La propulsión independiente del aire ( AIP ), o potencia independiente del aire , es cualquier tecnología de propulsión marina que permite a un submarino no nuclear operar sin acceso al oxígeno atmosférico (saliendo a la superficie o utilizando un esnórquel ). La AIP puede aumentar o reemplazar el sistema de propulsión diésel-eléctrico de los buques no nucleares.
Los submarinos no nucleares modernos son potencialmente más furtivos que los submarinos nucleares ; aunque algunos reactores submarinos modernos están diseñados para depender de la circulación natural, la mayoría de los reactores nucleares navales utilizan bombas para hacer circular constantemente el refrigerante del reactor, lo que genera una cierta cantidad de ruido detectable . [1] [2] Por otro lado, los submarinos no nucleares que funcionan con energía de batería o AIP pueden ser prácticamente silenciosos. Si bien los diseños de propulsión nuclear aún dominan en tiempos de inmersión, velocidad, alcance y rendimiento en aguas profundas, los submarinos de ataque no nucleares pequeños y de alta tecnología pueden ser muy eficaces en operaciones costeras y representar una amenaza significativa para los submarinos nucleares menos sigilosos y menos maniobrables. [3]
El AIP se suele implementar como una fuente auxiliar, con el motor diésel tradicional manejando la propulsión de superficie. La mayoría de estos sistemas generan electricidad, que a su vez impulsa un motor eléctrico para la propulsión o recarga las baterías del barco . El sistema eléctrico del submarino también se utiliza para proporcionar "servicios de hotel" (ventilación, iluminación, calefacción, etc.), aunque esto consume una pequeña cantidad de energía en comparación con la necesaria para la propulsión.
El AIP se puede adaptar a los cascos de submarinos existentes insertando una sección adicional en el casco. El AIP no suele proporcionar la resistencia o la potencia necesarias para sustituir la propulsión dependiente de la atmósfera, pero permite una mayor resistencia bajo el agua que un submarino con propulsión convencional. Una planta de energía convencional típica proporciona un máximo de 3 megavatios , y un AIP genera alrededor del 10% de esa cantidad. [ cita requerida ] La planta de propulsión de un submarino nuclear suele ser mucho mayor que 20 megavatios.
La Armada de los Estados Unidos utiliza el símbolo de clasificación de casco "SSP" para designar a los barcos propulsados por AIP, mientras que conserva "SSK" para los submarinos de ataque diésel-eléctricos clásicos . [a]
En el desarrollo del submarino, el problema de encontrar formas satisfactorias de propulsión bajo el agua ha sido persistente. Los primeros submarinos eran impulsados por el hombre con hélices accionadas manualmente, que consumían rápidamente el aire del interior; estas naves tenían que moverse durante gran parte del tiempo en la superficie con las escotillas abiertas o utilizar algún tipo de tubo de respiración, ambas cosas inherentemente peligrosas y que dieron lugar a una serie de accidentes tempranos. Más tarde, las naves impulsadas mecánicamente utilizaban aire comprimido o vapor, o electricidad, que debían recargarse desde la costa o desde un motor aeróbico a bordo.
El primer intento de crear un combustible que pudiera arder anaeróbicamente fue en 1867, cuando el ingeniero español Narciso Monturiol desarrolló con éxito un motor de vapor anaeróbico o independiente del aire alimentado químicamente. [4] [5]
En 1908 la Armada Imperial Rusa lanzó al agua el submarino Pochtovy , que utilizaba un motor de gasolina alimentado con aire comprimido y que se agotaba bajo el agua.
Estos dos enfoques, el uso de un combustible que proporciona energía a un sistema de ciclo abierto y el suministro de oxígeno a un motor aeróbico en un ciclo cerrado, caracterizan al AIP hoy en día.
La propulsión independiente del aire (no nuclear) puede adoptar diversas formas. Todos los submarinos AIP actualmente activos requieren oxígeno para su propulsión, [ aclaración necesaria ] que normalmente se almacena en forma de líquido (LOX). El alcance de los submarinos AIP está limitado principalmente por la cantidad de LOX que pueden transportar. [6]
Durante la Segunda Guerra Mundial, la empresa alemana Walter experimentó con submarinos que utilizaban peróxido de hidrógeno de alta concentración como fuente de oxígeno bajo el agua. Estos submarinos utilizaban turbinas de vapor , que utilizaban vapor calentado mediante la quema de combustible diésel en la atmósfera de vapor/oxígeno creada por la descomposición del peróxido de hidrógeno mediante un catalizador de permanganato de potasio .
Se fabricaron varios barcos experimentales, aunque el trabajo no llegó a convertirse en ningún buque de combate viable. Uno de los inconvenientes era la inestabilidad y la escasez del combustible utilizado. Otro era que, si bien el sistema producía altas velocidades bajo el agua, era un derroche de combustible: el primer barco, el V-80 , necesitaba 28 toneladas de combustible para recorrer 50 millas náuticas (93 kilómetros), y los diseños finales no eran mucho mejores.
Después de la guerra, un barco Tipo XVII, el U-1407 , que había sido hundido al final de la Segunda Guerra Mundial , fue rescatado y puesto nuevamente en servicio en la Marina Real Británica como HMS Meteorite . Los británicos construyeron dos modelos mejorados a fines de la década de 1950, el HMS Explorer y el HMS Excalibur . El Meteorite no era popular entre sus tripulaciones, que lo consideraban peligroso y volátil; se lo describió oficialmente como 75% seguro. [7] La reputación del Excalibur y el Explorer no era mucho mejor; los barcos fueron apodados Excruciater y Exploder. [8]
La Unión Soviética también experimentó con la tecnología y se construyó un barco experimental que utilizaba peróxido de hidrógeno en un motor Walter .
Estados Unidos también recibió un submarino Tipo XVII, el U-1406 , y comenzó dos proyectos de submarinos AIP. El proyecto SCB 66 desarrolló un submarino enano experimental , el X-1 , que fue botado en septiembre de 1955. Originalmente estaba propulsado por un motor de peróxido de hidrógeno/diésel y un sistema de batería hasta que explotó su suministro de peróxido de hidrógeno el 20 de mayo de 1957. El X-1 fue posteriormente convertido a diésel-eléctrico. [9] [10]
El segundo proyecto de la Armada estadounidense fue un submarino AIP de tamaño completo bajo el SCB 67 en 1950, más tarde SCB 67A. Este submarino, designado SSX, tendría una de las tres plantas de propulsión en desarrollo: una planta de peróxido de hidrógeno de ciclo abierto Walther (denominada Alton ), una planta de vapor de oxígeno líquido ( Ellis ) y una turbina de gas AIP ( Wolverine ). A fines de 1951, la Armada se dio cuenta de que, si bien los diseños nucleares en competencia eran más pesados debido al blindaje, eran más compactos que las tres plantas AIP: el SSX sería más largo que el SSN por casi 40 pies. El SSN probablemente sería más silencioso y menos complicado que la tecnología AIP de esta época. En 1952, los reactores nucleares estaban tan avanzados en el desarrollo que parecía que el submarino SSX no sería necesario como solución provisional. El proyecto se canceló el 26 de octubre de 1953. [11]
La URSS y el Reino Unido, los únicos países que se sabe que estaban experimentando con esta tecnología en ese momento, también la abandonaron cuando Estados Unidos desarrolló un reactor nuclear lo suficientemente pequeño para la propulsión submarina. Otras naciones, entre ellas Alemania y Suecia, reanudarían más tarde el desarrollo de la AIP.
Los británicos y la Unión Soviética lo conservaron para propulsar torpedos , aunque los primeros lo abandonaron rápidamente tras la tragedia del HMS Sidon . Tanto esta como la pérdida del submarino ruso Kursk se debieron a accidentes con torpedos propulsados por peróxido de hidrógeno.
Esta tecnología utiliza un motor diésel submarino que puede funcionar de forma convencional en la superficie, pero al que también se le puede suministrar oxidante , normalmente almacenado como oxígeno líquido , cuando está sumergido. Dado que el metal de un motor se quemaría en oxígeno puro, el oxígeno suele diluirse con gases de escape reciclados . El argón reemplaza los gases de escape cuando se pone en marcha el motor.
A finales de la década de 1930, la Unión Soviética experimentó con motores de ciclo cerrado y se construyeron varios buques pequeños de clase M utilizando el sistema REDO, pero ninguno se completó antes de la invasión alemana en 1941.
Durante la Segunda Guerra Mundial, la Kriegsmarine alemana experimentó con un sistema de este tipo como alternativa al sistema de peróxido Walter, diseñando variantes de su submarino Tipo XVII y su submarino enano Seehund Tipo XXVIIB , el Tipo XVIIK y el Tipo XXVIIK respectivamente, aunque ninguno de ellos se completó antes del final de la guerra.
Después de la guerra, la URSS desarrolló el pequeño submarino de clase Quebec , de 650 toneladas , del que se construyeron treinta entre 1953 y 1956. Éstos tenían tres motores diésel: dos convencionales y uno de ciclo cerrado que utilizaba oxígeno líquido.
En el sistema soviético, llamado "sistema de propulsión simple", se añadía oxígeno después de que los gases de escape se hubieran filtrado a través de un absorbente químico a base de cal. El submarino también podía hacer funcionar su motor diésel utilizando un esnórquel. El Quebec tenía tres ejes de transmisión : un motor diésel 32D de 900 bhp (670 kW) en el eje central y dos motores diésel M-50P de 700 bhp (520 kW) en los ejes exteriores. Además, un motor de "arrastre" de 100 hp (75 kW) estaba acoplado al eje central. El submarino podía funcionar a baja velocidad utilizando únicamente el motor diésel de la línea central. [12]
Como el oxígeno líquido no se puede almacenar indefinidamente, estos barcos no podían operar lejos de una base. Era peligroso; al menos siete submarinos sufrieron explosiones, y uno de ellos, el M-256 , se hundió después de una explosión e incendio. A veces se los apodaba "encendedores de cigarrillos". [13] [ cita completa requerida ] El último submarino que utilizó esta tecnología fue desguazado a principios de la década de 1970.
El antiguo submarino Tipo 205 de la Armada alemana, el U-1 (botado en 1967), estaba equipado con una unidad experimental de 3.000 hp (2.200 kW).
El sistema francés MESMA ( Módulo de Energía Submarina Autónoma ) es ofrecido por el astillero francés DCNS. MESMA está disponible para los submarinos de clase Agosta 90B y Scorpène . Es esencialmente una versión modificada de su sistema de propulsión nuclear con calor generado por etanol y oxígeno. En concreto, una planta de energía de turbina de vapor convencional es alimentada por vapor generado a partir de la combustión de etanol y oxígeno almacenado a una presión de 60 atmósferas . Este encendido a presión permite expulsar el dióxido de carbono de escape por la borda a cualquier profundidad sin un compresor de escape.
Cada sistema MESMA cuesta entre 50 y 60 millones de dólares. Tal como se instala en el Scorpènes, requiere añadir una sección de casco de 8,3 metros (27 pies) y 305 toneladas al submarino, y da como resultado un submarino capaz de operar durante más de 21 días bajo el agua, dependiendo de variables como la velocidad. [14] [15] En el Agosta 90B, el sistema AIP permite que el submarino funcione 16 días bajo el agua y le da un alcance de 1.400 millas náuticas (2.600 km; 1.600 mi). [6]
Un artículo en la revista Undersea Warfare señala que: "aunque MESMA puede proporcionar una mayor potencia de salida que las otras alternativas, su eficiencia inherente es la más baja de los cuatro candidatos AIP, y su tasa de consumo de oxígeno es correspondientemente más alta". [15]
El astillero sueco Kockums construyó tres submarinos de la clase Gotland para la Armada sueca , equipados con un motor Stirling auxiliar que quema combustible diésel con oxígeno líquido para accionar generadores eléctricos de 75 kW, ya sea para propulsión o para cargar baterías. La autonomía submarina de los buques de 1.500 toneladas es de unos 14 días a 5 nudos (5,8 mph; 9,3 km/h), con un alcance aproximado de 1.700 millas náuticas. [6]
Kockums renovó y modernizó los submarinos suecos de la clase Västergötland con una sección complementaria Stirling AIP. Dos ( Södermanland y Östergötland ) están en servicio en Suecia como clase Södermanland , y otros dos están en servicio en Singapur como clase Archer ( Archer y Swordsman ). [ cita requerida ]
Kockums también entregó motores Stirling a Japón. Diez submarinos japoneses fueron equipados con motores Stirling. El primer submarino de la clase, Sōryū , fue botado el 5 de diciembre de 2007 y entregado a la marina en marzo de 2009. El undécimo de la clase es el primero que está equipado con baterías de iones de litio sin un motor Stirling. [16] Este submarino puede tener un alcance de AIP de 6500 millas náuticas y puede permanecer sumergido durante 40 días. [6]
El nuevo submarino sueco de la clase Blekinge tiene como principal fuente de energía el sistema AIP de Stirling. La autonomía en inmersión será de más de 18 días a 5 nudos utilizando AIP. [ cita requerida ]
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Siemens ha desarrollado una unidad de pila de combustible de 30 a 50 kilovatios, un dispositivo que convierte la energía química de un combustible y oxidante en electricidad. Las pilas de combustible se diferencian de las baterías en que requieren una fuente continua de combustible (como hidrógeno) y oxígeno, que se transportan en el buque en tanques presurizados, para mantener la reacción química. Nueve de estas unidades están incorporadas en el submarino de 1.830 t U-31 de Howaldtswerke Deutsche Werft AG , buque líder del Tipo 212A de la Armada alemana . Los otros barcos de esta clase y los submarinos de exportación equipados con AIP de HDW, clase Dolphin , Tipo 209 mod y Tipo 214 , utilizan dos módulos de 120 kW (160 hp), también de Siemens. [17] El Tipo 212 puede permanecer sumergido durante 21 días; uno de estos submarinos realizó un viaje de 1600 millas náuticas únicamente con AIP en 2016. [6]
Tras el éxito de Howaldtswerke Deutsche Werft AG en sus actividades de exportación, varios constructores desarrollaron unidades auxiliares de pilas de combustible para submarinos, pero a fecha de 2008 ningún otro astillero tenía un contrato para un submarino así equipado. [ cita requerida ]
El AIP implementado en el S-80 de la Armada Española se basa en un procesador de bioetanol (suministrado por Hynergreen de Abengoa ) que consta de una cámara de reacción y varios reactores intermedios Coprox, que transforman el BioEtOH en hidrógeno de alta pureza. El resultado alimenta una serie de pilas de combustible de Collins Aerospace (que también suministró pilas de combustible para el transbordador espacial ).
El reformador se alimenta con bioetanol como combustible y oxígeno (almacenado en forma líquida en un tanque criogénico de alta presión), lo que genera hidrógeno como subproducto. El hidrógeno producido y más oxígeno se alimentan a las celdas de combustible . [18]
China ha estado investigando motores de pila de combustible para submarinos AIP. Según se informa, el Instituto de Física Química de Dalian desarrolló motores de pila de combustible de 100 kW y 1 MW. [19]
El Laboratorio de Investigación de Materiales Navales de la Organización de Investigación y Desarrollo de Defensa de la India, en colaboración con Larsen & Toubro y Thermax, ha desarrollado una pila de combustible de ácido fosfórico (PAFC) de 270 kilovatios para alimentar a los submarinos de la clase Kalvari , que se basan en el diseño Scorpène . Los seis submarinos de la clase Kalvari serán equipados con AIP durante su primera actualización. Produce electricidad al reaccionar con el hidrógeno generado a partir de borohidruro de sodio y oxígeno almacenado con ácido fosfórico que actúa como electrolito. [20] [21] [22]
Los submarinos de clase Tridente de la Armada portuguesa también están equipados con pilas de combustible.
La propulsión independiente del aire es un término que se utiliza normalmente en el contexto de la mejora del rendimiento de los submarinos de propulsión convencional. Sin embargo, como fuente de energía auxiliar, la energía nuclear entra en la definición técnica de AIP. Por ejemplo, una propuesta para utilizar un pequeño reactor de 200 kilovatios como fuente de energía auxiliar (denominado por la AECL como una " batería nuclear ") podría mejorar la capacidad de los submarinos canadienses para operar bajo el hielo. [23] [24]
Los reactores nucleares se han utilizado desde la década de 1950 para propulsar submarinos. El primero de ellos fue el USS Nautilus , puesto en servicio en 1954. Hoy en día, China , Francia , India , Rusia , el Reino Unido y los Estados Unidos son los únicos países que han construido y operado con éxito submarinos de propulsión nuclear.
A partir de 2017, alrededor de 10 naciones están construyendo submarinos AIP y casi 20 naciones operan submarinos basados en AIP: