17 de marzo de 2020
Foto: google.com
En la primera década de marzo, se puso en servicio en Japón el primer submarino no nuclear (NPL) del mundo equipado con baterías de iones de litio. La ceremonia se celebró en Kobe en el astillero de Kobe Shipyard & Machinery Works de Mitsubishi Heavy Industries Corporation, donde se construyó el barco SS 511 Oryu (Reborn Dragon), undécimo en la serie Soryu (Blue Dragon).
Este es un avance en la creación de plantas de energía efectivas para la flota submarina. También se está trabajando en Rusia en esta área. Sin embargo, es demasiado pronto para hablar sobre la introducción del TOC en la producción en masa. Experimentos recientes terminaron trágicamente para la tripulación de la central nuclear AS-31 Losharik en aguas profundas.
Baterías de plomo - al agua
¿Por qué los diseñadores de vehículos submarinos tardan tanto en dominar una tecnología ya existente? Después de todo, las baterías de iones de litio en los electrodomésticos se han utilizado desde 1991, cuando comenzó su producción en masa. Ahora se usan en todos los teléfonos móviles, tabletas, computadoras portátiles, cámaras digitales. Además, comenzaron a introducirse en vehículos eléctricos. Y en todas partes funcionan muy bien. Es cierto, a veces capaz de sorpresas desagradables. Hay casos en que las baterías de los teléfonos inteligentes explotaron. Sin embargo, esto es extremadamente raro. La falla aquí, como regla, es una violación de la disciplina tecnológica en la producción.
"Se probó un prototipo de VNEU en el banco costero, pero los resultados de los marineros no quedaron satisfechos"
La complejidad de introducir nuevas fuentes efectivas en la flota de submarinos se debe a varias razones. Se requiere una energía enorme para darle al barco un desplazamiento de varios miles de toneladas en un entorno con alta resistencia. El ambiente marino ha aumentado la agresividad química. Las baterías están ubicadas en un volumen limitado de la embarcación, donde no es posible el enfriamiento gratuito. Todo esto conduce a un aumento significativo en el riesgo de incendio y explosión.
Sin embargo, los beneficios de usar baterías de iones de litio en lugar de las baterías de plomo-ácido tradicionales son muy significativas. Permiten aumentar la presencia de NAPL bajo el agua en comparación con un submarino diesel-eléctrico convencional de dos a tres veces, y también eliminar grandes corrientes de los electrodos. Debido a esto, el bote puede moverse a alta velocidad durante mucho tiempo durante un ataque o para separarse del enemigo.
Gracias al uso de nuevas baterías, los creadores de la serie Soryu revisaron su concepto a partir del undécimo barco y todos los posteriores. Los primeros diez están instalados en una planta de energía no volátil (VNEU). Se decidió deshacerse de él, ya que las baterías de iones de litio dan tanta energía como VNEU ( "Basura con dinero" ).
Además de las ventajas enumeradas, hay otras. Las baterías de iones de litio no requieren mantenimiento. Se colocan en recintos sellados, por lo que no es necesario controlar la cantidad de electrolito y compensar su pérdida. La autodescarga de las baterías no supera el 1,6 por ciento por mes a 25 grados. Un gran número de ciclos de carga antes de la degradación es 600–700.
Es cierto que hay desventajas. Uno de ellos es de alto costo.
Por lo que le dieron al Nobel
Las propiedades químicas del litio se conocían mucho antes de que apareciera el sistema periódico de los elementos de Mendeleev. Es el agente reductor más fuerte (después del hidrógeno) para los agentes oxidantes más importantes: oxígeno, nitrógeno, flúor. Esto se debe a la capacidad de adjuntar una cantidad récord (en comparación con materiales "competidores") de electrones. Colocado en el electrodo negativo de la batería, el litio proporciona la máxima diferencia de potencial posible con respecto al positivo. Supera los cuatro voltios, mientras que en las baterías de plomo-ácido es de solo 2.15 voltios.
El litio tiene otra propiedad única: un valor bajo récord del equivalente electroquímico. Este parámetro indica la cantidad de sustancia que debe liberarse en el electrodo al pasar una unidad de electricidad. Cuanto más pequeño sea el equivalente electroquímico, mayor será la capacidad de la batería. Los valores de este parámetro en gramos de gramo para diversas sustancias son los siguientes: litio - 6.9, sodio - 23, potasio - 39, zinc - 33, plomo - 104.
Parece que elegir el material adecuado para el electrodo positivo en el que se encuentra el agente oxidante, así como el electrolito, es posible crear experimentalmente una batería de litio. Pero las primeras pruebas, realizadas en los años 70, hundieron a los diseñadores en la desesperación. Resultó que es imposible usar litio en su forma pura. Cuando la batería se descarga y carga repetidamente, el litio se deposita de manera desigual en el electrodo negativo. Relativamente hablando, aparecen "estalactitas", que finalmente se cerraron en el electrodo positivo, lo que a veces condujo no solo a la falla de la batería, sino también a explosiones.
Los experimentos están en un punto muerto. Las reacciones químicas que tienen lugar en una batería de litio son extremadamente complejas, están en la interfaz con los procesos descritos por la física del estado sólido, que se basa en gran medida en modelos probabilísticos. El trabajo de tres químicos realizado en los años 70 y 80 independientemente uno del otro condujo a la creación de baterías viables. Pusieron todo en los estantes, que posteriormente se aprovecharon de los diseñadores de los fabricantes. Como resultado, los tres recibieron el Premio Nobel en 2019. Este es el inglés Michael Stanley Whittingham, el estadounidense John Goodenough (tenía 97 años en el momento del parto) y el japonés Akira Yesino.
Como resultado, la batería de litio se convirtió en iones de litio. Es decir, no fue el metal puro el que comenzó a usarse como material para el electrodo negativo, sino su compuesto químico, que libera iones de litio durante la electrólisis. El grafito se usa como electrodo positivo, el óxido de litio cobalto (LiCoO2) se usa como electrodo negativo. En 1991, Sony comenzó a fabricar baterías de iones de litio bajo la patente de Akira Yesino.
Se pueden usar varias soluciones electrolíticas como sales, así como sólidos descritos por fórmulas químicas complejas. Sin embargo, el agua pura no debe estar presente en ellos, ya que esto puede tener graves consecuencias tanto para las baterías como para el personal de mantenimiento.
Pero la ciencia no se detiene; actualmente se están probando materiales en los que el litio se une a los polímeros.
¿Por qué explotan?
Sin embargo, las baterías de iones de litio, acumuladas en baterías de alta potencia y que proporcionan corrientes de salida elevadas, requieren circuitos de control de carga sofisticados que excluirían la posibilidad de un aumento en procesos catastróficos.
En primer lugar, temen continuar el proceso cuando la batería ya está completamente cargada. En este caso, la "hinchazón" de las cajas de la batería debido a la "ebullición" del electrolito y la violación de su estanqueidad son posibles. Miedo de sobrecarga. Todo esto puede conducir a un sobrecalentamiento de las baterías y luego a un aumento incontrolado de la temperatura similar a una avalancha. Al final, puede llegar a una combustión espontánea y explosiones.
Y apagar ese fuego es una tarea extremadamente difícil. El agua o sus compuestos que contienen solo aumentan la combustión. Porque bajo la influencia del agua sobre las sustancias que ingresan a la batería, se libera hidrógeno. También es poco prometedor restringir el acceso de aire a la fuente de ignición, ya que la reacción también proporciona oxígeno. Resulta un proceso autónomo, poco dependiente de las acciones de la tripulación del submarino.
Esto es lo que, según la versión oficial, sucedió el verano pasado en el vehículo de alta mar de Losharik. Durante el acoplamiento con el submarino madre especial BS-64 "Región de Moscú", se produjo un cortocircuito en la batería. Siguiente - combustión espontánea y explosión. La tripulación trató heroicamente de hacer frente al fuego para evitar que se extendiera a los compartimientos vecinos donde se encontraba el reactor nuclear. Mata a 14 submarinistas.
Química de licitaciones extranjeras
La suposición de que los diseñadores japoneses han resuelto el problema de seguridad de las baterías de iones de litio no es infundada. También tuvieron que equipar el undécimo barco de la serie Soryu con generadores diesel más potentes, ya que la carga se realiza a altas corrientes y en poco tiempo. Esto, a su vez, condujo a la instalación de un tubo de respiración más productivo (tubo retráctil) para aumentar el volumen de suministro de aire de la atmósfera y el escape de escape.
El dragón renacido y todos los barcos posteriores de esta serie pertenecerán a la cuarta generación. Sin embargo, los diez anteriores también se refieren a él, ya que está equipado con VNEU. Uno de los principales requisitos para la transferencia de submarinos no nucleares de la tercera generación a la cuarta es la posibilidad de un aumento significativo en el sigilo debido a estar bajo el agua durante un máximo de dos a cuatro semanas. En un submarino eléctrico diesel convencional, las baterías de plomo-ácido se descargan completamente en dos días, y es necesario flotar para cargar.
El proyecto ruso "Varshavyanka" 636.3 se considera el más silencioso del mundo y, por lo tanto, en Occidente fue apodado el "agujero negro". Y su estación de sonar es bastante efectiva. Sin embargo, atribuirlo a la cuarta generación es imposible. Por lo tanto, perdió varias licitaciones extranjeras importantes para la compra de submarinos nucleares.
Los japoneses, alemanes y franceses ganan. Los barcos con VNEU están en China, en Suecia, muy pronto aparecerán en España. Se basan en varios principios. Los VNEU más populares con un motor Stirling (DS): son producidos por Suecia, Japón, China y con un generador electroquímico (ECG) - Alemania, España, Francia.
DS es un motor térmico, descrito teóricamente y patentado en 1816 por el sacerdote escocés Robert Stirling, y después de 27 años construido por su hijo ingeniero para su uso en la fábrica. El principio de acción del DS se basa en la generación de energía al crear una diferencia de temperatura en el fluido de trabajo - gas. Moviéndose en un volumen cerrado del cilindro, hace el trabajo, empujando el pistón. Si al aire libre se puede crear una diferencia de temperatura al quemar combustible, entonces en un submarino se usa gas licuado para esto, que no participa en ninguna reacción química. Es decir, no es necesario quemar aire.
El ECG es un reactor en el que la electricidad se produce mediante un proceso químico que utiliza catalizadores. Como reactivos, como regla, se utilizan hidrógeno y oxígeno licuado.
VNEU con ECG debería haber estado con Rusia durante mucho tiempo. La creación de la cuarta generación de NAPL del proyecto 677 Lada comenzó en el Rubin Design Bureau en 1987. Hace 33 años! Excluyendo el "desastre" y los apuestos noventa, resulta que al menos dos décadas. "Lada" superó en última instancia a la "Varshavyanka" tanto en el silencio del curso como en las capacidades de la estación hidroacústica. Pero no pasó nada con VNEU.
En Rubin, dieron un paso adelante en la teoría del ECG: propusieron recibir hidrógeno mediante la reforma del combustible diesel y no mantenerlo en forma licuada. Pero en la práctica, no tuvieron mucho éxito. Cuando se lanzó el Lada en 2004, VNEU no estaba en él. En 2010, el barco se puso en operación de prueba en la Flota del Norte con tracción diésel. Se construyó una instalación prototipo, que se probó en el banco de pruebas en tierra. Los resultados no se adaptaron a los marineros: el poder recibido era demasiado pequeño. Hubo otras quejas.
Sin embargo, hay posibilidades de que al final aparezca un VNEU viable. Se están construyendo los barcos en los que podría instalarse: estos son el segundo y tercer Lada: Kronstadt y Great Luke. Deberían ser los primeros submarinos domésticos no nucleares de cuarta generación.
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