Tecnología naval: Cómo funciona el AIP (propulsión independiente del aire)

Explicado: ¡Cómo funciona la propulsión independiente del aire (AIP)!

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Introducción

Desde que los submarinos se convirtieron en el arma principal de la guerra naval, los diseñadores se han centrado en hacerlos más silenciosos y aumentar su resistencia bajo el agua. Los submarinos diesel-eléctricos tradicionales necesitan emerger con frecuencia para cargar sus baterías y tener una resistencia bajo el agua de solo unos pocos días. A medida que la tecnología de la batería mejoró, la resistencia de estos submarinos aumentó proporcionalmente. Pero no fue suficiente para durar más de una semana. La introducción de la propulsión independiente del aire (AIP), mejoró enormemente la resistencia submarina de estos submarinos y les dio una clara ventaja.

Esa es la razón por la que vemos una gran cantidad de marinas haciendo cola para comprar o construir submarinos con sistemas AIP. La mejor parte es que la tecnología AIP se puede instalar en submarinos existentes de generaciones anteriores insertando una nueva sección de casco durante una actualización. Este artículo tratará el funcionamiento, las ventajas, las desventajas y la aplicación de AIP en submarinos modernos.

Submarinos Diesel-Eléctricos

Como su nombre indica, los submarinos diesel-eléctricos funcionan con diesel y electricidad. Tienen una gran red de baterías que son cargadas por el generador diesel. Practican snorkel, lo que significa que viajan justo debajo de la superficie del agua con el periscopio y el tubo de escape del generador diesel sobre la superficie del agua. Una vez que cargan sus baterías, se sumergen en el océano y funcionan silenciosamente con la energía de la batería con los generadores diesel apagados. Después de funcionar durante unos días bajo el agua, la batería se agota y estos submarinos deben salir a la superficie nuevamente para recargar sus baterías. Los submarinos diesel-eléctricos también se conocen como SSK (Sub Surface Hunter-Killer) por designación naval de los EE. UU. O popularmente llamados diésel.


Un submarino diesel-eléctrico en superficie


Un submarino submarino diesel-eléctrico usando el snorkel.

¿Por qué necesitamos AIP?

Mientras están bajo el agua, las baterías a bordo alimentan la hélice y otros sistemas eléctricos a bordo del submarino. Estas baterías se agotan en un plazo de 4 a 5 días y la batería necesita recargarlas. Esto se hace mediante esnórquel, lo que los expone a la detección por radares enemigos y los convierte en un blanco fácil para los activos antisubmarinos hostiles. Aunque los snorkels modernos están recubiertos con pintura absorbente de radar y tienen una forma sigilosa, aún son detectables por los radares de alta resolución. También hay sensores llamados rastreadores diesel que pueden detectar las emisiones de escape de los generadores diesel de los submarinos mientras bucean. Un submarino que necesita emerger todos los días, pierde su elemento de sorpresa y aumenta su vulnerabilidad a los activos antisubmarinos hostiles.

Por lo tanto, necesitamos un sistema que permita a los submarinos diesel-eléctricos recargar sus baterías sin hacer funcionar sus motores. Esto les permitirá continuar navegando bajo el agua y retener el elemento sorpresa al no ser detectados. El sistema también debe permitir que los SSK retengan sus firmas de ruido extremadamente bajo y no debe comprometer el rendimiento del submarino. El sistema que permite todo esto es la propulsión independiente del aire (AIP).

Aunque los submarinos nucleares ofrecen una resistencia y velocidad mucho mejores, no son adecuados para las aguas litorales poco profundas y la mayoría de las armadas no pueden permitirse construirlos y mantenerlos, ya que son muy caros. Además, los submarinos diesel tienen la ventaja de poder apagar sus motores por completo y esperar a diferencia de los submarinos nucleares cuyos reactores no pueden apagarse a voluntad. Esto, combinado con la naturaleza ultra silenciosa de los submarinos diesel modernos, ha hecho que los submarinos equipados con AIP sean una alternativa muy atractiva para muchos países. Muchos países están operando submarinos nucleares y diésel por sus respectivas ventajas. Las armadas que desean operar submarinos no nucleares con una carga útil de armas de gran alcance y de largo alcance ahora son una opción para los grandes submarinos diesel equipados con AIP, que proporcionan la alternativa más cercana a los submarinos de propulsión nuclear. Algunos ejemplos son la clase Soryu de Japón, el Tipo 216 desarrollado por Alemania y el Shortfin Barracuda de Francia, que será operado por Australia.

Trabajando

Antes de que podamos entender el funcionamiento de los sistemas AIP, debemos comprender el significado de algunos términos de ingeniería.

Motor de ciclo cerrado: un motor térmico en el que la sustancia de trabajo circula continuamente y no necesita reposición.

Turbina de vapor: un tipo de turbina en la que se utiliza un chorro de vapor de alta velocidad para girar las palas de la turbina, que a su vez gira el eje. El eje se puede conectar a un alternador para generar electricidad o a una hélice para mover un barco / submarino.

Fluido de trabajo: es un gas o fluido a presión que se utiliza para absorber / transmitir energía en un sistema termodinámico.

Lavado: El proceso de eliminar ciertos gases del escape mediante el uso de productos químicos apropiados en un lavador.

Los tipos de sistemas AIP son

• Motores Diesel de Ciclo Cerrado
• Turbinas de vapor de ciclo cerrado
• Motores de ciclo Sterling
• Celdas de combustible

Motores Diesel de Ciclo Cerrado

Esta tecnología implica almacenar un suministro de oxígeno en el submarino para hacer funcionar un motor diesel mientras está sumergido. El oxígeno líquido (LOX) se almacena en tanques a bordo del submarino y se envía al motor diesel para su combustión. Como necesitan simular la concentración de oxígeno atmosférico para que los motores funcionen de manera segura sin sufrir daños, el oxígeno se mezcla con un gas inerte (generalmente argón) y luego se envía al motor. Los gases de escape se enfrían y se frotan para extraer cualquier resto de oxígeno y argón de ellos y los gases restantes se descargan en el mar después de ser mezclados con agua de mar. El argón que se extrae del escape se envía nuevamente al motor diesel después de ser mezclado con oxígeno.

El principal desafío con esta tecnología es el almacenamiento de oxígeno líquido de manera segura a bordo de los submarinos. Los submarinos soviéticos que utilizaron esta tecnología durante la década de 1960 descubrieron que eran muy propensos a los incendios y posteriormente descontinuaron su uso. Por lo tanto, no se prefiere el AIP diesel de ciclo cerrado para los submarinos modernos, aunque es relativamente más barato y simplifica la logística mediante el uso de combustible diesel estándar.

Turbinas de vapor de ciclo cerrado

Las turbinas de vapor utilizan una fuente de energía para calentar agua y convertirla en vapor para hacer funcionar la turbina. En los submarinos de propulsión nuclear, los reactores proporcionan el calor para convertir el agua en vapor. Pero en la propulsión de vapor de ciclo cerrado convencional, se utiliza una fuente de energía no nuclear para hacer lo mismo. El MESMA francés (Módulo d'Energie Sous-Marine Autonome / Autonomous Submarine Energy Module) es el único sistema disponible y utiliza etanol y oxígeno como fuentes de energía. La combustión de etanol y oxígeno a alta presión se utiliza para generar vapor. El vapor generado es el fluido de trabajo y se utiliza para hacer funcionar la turbina. La combustión a alta presión permite que el dióxido de carbono de escape sea expulsado al mar a cualquier profundidad sin utilizar un compresor.


MESMA AIP

La ventaja de MESMA es su mayor potencia de salida en comparación con las alternativas que permiten mayores velocidades bajo el agua, pero su mayor inconveniente es su menor eficiencia. También se dice que la tasa de consumo de oxígeno es muy alta y estos sistemas son muy complejos. Estos inconvenientes hacen que varias armadas opten por el ciclo de ley y las alternativas de pila de combustible.

Motores de ciclo Sterling

Un motor Sterling es un motor de ciclo cerrado con un fluido de trabajo que está permanentemente contenido en el sistema. Se utiliza una fuente de energía para calentar este fluido de trabajo, que a su vez mueve los pistones y hace funcionar el motor. El motor está acoplado a un generador, que genera electricidad y carga la batería. La fuente de energía utilizada aquí es típicamente LOX como oxidante y combustible diesel, que se quema para generar calor para el fluido de trabajo. El escape se lava y se libera al agua de mar.


Sterling AIP por Saab

Un motor Sterling (derecha) y el módulo de complemento que se va a adaptar a los subs existentes (izquierda)

La ventaja de usar motores Sterling es la fácil disponibilidad de combustible diesel y los bajos costos de reabastecimiento de combustible en comparación con las pilas de combustible. También son más silenciosos que MESMA y, por lo tanto, los japoneses los prefieren para su clase Soryu, Suecia para su clase Gotland y Västergötland y China para su clase Yuan.

El principal inconveniente es que son relativamente ruidosos en comparación con las pilas de combustible debido a la presencia de una gran cantidad de piezas móviles. También son voluminosos en comparación con las pilas de combustible. La profundidad operativa de un submarino que utiliza Sterling AIP está limitada a 200 m cuando AIP está activado.

Celdas de combustible

Una pila de combustible es un dispositivo que convierte la energía química en electricidad. Esto se hace usando un combustible y un oxidante. Una celda de combustible típica convierte el hidrógeno (combustible) y el oxígeno (oxidante) en electricidad, liberando agua y calor como subproductos. Esto se realiza mediante una celda electrolítica que consta de dos electrodos, uno positivo (ánodo) y otro negativo (cátodo), separados por una barrera electrolítica. La reacción entre el cátodo y el ánodo produce una corriente eléctrica, que se utiliza para cargar las baterías. Se usa un catalizador químico para acelerar las reacciones.


Una celda de combustible Siemens PEM

Las celdas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) y las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) se utilizan actualmente en submarinos. Se dice que Alemania es el líder mundial en el desarrollo y aplicación de este tipo de AIP, que está respaldado por la gran cantidad de pedidos de exportación que han recibido. Francia está desarrollando una nueva generación de Fuel Cell AIP como sucesora de su MESMA. India es otro país que está desarrollando un AIP Fuel Cell para integrarse en sus submarinos.


Funcionamiento de una celda de combustible PEM

Las celdas de combustible son la tecnología AIP más avanzada y preferida en la actualidad. Esto se debe a las principales ventajas que ofrecen en sigilo y generación de energía. Contribuyen a la sigilo del submarino ya que las pilas de combustible casi no tienen partes móviles, lo que reduce significativamente la firma acústica del submarino. Las pilas de combustible pueden alcanzar una eficiencia de más del 80% en determinadas circunstancias. También se pueden escalar fácilmente en tamaños grandes o pequeños dependiendo del desplazamiento del submarino. Esto es más fácil que desarrollar diferentes sistemas para cada clase de submarino. Las celdas de combustible de hidrógeno también son muy amigables con el medio ambiente ya que no generan gases de escape, lo que a su vez elimina la necesidad de contar con maquinaria especial de lavado y eliminación de gases de escape. El único inconveniente es que son caros y complejos.

Ventajas del AIP

El uso de AIP en un submarino diesel-eléctrico aumenta en gran medida su resistencia bajo el agua, lo que les permite permanecer continuamente sumergidos durante semanas sin salir a la superficie. Aunque el submarino eventualmente necesita salir a la superficie para cargar sus baterías y su resistencia no está a la par con los submarinos de propulsión nuclear, el gran aumento de resistencia ofrecido por AIP les da una ventaja sobre los submarinos diesel-eléctricos no equipados con AIP. Sin embargo, AIP no ofrece ninguna otra ventaja que no sea una mayor ventaja subacuática y no se debe suponer que los submarinos equipados con AIP siempre derrotarán a sus contrapartes no equipadas con AIP.

En abril de 2006, un submarino de la Armada alemana U-32, equipado con una celda de combustible de hidrógeno comprimido de membrana de intercambio de protones (PEM) de Siemens, realizó un viaje submarino ininterrumpido de 2800 km sin superficie / snorkel. Esto está en marcado contraste con los submarinos no equipados con AIP que pueden cubrir solo 500-800 km antes de que tengan que salir a la superficie y recargar sus baterías haciendo funcionar generadores diesel ruidosos. Comparativamente, ¡un submarino de propulsión nuclear tiene resistencia submarina ilimitada!



Unterseeboot U-32 de la Armada Alemana

¡De nuevo en 2013, el U-32 estableció un récord al viajar bajo el agua continuamente durante 18 días sin salir a la superficie! Comparativamente, un submarino diesel no AIP tiene una resistencia bajo el agua de solo 4-6 días antes de que tenga que salir a la superficie. Esto demuestra que los submarinos diesel-eléctricos equipados con AIP son mucho más capaces que sus contrapartes no equipadas con AIP cuando se trata de resistencia.

Uso de AIP en todo el mundo

A partir de 2016, los siguientes países han desarrollado sus propios sistemas AIP para ser instalados en submarinos.

Alemania - Pila de combustible
Suecia - Stirling
Japón - Stirling
Francia - MESMA
España - Pila de combustible
India - Pila de combustible
Rusia - Pila de combustible
República Popular de China - Stirling

Limitaciones del AIP

• Además de las pilas de combustible, las 3 tecnologías restantes tienen muchas partes móviles que generan ruido. Esto no es deseable ya que la tranquilidad es muy esencial para todos los submarinos. Entonces, al usar los sistemas Stirling, MESMA y CCD AIP, los submarinos sacrificarán parte de su sigilo para obtener resistencia adicional.
• A pesar de que AIP de celdas de combustible tiene muchas ventajas, es extremadamente costoso adquirirlas y mantenerlas.
• Los submarinos que usan AIP necesitan navegar a velocidades de menos de 10 niudos para lograr una resistencia excepcional de 14-18 días como se anuncia. En comparación, un submarino de propulsión nuclear puede viajar una distancia ilimitada a 30-35 nudos sin sacrificar la resistencia. Por lo tanto, los submarinos equipados con AIP no pueden reemplazar a los submarinos nucleares cuando se trata de aguas azules u operaciones de períodos prolongados.

Escemario de combate

La ventaja que ofrece el aumento de la resistencia submarina se puede utilizar para "emboscar" una flota que se aproxima. En uno de esos escenarios, un submarino equipado con AIP puede deambular cerca de un estrecho, esperando que se acerque su objetivo. El submarino funcionará a velocidades ultra silenciosas de 2-4 nudos durante varias semanas y luego atacará al objetivo cuando aparezca, usando sus torpedos. Aunque un submarino no equipado con AIP puede hacer lo mismo, su período de espera, que es muy esencial para una emboscada submarina, es significativamente menor.

En otro escenario, un submarino equipado con AIP puede deambular cerca del territorio enemigo durante mucho más tiempo en comparación con un submarino que no es AIP. Por lo tanto, en esta situación en la que se reúne inteligencia y se realizan misiones de espionaje, AIP les da a estos silenciosos submarinos diesel una ventaja al permitirles merodear durante semanas sin la necesidad de salir a la superficie.

Conclusión

Lo que hay que recordar sobre AIP es que solo porque un submarino está equipado con esa tecnología, no necesariamente los usará en cada despliegue. Durante las patrullas regulares o en territorio amigo, un submarino equipado con AIP buceará a menudo para recargar sus baterías. Solo cuando se despliegue operacionalmente hará uso de AIP para aumentar su resistencia bajo el agua. Esto se debe a que la mayoría de los combustibles, oxidantes y otros consumibles utilizados en AIP son bastante caros y no sería económico reponerlos mensualmente.

La capacidad y fiabilidad de las baterías está aumentando debido a la extensa investigación que se realiza en ese campo. Las diversas tecnologías AIP mencionadas también verán una mejora a gran escala en las capacidades. Estas dos tecnologías combinadas permitirán que los submarinos del futuro equipados con AIP permanezcan bajo el agua durante meses y los conviertan en submarinos pseudo-nucleares. Esta tecnología tiene un futuro brillante y veremos que más armadas modernas la adoptan para sus flotas submarinas diesel-eléctricas.