SeaRobotics

🇷🇺 Подводная археология. Экспедиции. Россия

11 августа стартовала экспедиция "Фарватер Истории" на Волге

Организаторы - Гидрографическая служба Каспийской флотилии и Институт океанологии им. Ширшова РАН.

В составе экспедиции - малое гидрографическое судно ГС 599 и большой гидрографический катер БГК 160 и малый гидрографический катер МГК-423 (отряд судов 43-го района гидрографической службы КФл).

В распоряжении участников похода - оборудование, находящееся на оснащении гидрографических судов: многолучевой эхолот SeaBat 7125, гидролокаторы бокового обзора, магнитометр, антенна глобальной навигационной спутниковой системы «Комета», ТНПА «Гном», батометр, сети для отбора проб и другие приборы.

Маршрут экспедиции: Астрахань - село Ступино (Черноярского района) - Астрахань (почти 600 км). Планируется искать корабли и суда, затопленные во время 2-й мировой войны, а также проводить экологические исследования - изучить гидрографический режим Волги, оценить рельеф рыбозимовальных ям. В работе участвуют студенты-практиканты Астраханского технического университета и Каспийского института морского и речного транспорта.

► SeaRobotics в Telegram | на RoboTrends | в Max

(14) Обзор энергетических технологий для необитаемых подводных аппаратов

4.4. Технология сбора энергии окружающей среды

Технология сбора энергии окружающей среды направлена на использование тепловой, световой и механической энергии океана для осуществления парадигмального сдвига от «переносимой энергии» к «пополнению in situ». Хотя теоретически она обеспечивает бесконечную автономность, прерывистость энерговыделения и чрезвычайно низкая удельная мощность ограничивают её возможность использования в качестве основного источника движения [16,38].

Тепловые двигатели плавучести на основе фазопереходных материалов могут извлекать энергию из перепадов температур (около 24,2 кДж за цикл), однако строгие модели энергетического баланса выявляют жёсткие критические условия: глубина погружения должна превышать 900 м, а скорость должна строго контролироваться [39,40,41]. Это означает, что для сбора энергии аппарат должен быть привязан к определённым медленным глубоководным профилям, теряя тем самым способность выполнять быстрые манёвренные миссии [42,43,44].

Для сбора солнечной энергии ранние конструкции типа «летающее крыло» увеличивали площадь приёма света, но серьёзно ухудшали гидродинамическую форму, увеличивая сопротивление движению [45].

Развитие гибкой электроники предлагает смягчающее решение этого противоречия; гибкие аморфные кремниевые элементы, способные к конформной интеграции с обтекаемыми прочными корпусами и обладающие лучшей спектральной характеристикой под водой, стали новым направлением развития [46]. Однако, ограниченные пространственно-временной случайностью солнечного света и волн, такие технологии больше подходят в качестве вспомогательных источников энергии для распределённых сенсорных сетей или источников питания «подводных стыковочных станций», а не как основное питание для АНПА.

Технология сбора энергии окружающей среды - это не просто дополнение к энергии, но и инновация в режимах эксплуатации. Её преимущество заключается в теоретической «бесконечной автономности» и возможности пополнения in situ, полностью освобождая от поддержки материнского судна. Однако, ограниченные пространственно-временной неоднородностью морской среды, её узкие места заключаются в прерывистости энерговыделения и чрезвычайно низкой удельной мощности (обычно только ваттного уровня), а длительное развёртывание сталкивается с серьёзными проблемами биообрастания.

Будущее направление развития - не замена основного источника питания, а роль самоподдерживающегося источника энергии для распределённых сенсорных сетей или подводных базовых станций резидента, который способен обеспечивать долгосрочное электроснабжение маломощных узлов за счёт взаимодополнения различных видов энергии (например, ОТЭС + солнечная) [17,47]. (..)

(12) Обзор энергетических технологий для необитаемых подводных аппаратов

4.3. Теплоэнергетические и ядерные технологии

По мере развития АНПА в сторону больших размеров и более высоких скоростей потребность в мощности возрастает экспоненциально. Расчёты Zhao и др. показывают, что при достижении АНПА скорости 32 узла потребность в мощности составляет 1,11 × 10⁵ Вт.

Традиционные электрохимические накопители энергии всё чаще не могут удовлетворять потребностям в мощности таких стратегических платформ, что стимулирует технологическую эволюцию в сторону теплоэнергетики и ядерной энергетики, что одновременно привносит проблемы значительных акустических сигнатур и проблемы ограничений в объёме [14].

Для повышения эффективности преобразования энергии воздухонезависимые энергетические установки переходят от простого движения к парадигме «полигенерации».

На рисунке 4 (см. ниже), представлена безуглеродная полигенерационная система на жидком аммиаке, которая интегрирует рекуперацию холода, крекинг и два пути генерации электроэнергии для одновременного производства холода, электроэнергии, тепла и пресной воды.

Каскадные архитектуры на основе аммиачного топлива теоретически могут обеспечить четырёхкомпонентную генерацию тепла, электроэнергии, холода и пресной воды с общей энергетической эффективностью системы до 38,58 % [37]. Однако инженерная реальность часто не соответствует теоретическим ожиданиям.

Исследования указывают, что для адаптации к ограниченному внутреннему объёму АНПА размеры камер сгорания и теплообменников должны быть значительно уменьшены, что приводит к существенному падению фактической эффективности преобразования (до всего лишь около 16–17 %, из-за неоптимальной термодинамики компактных камер сгорания и миниатюризированных теплообменников, требуемых для интеграции в АНПА) [15].

Кроме того, низкочастотный шум, генерируемый механическими движущимися частями, серьёзно нарушает акустическую скрытность платформы, ограничивая её применение в разведывательных миссиях. (..)

(11) Обзор энергетических технологий для необитаемых подводных аппаратов

4.2. Технология высокоэнергетических химических источников тока

Топливные элементы теоретически обеспечивают автономность, значительно превосходящую аккумуляторные батареи, за счёт разделения модулей энергии и мощности. Однако «бескислородная среда», характерная для подводной обстановки, заставляет систему нести с собой окислители, что делает технологии высокоплотного хранения и замкнутого цикла управления основными недостатками, ограничивающими их инженерную надёжность [33].

Ограниченное полезным объёмом, эффективное размещение или получение окислителей является первоочередной задачей. Современные исследования сосредоточены в основном на двух направлениях: высокоплотное хранение и добыча in situ [34].

🔹 Высокоплотное хранение: По сравнению с хранением в газообразном состоянии под высоким давлением, гидриды металлов несколько уступают в удельной массе, но обеспечивают высокую объёмную плотность и улучшенную безопасность при низком давлении. Они эффективно служат в качестве «функционального балласта», повышая общую эффективность системы за счёт теплового сопряжения с батареей элементов.

🔹 Добыча in situ: Технология "искусственных жабр" пытается воспроизвести биологические механизмы, используя гидрофобные мембраны для извлечения растворённого кислорода непосредственно из морской воды. К сожалению, ограниченная физическими возможностями мембранных материалов, эта технология в настоящее время может обеспечивать только энерговыделение на уровне единиц ватт. Это ограничение по потоку газа жёстко ограничивает область её применения исключительно маломощными глайдерами, не позволяя поддерживать высокоинтенсивные режимы работы крупных АНПА мощностью в киловатты.

В отличие от наземных открытых систем, подводные топливные элементы должны работать в "тупиковом режиме" (dead-ended) или с рециркуляцией, что порождает уникальные проблемы управления материалами. При работе в "тупиковом режиме" накопление продуктов реакции и примесей может приводить к нестабильности характеристик. Хотя введение активных насосных компонентов, таких как рециркуляция выхлопных газов, может смягчить эту проблему, это неизбежно увеличивает механическую сложность и частоту отказов системы.

Количественная оценка на основе байесовских сетей показывает, что это повышенная сложность приводит к экспоненциальному снижению надёжности системы с течением времени миссии (падая примерно до 0,8 через 100 ч из-за повышенной вероятности отказа механических вспомогательных компонентов) [35].

Таким образом, хотя топливные элементы обеспечивают превосходную автономность, их практическое применение зависит от преодоления проблем, связанных с хранением реагентов и работой в замкнутом цикле. Будущие направления развития лежат в построении гетерогенных гибридных силовых архитектур типа «топливный элемент + аккумулятор» и сосредоточении на прорывах в области высокоплотных твердофазных технологий хранения, таких как гидриды металлов, а также адаптивных стратегий водно-теплового управления в замкнутых условиях [11,36]. (..)

(10) 4.1. Технология электрохимического накопления энергии

Литий-ионные аккумуляторы благодаря своим преимуществам в виде отработанной цепочки поставок доминируют в современной подводной энергетике. Однако глубоководные условия высокого давления и низких температур создают серьёзные проблемы для их «макроскопической герметизирующей архитектуры» и «микроскопических механо-электрохимических механизмов сопряжения», вынуждая смещать технические направления от систем с внешним прочным корпусом к системам с внутренней безопасностью [31].

В коммерческих АНПА преимущественно используются замкнутые системы для мелководных применений. Однако для глубоководных миссий, превышающих критический порог в 2000 м, нелинейные потери веса делают жёсткие корпуса неэффективными. Следовательно, исследования смещаются в сторону архитектур с компенсацией давления (например, корпусов, заполненных диэлектрической жидкостью). Как отмечают Li и др., применение такой конструкции, устойчивой к давлению, позволяет снизить системный вес примерно на 18,3 % на глубине 6000 м по сравнению с жёсткими корпусами. Хотя это эффективно смягчает эффект усиления веса, это порождает новые проблемы с гидродинамической эффективностью, поскольку высоковязкое изолирующее масло значительно увеличивает вязкостное сопротивление внутренних движущихся частей.

В то время как системы с компенсацией давления решают макроскопическую проблему веса, прямое приложение гидростатического давления к элементу создаёт уникальные «механо-электрохимические» проблемы. Существующие исследования на основе спектроскопии электрохимического импеданса in situ показывают, что хотя высокое давление изначально может усиливать кинетику диффузии лития, непрерывное воздействие высокого давления со временем превращается в деструктивный фактор при длительных циклах. Это приводит к необратимой деградации ёмкости и нелинейному росту внутреннего сопротивления. Эти потери производительности обусловлены сложными механизмами микроскопического сопряжения, включающими в первую очередь разрушение частиц активного материала и разделительных свойств сепаратора.

Кроме того, глубоководный температурный режим (

(8) Обзор энергетических технологий для необитаемых подводных аппаратов

2.3. Характеристики источников питания

Ограниченные нелинейным сопряжением гидродинамического сопротивления и грузоподъёмности, источники питания одного типа зачастую не могут одновременно удовлетворять двум тактическим показателям АНПА - большой автономности (высокая потребность в энергии) и высокой манёвренности (высокая потребность в мощности). Поэтому, основываясь на характеристиках диаграммы Рагона (см. следующий пост), можно поделить источники энергии на энергоёмкие и мощностные типы. Кроме того, в основе проектирования гибридных энергетических систем должно лежать разумное разделение и согласование.

Энергоёмкие источники характеризуются прежде всего высокой удельной энергией и нацелены на поддержку длительных подводных крейсерских миссий и несение базовой нагрузки системы. Типичными представителями таких источников являются топливные элементы и металло-водные батареи (например, алюминий-водные и магний-водные системы) [12,28]. Топливные элементы за счёт использования высокоплотных химических топлив теоретически обеспечивают автономность, значительно превосходящую аккумуляторные батареи; металло-водные батареи используют морскую воду в качестве окислителя, что значительно снижает массу, переносимую системой. Однако такие источники питания как правило отличает медленная динамическая реакция и ограниченная пиковая выходная мощность, что затрудняет их работу при кратковременных колебаниях нагрузки [29].

Напротив, мощностные источники характеризуются высокой удельной мощностью и быстрой динамической реакцией и используются для покрытия пиковых нагрузок при запуске, разгоне, связи и гидролокационном зондировании. Литий-ионные батареи (особенно мягкие полимерные литиевые батареи) и суперконденсаторы являются типичными представителями таких источников [9]. Хотя из-за механизма интеркаляционных реакций удельная энергия литиевых батарей имеет физические ограничения, их отработанная технология и высокие скорости заряда/разряда делают их незаменимыми буферными источниками питания для АНПА при работе в сложных эксплуатационных режимах [30]. Путём разумного объединения двух типов источников в системной архитектуре можно максимизировать комплексную эффективность системы, минимизируя при этом недостатки каждой из составляющих. (..)

(6) Обзор энергетических технологий для необитаемых подводных аппаратов

Поэтому при оценке эффективности подводных энергетических систем нельзя рассматривать лишь удельную энергию (Вт·ч/кг) на уровне ячеек, но необходимо вводить показатель «системной удельной энергии». Этот показатель охватывает общий вес и объём ячеек, систему управления батареей (СУБ), герметичную конструкцию корпуса и необходимые материалы для компенсации плавучести. Исследования показывают, что с увеличением глубины доля веса герметичной конструкции возрастает экспоненциально, в результате чего системная удельная энергия оказывается значительно ниже значения на уровне ячеек [22].
 
Кроме того, глубоководная среда представляет термодинамическое противоречие «снаружи экстремальный холод, внутри накопление тепла». Температура окружающей среды 0–4 °C замедляет кинетику электрохимических реакций и увеличивает внутреннее сопротивление; и наоборот, во время высокомощных миссий внутреннее теплоизолированное пространство сталкивается с риском накопления тепла. Поэтому комплексная оценочная система должна также учитывать коэффициенты сохранения ёмкости и эффективность отдачи мощности в сложных термодинамических условиях [23].
 
2.2. Классификация системной архитектуры
 
Основываясь на стратегиях адаптации к глубоководному высокому гидростатическому давлению, инженерные архитектуры подводных энергетических систем в основном делятся на две категории: замкнутые системы и системы с компенсацией давления / открытые системы.
 
Замкнутые системы представляют собой энергетические устройства, заключённые в жёсткий прочный корпус и работающие в относительно независимой среде с атмосферным давлением (1 атм). Техническая особенность этой архитектуры заключается в способности обеспечить стандартные условия работы, аналогичные наземным, для внутренних аккумуляторных ячеек и электронных компонентов, тем самым защищая их от высокого давления морской воды на глубине и от воздействия коррозионной среды.
 
Однако применение этой архитектуры в значительной мере ограничено уменьшением соотношения водоизмещения к весу на экстремальных глубинах. Исследования определяют 2000 м как критический порог. Когда глубина превышает это значение, толщина стенки прочного корпуса должна значительно увеличиваться для противостояния гидростатическому давлению, в результате чего вес конструкции занимает доминирующую долю системы. Это приводит к резкому снижению полезной грузоподъёмности и системной удельной энергии. Кроме того, как показано в таблице 1, для систем, требующих выброса продуктов реакции, таких как топливные элементы, замкнутая архитектура требует решения проблемы хранения образующейся воды в ограниченном пространстве корпуса, что увеличивает механическую сложность [24].

► SeaRobotics в Telegram | на RoboTrends | в Max

(3) Обзор энергетических технологий для необитаемых подводных аппаратов

Сталкиваясь с этими физическими пределами, существующие решения в области энергетических технологий ищут компромиссы между удельной энергией, удельной мощностью и безопасностью. Электрохимическое накопление энергии (особенно литий-ионные батареи) благодаря своей зрелой производственной цепочке и быстрой динамической характеристике установило своё текущее доминирование. Однако, ограниченные механизмом интеркаляционных реакций, удельная энергия ячеек приближается к теоретическому пределу, и после учёта герметичного корпуса системная удельная энергия часто значительно снижается до 100–150 Вт·ч/кг [9,10].

В качестве альтернативы, можно назвать высокоэнергетические химические источники тока (такие как топливные элементы), которые теоретически могли бы обеспечить автономность, значительно превышающую ту, что дают литиевые батареи, за счёт разделения блоков накопления энергии и генерации. Однако отсутствие атмосферного кислорода под водой заставляет такую систему брать с собой окислители, а эффективное хранение окислителей и вопросы водно-теплового управления в закрытых режимах работы серьёзно ограничивают их системную надёжность [11,12,13].

Тепловые и ядерные технологии (такие как двигатели Стирлинга и реакторы с тепловыми трубами) обеспечивают очень высокий энергетический базис, подходящий для крупных тяжелонагруженных платформ, но их механические шумы ухудшают скрытность АНПА, а высокие затраты и риски ядерной безопасности ограничивают их широкое применение [14,15].

Технологии сбора энергии окружающей среды, такие как океанская тепловая энергия и энергия волн, нацелены на достижение «бесконечной автономности», но прерывистость и стохастичность их энерговыделения затрудняют их использование в качестве основного движителя, делая их пригодными только для маломощных глайдеров или в качестве вспомогательных источников энергии [16,17].

Хотя количество исследований в области подводной энергетики в последние годы растет экспоненциально, существующие обзорные статьи в основном ограничены каким-либо одним техническим аспектом. Например, часть литературы сосредоточена только на микроскопической модификации материалов электродов, игнорируя влияние глубоководного давления на макроскопические герметизирующие конструкции; другие работы фокусируются на алгоритмическом моделировании стратегий управления энергией (EMS), но не учитывают сложные гидродинамические условия и физические ограничения.

Настоящая статья ставит целью интеграцию знаний из материаловедения, гидродинамики и теории управления. Она представляет всесторонний обзор энергетических технологий подводных аппаратов. (..)

► SeaRobotics в Telegram | на RoboTrends | в Max

🎓 Наука. Энергетические технологии для подводных аппаратов

Обзор энергетических технологий для необитаемых подводных аппаратов

Решил для вас в развитие темы энергетических технологий сделать более подробный пересказ публикации авторов: Чжихао Линь, Дэнхуэй Цинь, Цяогао Хуан, Хуншэн Дун и Гуан Пань, Северо-Западный политехнический университет, Сиань, Китай. Источник: https://doi.org/10.3390/en19030592
Публикация будет в виде цепочки постов.

Аннотация

В качестве ключевых платформ для длительного исследования океана, автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА) играют всё более важную роль в морских съёмках и стационарном наблюдении. Однако в экстремальных глубоководных условиях их энергетические системы сталкиваются с серьёзными ограничениями, налагаемыми гидростатическим давлением и термодинамическими противоречиями в стеснённых объёмах. Поэтому разработка энергетических технологий с высокой удельной энергией, внутренней безопасностью и приспособленностью к высокому давлению имеет первостепенное значение.

В данной работе представлен всесторонний обзор проблем многофизического сопряжения в глубоководных энергетических системах и современных исследований в области текущих основных глубоководных энергетических технологий.

На основе источников энергии и принципов преобразования существующие технологические пути классифицированы на 4 категории с подробной оценкой их характеристик и ограничений в глубоководных условиях.

В заключение в статье обозначены основные направления будущего развития глубоководных энергетических систем с целью предоставить справочную информацию для последующих исследований.

Ключевые слова: автономные необитаемые подводные аппараты; энергетические системы; многофизическое сопряжение; структурно-энергетическая интеграция; подводный энергетический интернет

1. Введение

Океан, покрывающий 70,8% поверхности Земли, является критической частью экосистемы планеты и содержит огромные богатства, включая биологические и минеральные ресурсы. Он представляет собой новый рубеж для человечества в решении проблем дефицита ресурсов, изменения климата и национальной безопасности. Для эффективного исследования этой сложной и суровой среды различные подводные аппараты, включая обитаемые аппараты, ТНПА и АНПА, нашли широкое применение в таких областях, как морской экологический мониторинг, картирование рельефа дна и обслуживание подводной инфраструктуры [1,2].

В условиях современной стратегической концепции «Умного океана» АНПА как основные носители для глубоководных исследований и операций претерпевают глубокую трансформацию парадигмы выполнения задач: эволюционируя от раннего режима «кратковременных, прибрежных, одиночных съёмок» (например, экспериментальное применение SPURV в 1957 году) к сложному режиму «всеглубинных, трансокеанских и кластерных» операций [3].

АНПА больше не рассматриваются просто как расходуемые средства обнаружения, но наделяются новой ролью интеллектуальных узлов, способных к «длительному функционированию в среде» [4,5]. При выполнении таких задач, как инспекция подводных нефтегазовых трубопроводов, поиск бортовых самописцев или мониторинг гидротермальных источников на срединно-океанических хребтах, АНПА часто должны работать непрерывно в течение недель или даже месяцев. Это требование длительных миссий в сочетании с интеграцией мощных целевых нагрузок, таких как гидролокаторы с синтезированной апертурой и манипуляторы, напрямую обостряет противоречие между энергоснабжением и потреблением. (..)

► SeaRobotics в Telegram | на RoboTrends | в Max

📈 Тренды. Аккумуляторные батареи для подводных беспилотников

Индустрия отказывается от герметичных корпусов

Разработчики глубоководных аппаратов всё чаще отказываются от традиционных герметичных корпусов для аккумуляторных батарей (АКБ). На глубине 2000 метров давление достигает 20 МПа (около 200 атмосфер) и, чем глубже, тем выше давление. В таких условиях металлический корпус, защищающий батарею перестает себя окупать - требуемая толщина стенок начинает доминировать в массе всей системы. Как отмечается в исследовании Northwestern Polytechnical University, опубликованном в журнале Energies, затем наступает "эффект нелинейного увеличения массы": чтобы компенсировать рост массы приходится добавлять ячейки батарей, что требует усиления конструкции, добавления элементов обеспечения плавучести, что добавляет объем и сопротивление - в итоге все это "съедает" эффект добавления ячеек.

В результате удельная энергоемкость литий-ионной ячейки с учетом корпуса, электроники управления и компенсации сокращается до 100-150 Вт.ч/кг. Есть решение - отказ от корпуса в пользу легкой конструкции с компенсацией давления, что может экономить 18.3% массы системы на глубине 6000 м.

Масло или полимер?

Традиционный способ создания бескорпусных батарей - заполнение блока с ячейками диэлектрическим маслом. Жидкость практически не сжимается и передает внешнее давление равномерно, предотвращая локальные деформации.

Канадская Kraken Robotics в своей линейке SeaPower использует запатентованную заливку ячеек и электроники в кремний-органическую полимерную матрицу. Kraken испытала свои изделия под давлением, соответствующим 6000 м. Компания заявляет, что такая герметизация обеспечивает на 200% более высокую энергоемкость и на 46% меньшую массу на кВт.ч по сравнению с масло-компенсированными или корпусными батареями.

Решение Kraken оказалось востребованным - заказчики закупают решения SeaPower, причем несколько производителей АНПА перешли на их использование с других производителей.

Аналогичные разработки ведет General Dynamics Mission Systems с батареей Bluefin мощностью 1.5 кВт.ч на Li-Pol ячейках, устойчивых к давлению и рассчитанных на прямое погружение без корпуса. Компания утверждает, что в эксплуатации находятся уже сотни таких батарей.

Чем приходится платить за решение?

Удаление корпуса не отменяет давления - при длительной гидростатической нагрузке полимерные сепараторы и пористые электроды внутри ячеек деформируются, что приводит к снижению пористости. Меньшая пористость проявляется в росте внутреннего сопротивления. При циклических нагрузках частицы активного материала деформируются и разрушаются, что ускоряет деградацию емкости.

При температурах 0-4°C, электролит литиевых ячеек становится заметно более вязким. В обзоре утверждается, что потенциальная потеря полезной емкости превышает 50%.

При этом, при интенсивной работе (гидролокатор или быстрое движение) тепло, выделяемое батареей, не может быть отведено, поскольку отсек по сути теплоизолирован. Температура может подниматься выше 60°C.

Альтернативы

Вместо хранения электроэнергии можно хранить топливо. Cellula Robotics в начале 2026 года провела испытания AUV Envoy на водородном топливном элементе. Аппарат прошел 2023 км в подводном положении за 385 часов. Аналогичные разработки ведет Пентагон.

В более отдаленной перспективе - применение твердых электролитов, которые достаточно механически жесткие, чтобы противостоять давлению. В теории батарея с твердым электролитом может играть роль несущей конструкции, а не груза, который должен защищать корпус. Но когда такие батареи станут коммерчески доступными пока что не ясно.

Отдельно можно поговорить о металло-водяных батареях, но уже не в этом посте.

► SeaRobotics в Telegram | на RoboTrends | в Max