Tecnología naval: ¿Cómo funciona el AIP?

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

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 diésel-eléctricos tradicionales necesitan salir a la superficie con frecuencia para cargar sus baterías y tienen una resistencia bajo el agua de sólo unos pocos días. A medida que mejoró la tecnología de las baterías, 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 bajo el agua de estos submarinos y les dio una clara ventaja.

Esa es la razón por la que vemos un gran número de armadas 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 del casco durante una modernización. Este artículo abordará el funcionamiento, las ventajas, las desventajas y la aplicación del AIP en los submarinos modernos.

Submarinos diésel-eléctricos

Como su nombre indica, los submarinos diésel-eléctricos funcionan con diésel y electricidad. Disponen de una amplia red de baterías que se cargan mediante el generador diésel. Hacen  snorkel , es decir, viajan justo debajo de la superficie del agua con el periscopio y el tubo de escape del generador diésel por encima de 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 diésel apagados. Después de funcionar durante unos días bajo el agua, la batería se agota y estos submarinos tienen que salir a la superficie nuevamente para recargar sus baterías. Los submarinos diésel-eléctricos también se conocen como SSK (Sub Surface Hunter-Killer) por la designación naval de los EE. UU. o popularmente se les llama diésel.
  Un submarino diésel-eléctrico emergido

Un submarino diésel-eléctrico para hacer 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 4-5 días y el submarino necesita recargarlas. Esto se hace haciendo snorkel , lo que los expone a la detección de radares enemigos y los convierte en un blanco fácil para los activos antisubmarinos hostiles. Aunque los snorkels modernos están recubiertos con pintura que absorbe los radares y tienen una forma discreta, siguen siendo detectables por radares de alta resolución. También hay sensores llamados rastreadores diésel que pueden detectar las emisiones de escape de los generadores diésel del submarino mientras se practica snorkel. Un submarino que necesita salir a la superficie todos los días pierde su elemento sorpresa y aumenta su vulnerabilidad frente a los activos antisubmarinos hostiles.

Por lo tanto, necesitamos un sistema que permita a los submarinos diésel-eléctricos recargar sus baterías sin hacer funcionar sus motores. Esto les permitirá seguir navegando bajo el agua y conservar el elemento sorpresa al pasar desapercibidos. El sistema también debería permitir que los SSK conserven su nivel de ruido extremadamente bajo y no debería comprometer el rendimiento del submarino. El sistema que permite todo esto es la Propulsión Independiente del Aire (AIP).

Aunque los submarinos nucleares ofrecen resistencia y velocidad mucho mejores, no son adecuados para las aguas litorales poco profundas y la mayoría de las armadas no pueden permitirse el lujo de construirlos y mantenerlos porque son muy caros. Además, los submarinos diésel tienen la ventaja de poder apagar completamente sus motores y permanecer al acecho, a diferencia de los submarinos nucleares cuyos reactores no se pueden apagar a voluntad. Esto, combinado con la naturaleza ultra silenciosa de los submarinos diésel modernos, ha convertido a los submarinos diésel equipados con AIP en una alternativa muy atractiva para muchos países. Muchos países están operando submarinos de propulsión nuclear y diésel por sus respectivas ventajas. Las armadas que desean operar submarinos no nucleares con carga útil de armas grandes y de largo alcance ahora tienen la opción de grandes submarinos diésel equipados con AIP, que brindan 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.

LABORAL

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

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

Turbina de vapor : tipo de turbina en la que se utiliza un chorro de vapor de alta velocidad para hacer girar las palas de la turbina, que a su vez hace girar 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 presurizado que se utiliza para absorber/transmitir energía en un sistema termodinámico.

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

Los tipos de sistemas AIP son

• Motores diésel de ciclo cerrado
• Turbinas de vapor de ciclo cerrado
• Motores de ciclo esterlina
• Celdas de combustible

Motores diésel de ciclo cerrado

Esta tecnología implica almacenar un suministro de oxígeno en el submarino para hacer funcionar un motor diésel mientras está sumergido. El oxígeno líquido (LOX) se almacena en tanques a bordo del submarino y se envía al motor diésel para su combustión. Dado que necesitan simular la concentración de oxígeno atmosférico para que los motores funcionen de forma segura sin sufrir daños, el oxígeno se mezcla con un gas inerte (normalmente argón) y luego se envía al motor. Los gases de escape se enfrían y se lavan para extraer el oxígeno y el argón sobrantes y los gases restantes se descargan al mar después de mezclarlos con agua de mar. El argón que se extrae del escape se envía nuevamente al motor diésel después de mezclarlo con oxígeno.

El principal desafío  de esta tecnología es el almacenamiento seguro de oxígeno líquido a bordo de los submarinos. Los submarinos soviéticos que utilizaron esta tecnología durante la década de 1960 descubrieron que eran muy propensos a sufrir incendios y posteriormente dejaron de utilizarlos. Por lo tanto, el AIP diésel de ciclo cerrado no es el preferido para los submarinos modernos, aunque es comparativamente más barato y simplifica la logística mediante el uso de combustible diésel 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 calor para convertir el agua en vapor. Pero en la propulsión a vapor de ciclo cerrado convencional, se utiliza una fuente de energía no nuclear para hacer lo mismo. El MESMA francés (Module d'Energie Sous-Marine Autonome / Módulo de energía submarina autónoma) es el único sistema de este tipo 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 expulsar el dióxido de carbono de escape al mar a cualquier profundidad sin necesidad de 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 principal 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 alternativas de ciclo de libra esterlina y pilas de combustible.

Motores de ciclo Sterling

Un motor Sterling es un motor de ciclo cerrado con un fluido de trabajo contenido permanentemente 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 suele ser LOX como oxidante y combustible diésel , que se quema para generar calor para el fluido de trabajo. Luego, los gases de escape se lavan y se liberan al agua de mar.



AIP Sterling de Saab
  Un motor Sterling (derecha) y el módulo de complemento que se adaptará a los subs existentes (izquierda)

La ventaja de utilizar motores Sterling es la fácil disponibilidad de combustible diésel y los bajos costes de repostaje en comparación con las pilas de combustible. También son más silenciosos que MESMA y, por lo tanto, los prefieren los japoneses para su clase S oryu , Suecia para su clase Gotland y  Västergötland y China para su clase Yuan .

El principal inconveniente es que son relativamente ruidosas 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 pila de combustible típica convierte hidrógeno (combustible) y 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 utiliza un catalizador químico para acelerar las reacciones.

 
Una pila de combustible PEM de Siemens

Las pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) y las pilas 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 la implantación de este tipo de AIP, lo que está respaldado por el gran número de pedidos de exportación que ha recibido. Francia está desarrollando un AIP de pila de combustible de nueva generación como sucesor de su MESMA. India es otro país que está desarrollando un AIP de pila de combustible para integrarlo en sus submarinos.


 
Funcionamiento de una pila de combustible PEM

Las pilas de combustible son la tecnología AIP más avanzada y preferida en la actualidad. Esto se debe a las principales ventajas que ofrecen en cuanto a sigilo y generación de energía. Contribuyen al 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 superior al 80% en determinadas circunstancias. También se pueden escalar fácilmente a tamaños grandes o pequeños dependiendo del desplazamiento del submarino. Esto es más fácil que desarrollar diferentes sistemas para cada clase de submarino. Las pilas de combustible de hidrógeno también son muy respetuosas 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 eliminación y depuración 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, permitiéndoles permanecer sumergidos continuamente 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 la de los submarinos de propulsión nuclear, el gran aumento en la resistencia que ofrece el AIP les da una ventaja sobre los submarinos diésel-eléctricos que no están equipados con AIP. Sin embargo, el AIP no ofrece ninguna ventaja más que una mayor ventaja submarina y no se debe suponer que los submarinos equipados con AIP siempre derrotarán a sus homólogos que no estén equipados con AIP.

En abril de 2006, un submarino de la Armada alemana U-32, equipado con una pila de combustible  de hidrógeno comprimido AIP con membrana de intercambio de protones (PEM) de Siemens , realizó un viaje submarino ininterrumpido de 2.800 km sin salir a la superficie ni hacer snorkel. Esto contrasta marcadamente con los submarinos que no están equipados con AIP, que pueden cubrir sólo entre 500 y 800 kilómetros antes de tener que salir a la superficie y recargar sus baterías haciendo funcionar ruidosos generadores diésel. Comparativamente, ¡un submarino de propulsión nuclear tiene   una resistencia submarina ilimitada!

  Unterseeboot U-32 de la Armada Alemana

Nuevamente 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 diésel que no es AIP tiene una resistencia bajo el agua de sólo 4 a 6 días antes de salir a la superficie. Esto demuestra que los submarinos diésel-eléctricos equipados con AIP son mucho más capaces que sus homólogos no equipados con AIP en lo que respecta a la resistencia.

Uso de AIP en todo el mundo 

A partir de 2016, los siguientes países han desarrollado sus propios sistemas AIP para instalarlos 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 China – Stirling

 

LIMITACIONES DE AIP

• Además de las pilas de combustible, las tres tecnologías restantes tienen muchas piezas móviles que generan ruido. Esto no es deseable ya que el silencio es esencial para todos los submarinos. Entonces, al utilizar los sistemas Stirling, MESMA y CCD AIP, los submarinos sacrificarán parte de su sigilo para obtener una resistencia adicional.
• Aunque Fuel Cell AIP tiene muchas ventajas, es extremadamente costoso adquirirlas y mantenerlas.
• Los submarinos que utilizan AIP necesitan navegar a velocidades inferiores a 10 nudos para lograr una resistencia excepcional de 14 a 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 período prolongado.

ESCENARIO DE COMBATE

La ventaja que ofrece una mayor resistencia bajo el agua se puede utilizar para "tender una emboscada" a 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 a 4 nudos durante varias semanas y luego atacará al objetivo cuando aparezca, utilizando sus torpedos. Aunque un submarino que no esté 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 vagar cerca del territorio enemigo durante mucho más tiempo en comparación con un submarino sin AIP. Así, en esta situación en la que se reúne información de inteligencia y se realizan misiones de espionaje, AIP da a estos silenciosos submarinos diésel una ventaja al permitirles merodear durante semanas sin necesidad de salir a la superficie.

CONCLUSIÓN

Lo que hay que recordar sobre AIP es que sólo porque un submarino esté equipado con esa tecnología, no necesariamente la utilizará en cada despliegue. Durante las patrullas regulares o en territorio amigo, un submarino equipado con AIP hará snorkel con frecuencia para recargar sus baterías. Sólo cuando esté desplegado operativamente hará uso del 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 confiabilidad de las baterías está aumentando debido a las extensas investigaciones que se están llevando a cabo en ese campo. Las diversas tecnologías AIP mencionadas también verán mejoras a gran escala en sus 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 pseudonucleares. Esta tecnología tiene un futuro brillante y veremos armadas más modernas adoptándola para sus flotas de submarinos diésel-eléctricos.