بسته شواهد: مقایسه سیستم‌های پیشرانش زیردریایی پیل سوختی، استرلینگ و لیتیوم-یون

در مارس ۲۰۰۹، نیروی دریایی دفاع از خود ژاپن زیردریایی ۴۲۰۰ تنی «سوریو» (Sōryū) را که مجهز به چهار موتور استرلینگ کوکومز بود، به خدمت گرفت. این رویداد یک آستانه در معماری دریایی بود: یک زیردریایی متعارف که می‌توانست تا دو هفته بدون نیاز به بالا آوردن لوله تنفسی (اسنورکل) برای شارژ باتری‌هایش، در زیر آب باقی بماند. موتورهای استرلینگ با سوزاندن سوخت دیزل و اکسیژن مایع در یک محفظه تحت فشار، ۷۵ کیلووات برق تولید می‌کردند در حالی که شناور در زیر لایه حرارتی پنهان می‌ماند.[1][2][4]

این قابلیت که به عنوان پیشرانش مستقل از هوا (AIP) شناخته می‌شود، محاسبات جنگ زیردریایی را به طور اساسی تغییر داد. برای دهه‌ها، تقسیم‌بندی در فناوری زیردریایی دوگانه بود. شناورهای با نیروی هسته‌ای استقامت نامحدود و سرعت بالا ارائه می‌دادند، اما ساخت آن‌ها میلیاردها دلار هزینه داشت. علاوه بر این، همانطور که معماران دریایی اشاره می‌کنند، «بیشتر راکتورهای هسته‌ای دریایی از پمپ‌هایی برای گردش مداوم خنک‌کننده راکتور استفاده می‌کنند که مقداری نویز قابل تشخیص تولید می‌کند.» زیردریایی‌های متعارف دیزل-الکتریک هنگام کار با باتری تقریباً بی‌صدا بودند، اما سلول‌های سرب-اسیدی آن‌ها به سرعت تخلیه می‌شدند.[1]

یک زیردریایی متعارف معمولاً هر ۲۴ تا ۴۸ ساعت یکبار نیاز به بالا آمدن یا بالا کشیدن دکل اسنورکل دارد تا موتورهای دیزلی تنفس‌کننده هوای خود را روشن کند. این دوره شارژ مجدد، که به عنوان «زمان عدم احتیاط» (Indiscretion Time) شناخته می‌شود، شناور را در معرض رادار، دیداری و شناسایی صوتی قرار می‌دهد. سیستم‌های AIP این شکاف را پر می‌کنند. همانطور که در متون فنی اشاره شده است، «AIP می‌تواند سیستم پیشرانش دیزل-الکتریک شناورهای غیرهسته‌ای را تقویت یا جایگزین کند» و به آن‌ها اجازه می‌دهد تا به مدت ۱۴ تا ۲۱ روز با سرعت‌های کروز ۴ تا ۶ گره، مستقل از اکسیژن اتمسفریک کار کنند.[1][2]

مسیرهای مهندسی برای دستیابی به این استقامت به شدت متفاوت است و عمدتاً بین موتورهای احتراق خارجی و پیل‌های سوختی الکتروشیمیایی تقسیم می‌شود. شرکت دفاعی سوئدی ساب کوکومز (Saab Kockums) رویکرد موتور استرلینگ را پیشگام بود و یک بخش بدنه AIP هشت متری را در سال ۱۹۸۸ در زیردریایی HMS Näcken نصب کرد. این سیستم بر یک فرآیند چرخه بسته متکی است که در آن یک گاز عامل، معمولاً هلیوم، به طور متناوب گرم و سرد می‌شود تا پیستون‌ها را به حرکت درآورد.[1][2]

از آنجایی که موتور استرلینگ اکسیژن خالص و سوخت دیزل را در فشاری بالاتر از آب دریا می‌سوزاند، محصولات خروجی می‌توانند در اقیانوس حل شوند بدون نیاز به یک کمپرسور مکانیکی پر سر و صدا. این امر صدای سوپاپ و امضای خروجی مرتبط با موتورهای دیزلی سنتی را حذف می‌کند. در حال حاضر، زیردریایی‌های کلاس A26 Blekinge ساب از این معماری استفاده می‌کنند تا به استقامت زیر آبی بیش از ۱۸ روز با سرعت ۵ گره دست یابند.[2][5]

با این حال، چرخه استرلینگ یک فرآیند مکانیکی باقی می‌ماند. این فرآیند شامل پیستون‌های متحرک، میل‌لنگ‌ها و سیالات در گردش است که ذاتاً مقداری لرزش تولید می‌کنند. در حالی که ساب از پایه‌های جداسازی صوتی پیشرفته برای جلوگیری از انتقال این لرزش‌ها به بدنه استفاده می‌کند، بازده تبدیل انرژی یک موتور استرلینگ معمولاً بین ۲۵٪ تا ۳۵٪ به اوج خود می‌رسد.[1][5]

معماری جایگزین، که توسط سیستم‌های دریایی تیسن‌کروپ آلمان (TKMS) حمایت می‌شود، قطعات متحرک را به طور کامل حذف می‌کند. زیردریایی‌های تایپ ۲۱۲ و تایپ ۲۱۴ از پیل‌های سوختی هیدروژنی برای تولید برق از طریق یک واکنش الکتروشیمیایی استفاده می‌کنند. پیل‌های سوختی با ترکیب اکسیژن مایع ذخیره شده با هیدروژن—که اغلب در سیلندرهای هیدرید فلزی در خارج از بدنه تحت فشار ذخیره می‌شود—جریان الکتریکی مستقیم تولید می‌کنند و آب خالص تنها محصول جانبی آن است.[3][5]

این تبدیل الکتروشیمیایی به نرخ بازدهی ۴۰٪ تا ۶۰٪ دست می‌یابد که به طور قابل توجهی بهتر از احتراق خارجی است. مهم‌تر از آن برای عملیات زیردریایی، عدم وجود حرکت مکانیکی باعث می‌شود که سیستم پیل سوختی عملاً بی‌صدا باشد. زیردریایی تایپ ۲۱۲A، که به طور مشترک برای نیروی دریایی آلمان و ایتالیا توسعه یافته است، از این فناوری استفاده می‌کند تا گشت‌زنی مداوم زیر آبی را بدون گذراهای صوتی که حتی آرام‌ترین موتورهای مکانیکی را نیز آزار می‌دهد، حفظ کند.[1][3][5]

محدودیت عملیاتی پیل‌های سوختی در لجستیک و چگالی انرژی نهفته است. ذخیره‌سازی و مدیریت هیدروژن بسیار دشوار است و نیازمند زیرساخت‌های تخصصی در پایگاه‌های دریایی است. در حالی که یک شناور مجهز به استرلینگ از سوخت دیزل استاندارد دریایی استفاده می‌کند و تنها به ذخیره‌سازی تخصصی اکسیژن مایع نیاز دارد.[2][3]

شواهد نشان می‌دهد که هر دو سیستم جریمه سرعت شدیدی را تحمیل می‌کنند. توان خروجی یک نیروگاه AIP معمولاً تنها حدود ۱۰٪ از خروجی یک موتور دیزل متعارف است—تقریباً ۳۰۰ کیلووات در مقایسه با ۳ مگاوات. در نتیجه، AIP منحصراً برای گشت‌زنی با سرعت پایین و بارهای هتل (Hotel Loads) استفاده می‌شود. اگر یک زیردریایی AIP نیاز به حرکت سریع با سرعت ۲۰ گره برای رهگیری هدف یا فرار از اژدر داشته باشد، باید به بانک‌های باتری اصلی خود روی آورد و آن‌ها را در عرض چند ساعت تخلیه کند.[1][2]

این محدودیت باعث تسریع یک تغییر فناوری سوم شده است که تهدید می‌کند AIP سنتی را به طور کامل دور بزند: ادغام باتری‌های لیتیوم-یون. در سال ۲۰۱۸، ژاپن زیردریایی «اوریو» (Ōryū)، یازدهمین زیردریایی کلاس سوریو، و اولین زیردریایی را که هم سیستم AIP استرلینگ و هم باتری‌های سرب-اسیدی سنتی را با آرایه‌های عظیم لیتیوم-یون جایگزین کرد، به آب انداخت.[4]

فناوری لیتیوم-یون دو برابر چگالی انرژی سلول‌های سرب-اسیدی را ارائه می‌دهد و می‌تواند با نرخ‌های بسیار بالاتری شارژ شود. این امر به زیردریایی اجازه می‌دهد تا زمان عدم احتیاط اسنورکلینگ خود را به شدت کاهش دهد در حالی که انرژی کافی برای مطابقت با استقامت زیر آبی دو تا سه هفته‌ای سیستم استرلینگ یا پیل سوختی را ذخیره کند. علاوه بر این، برخلاف سیستم‌های AIP، باتری‌های لیتیوم-یون می‌توانند انرژی خود را به سرعت تخلیه کنند و به زیردریایی اجازه می‌دهند تا حرکت‌های سریع با سرعت بالا را برای مدت زمان بسیار طولانی‌تری حفظ کند.[4][5]

این گذار در حال شتاب گرفتن است. زیردریایی‌های بعدی کلاس تایگی (Taigei) ژاپن منحصراً به موتورهای دیزل و باتری‌های لیتیوم-یون متکی هستند و معماری AIP استرلینگ را به طور کامل کنار می‌گذارند. داده‌ها نشان می‌دهد که در حالی که پیل‌های سوختی مطلقاً کمترین امضای صوتی را ارائه می‌دهند، بازده حجمی آرایه‌های لیتیوم-یون یک پروفایل عملیاتی متنوع‌تر را برای نیروی دریایی‌هایی که هم به پنهان‌کاری و هم به قابلیت مانور با سرعت بالا نیاز دارند، فراهم می‌کند.[4][5]

پیامد استراتژیک این فناوری‌ها، گسترش پلتفرم‌های ممانعت از دسترسی دریایی بسیار توانمند و محلی است. یک زیردریایی متعارف مجهز به AIP پیشرفته یا باتری‌های لیتیوم-یون تقریباً ۵۰۰ میلیون تا ۸۰۰ میلیون دلار هزینه دارد، که کسری از برچسب قیمت ۳ میلیارد دلاری یک زیردریایی تهاجمی با نیروی هسته‌ای است.[1][5]

برای کشورهایی که در محیط‌های ساحلی محدود فعالیت می‌کنند—مانند دریای بالتیک، مدیترانه یا زنجیره جزایر اول—این شناورها یک تهدید نامتقارن را به نمایش می‌گذارند. آن‌ها می‌توانند هفته‌ها در بستر دریا خاموش بمانند یا با سرعت ۴ گره گشت‌زنی کنند، در حالی که نویز کمتری از پس‌زمینه محیط اقیانوس ساطع می‌کنند و منتظر عبور یک هدف با ارزش بالا از افق صوتی خود می‌مانند.[1][5]

مسیر پیشرانش غیرهسته‌ای اکنون توسط ذخیره‌سازی انرژی تعریف می‌شود تا تولید انرژی. همانطور که شیمی باتری‌ها به بهبود خود ادامه می‌دهد، پیچیدگی مکانیکی موتورهای استرلینگ و بار لجستیکی پیل‌های سوختی هیدروژنی ممکن است AIP سنتی را به یک فناوری گذرا تبدیل کند که شکاف بین گذشته سرب-اسیدی و آینده‌ای کاملاً حالت جامد را پر کند.[4][5]