô điện và các vụ kiện dân sự, các công ty bảo hiểm và sàn giao dịch chứng khoán sẽ “ăn miếng trả miếng” nhà sản xuất. Thứ ba, kết quả nghiên cứu sớm hay muộn chắc chắn sẽ có ảnh hưởng, và có thể điều này đã xảy ra.
Hiện tại, pin có mật độ năng lượng lên tới 3 Wh / kg đã được lắp trên xe điện Tesla Model 260. Có thể giả định rằng pin lithium có dung lượng cụ thể xấp xỉ tương đương đã được lắp đặt trên các tàu ngầm diesel-điện loại Soryu của Nhật Bản (đơn giản là không có nhiều pin vào thời điểm đó), đồng thời, tầm hoạt động của chúng cũng tương đương với tàu ngầm hạt nhân. với VNEU.
Vào tháng 2022 năm 450, công ty Amprius của Mỹ, hợp tác chặt chẽ với Tesla, đã thông báo bắt đầu cung cấp các tế bào pin lithium-ion với mật độ năng lượng XNUMX W h / kg - với mật độ năng lượng cao nhất trong số các loại pin thương mại hiện nay.
Có thể dễ dàng hình dung khả năng của các tàu ngầm diesel-điện sẽ tăng lên như thế nào sau khi lắp đặt các loại pin như vậy - chúng sẽ vượt trội đáng kể so với các tàu ngầm phi hạt nhân cả về tầm hoạt động và tốc độ dưới nước, cũng như tính dễ vận hành.
Những phát hiện
Có thể dự đoán một cách tự tin rằng sự phát triển của thị trường xe điện, song song với đó là máy bay điện, tàu thủy sẽ dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ lưu trữ năng lượng điện có thể được sử dụng trên các thiết bị quân sự cho nhiều mục đích khác nhau - máy bay không người lái ( UAV), bệ trên mặt đất có động cơ điện toàn phần hoặc một phần, cũng như trên các phương tiện tự hành dưới nước không có người điều khiển (AUV) và tàu ngầm diesel-điện thế hệ mới.
Liên quan đến những điều đã đề cập ở trên, vấn đề phát triển và sản xuất pin công suất lớn hiện đại ở Nga có thể được coi là một trong những ưu tiên đối với an ninh quốc gia của nước ta.
tin tức