Японские подводные лодки заряжаются за счет нобелевского лауреата
В первой декаде марта в Японии введена в строй первая в мире неатомная подводная лодка (НАПЛ), оснащенная литий-ионными аккумуляторными батареями. Церемония состоялась в Кобе на верфи судостроительного завода Kobe Shipyard & Machinery Works корпорации Mitsubishi Heavy Industries, где была построена лодка SS 511 Oryu («Возрождающийся дракон»), 11-я в серии «Сорю» (Soryu, «Голубой дракон»).
Это прорыв в создании эффективных силовых установок для подводного флота. В России также ведутся работы в этой области. Однако о внедрении ОКР в серийное производство говорить рано. Последние эксперименты завершились трагически для экипажа атомной глубоководной станции АС-31 «Лошарик».
Свинцовые аккумуляторы – за борт
Почему конструкторы подводных аппаратов столь долго осваивают давно существующую технологию? Ведь литий-ионные аккумуляторы в бытовой технике применяются с 1991 года, когда началось их массовое производство. Сейчас они используются во всех мобильных телефонах, планшетах, ноутбуках, цифровых камерах. Более того, их начали внедрять в электромобили. И всюду они прекрасно работают. Правда, иногда способны на неприятные сюрпризы. Известны случаи, когда аккумуляторы в смартфонах взрывались. Однако происходит это крайне редко. Всему виной тут, как правило, нарушение технологической дисциплины при производстве.
“ Опытный образец ВНЭУ проходил испытания на береговом стенде, но результаты моряков не устроили ”
Сложность внедрения новых эффективных источников на подводном флоте обусловлена несколькими причинами. Для придания движения лодке водоизмещением несколько тысяч тонн в среде, обладающей высоким сопротивлением, требуется огромная энергия. Морская среда обладает повышенной химической агрессивностью. Батареи размещаются в ограниченном объеме лодки, где невозможно естественное охлаждение. Все это приводит к существенному возрастанию пожаро- и взрывоопасности.
Однако выигрыш от использования литий-ионных батарей вместо традиционных свинцово-кислотных получается очень значительный. Они позволяют увеличить нахождение НАПЛ под водой по сравнению с обычной дизель-электрической субмариной в два-три раза, а также снимать с электродов токи большой величины. За счет этого лодка способна длительно перемещаться с высокой скоростью во время атаки или для отрыва от противника.
Благодаря применению новых батарей создатели серии «Сорю» пересмотрели их концепцию начиная с одиннадцатой лодки и всех последующих. На десяти первых установлена воздухонезависимая энергетическая установка (ВНЭУ). От нее было решено избавиться, поскольку литий-ионные батареи дают столько же энергии, сколько и ВНЭУ («Сорю» деньгами»).
Помимо перечисленных достоинств есть и другие. Литий-ионные аккумуляторы не требуют обслуживания. Они размещены в герметичных корпусах, поэтому нет необходимости контролировать количество электролита и восполнять его убыль. Саморазряд аккумуляторов не превышает 1,6 процента в месяц при 25 градусах. Большое количество циклов зарядки до начала деградации – 600–700.
Правда, есть и недостатки. Один из них – высокая стоимость.
За что дали Нобелевскую
Химические свойства лития были известны задолго до того, как появилась Периодическая система элементов Менделеева. Он является самым сильным восстановителем (после водорода) для важнейших окислителей – кислорода, азота, фтора. Это обусловлено способностью присоединять рекордное (по сравнению с «конкурирующими» материалами) количество электронов. Размещаясь на отрицательном электроде аккумулятора, литий обеспечивает максимально возможную разность потенциалов по отношению к положительному. Она превышает четыре вольта, в то время как в свинцово-кислотных аккумуляторах – лишь 2,15 вольта.
У лития есть еще одно уникальное свойство – рекордно низкое значение электрохимического эквивалента. Этим параметром обозначается количество вещества, которое должно выделиться на электроде при прохождении единицы электричества. Чем меньше электрохимический эквивалент, тем больше емкость аккумулятора. Значения этого параметра в грамм-молях для различных веществ таковы: литий – 6,9, натрий – 23, калий – 39, цинк – 33, свинец – 104.
Казалось бы, подобрав нужный материал для положительного электрода, на котором расположен окислитель, а также электролит, можно экспериментальным путем создать литиевый аккумулятор. Но первые пробы, состоявшиеся в 70-е годы, повергли конструкторов в уныние. Оказалось, что использовать литий в чистом виде невозможно. При многократной разрядке и зарядке аккумулятора литий оседает на отрицательном электроде неравномерно. Появляются, условно говоря, «сталактиты», которые в конечном итоге замыкались на положительный электрод, что порой приводило не только к выходу аккумулятора из строя, но и к взрывам.
Эксперименты зашли в тупик. Протекающие в литиевом аккумуляторе химические реакции чрезвычайно сложны, они на стыке с процессами, описываемыми физикой твердого тела, во многом опирающейся на вероятностные модели. К созданию работоспособных аккумуляторов привели работы трех химиков, проведенные в 70–80-е годы независимо друг от друга. Они-то и разложили все по полочкам, чем впоследствии и воспользовались конструкторы фирм-производителей. В результате все трое были в 2019 году удостоены Нобелевской премии. Это англичанин Майкл Стэнли Уиттингем, американец Джон Гуденафа (ему на момент вручения исполнилось 97 лет) и японец Акира Есино.
В результате литиевый аккумулятор стал литий-ионным. То есть в качестве материала для отрицательного электрода начали использовать не чистый металл, а его химическое соединение, которое в процессе электролиза выделяет ионы лития. В качестве положительного электрода используется графит, отрицательного – оксид кобальта лития (LiCoO2). В 1991 году литий-ионные аккумуляторы начали производиться компанией Sony по патенту Акира Есино.
Как электролит могут использоваться различные растворы солей, а также твердые вещества, описываемые сложными химическими формулами. Однако вода в чистом виде в них должна отсутствовать, поскольку это может приводить к печальным последствиям как для аккумуляторов, так и для обслуживающего персонала.
Но наука не стоит на месте, в настоящее время проводятся испытания материалов, в которых литий связан с полимерами.
Почему они взрываются
Тем не менее литий-ионные аккумуляторы, собранные в батареи большой мощности и обеспечивающие высокие выходные токи, требуют изощренных схем регулирования нагрузки, которые исключали бы возможность нарастания катастрофических процессов.
Прежде всего – боятся продолжения процесса, когда батарея уже полностью заряжена. В этом случае возможны «вздутие» корпусов аккумуляторов за счет «закипания» электролита и нарушение их герметичности. Боятся и перегрузки. Все это способно привести к перегреву аккумуляторов, а затем к неконтролируемому лавинообразному повышению температуры. В конце концов дело может дойти до самовозгорания и взрывов.
А тушение такого пожара – крайне сложная задача. Вода или же содержащие ее составы лишь усиливают горение. Потому что при воздействии воды на входящие в аккумулятор вещества выделяется водород. Бесперспективно и ограничение доступа воздуха к очагу возгорания, поскольку реакция дает еще и кислород. Получается автономный, мало зависящий от действий экипажа подводной лодки процесс.
Именно это согласно официальной версии произошло летом прошлого года на глубоководном аппарате «Лошарик». Во время стыковки с материнской АПЛ специального назначения БС-64 «Подмосковье» произошло короткое замыкание батареи. Далее – самовозгорание и взрыв. Экипаж героически пытался справиться с огнем, чтобы не дать ему распространиться на соседние отсеки, где находился атомный реактор. Погибли 14 подводников.
Химия зарубежных тендеров
Небезосновательно предположение, что японские конструкторы решили проблему безопасности литий-ионных батарей. Также им пришлось оснастить одиннадцатую лодку серии «Сорю» более мощными дизель-генераторами, поскольку зарядка производится при больших токах и за короткое время. Это в свою очередь повлекло установку более производительного шноркеля (выдвижной трубы) для увеличения объемов подачи из атмосферы воздуха и отвода выхлопных газов.
«Возрождающийся дракон» и все последующие лодки этой серии будут принадлежать к четвертому поколению. Впрочем, к нему же относится и предыдущая десятка, поскольку оснащена ВНЭУ. Одно из главных требований перехода неатомных субмарин из третьего поколения в четвертое – возможность существенного увеличения скрытности за счет нахождения под водой до двух – четырех недель. У обычной ДЭПЛ свинцово-кислотные батареи полностью разряжаются через два дня, и необходимо всплывать для зарядки.
Российская «Варшавянка» проекта 636.3 считается самой малошумной в мире, в связи с чем на Западе ее прозвали «Черной дырой». И гидроакустическая станция у нее вполне эффективная. Однако отнести ее к четвертому поколению невозможно. Поэтому она проиграла несколько важных зарубежных тендеров на закупку НАПЛ.
Побеждают японцы, немцы, французы. Лодки с ВНЭУ есть у Китая, у Швеции, совсем скоро появятся у Испании. Они основаны на различных принципах. Наиболее популярны ВНЭУ с двигателем Стирлинга (ДС) – их производят Швеция, Япония, Китай и с электрохимическим генератором (ЭХГ) – Германия, Испания, Франция.
ДС представляет собой тепловую машину, описанную теоретически и запатентованную еще в 1816 году шотландским священником Робертом Стирлингом, а спустя 27 лет построенную его сыном-инженером для использования на заводе. Принцип действия ДС основан на получении энергии при создании разности температур в рабочем теле – газе. Перемещаясь в замкнутом объеме цилиндра, он производит работу, толкая поршень. Если на открытом воздухе разность температур можно создавать за счет горения топлива, то на подводной лодке для этого используется сжиженный газ, который ни в каких химических реакциях участия не принимает. То есть воздух сжигать не надо.
ЭХГ – реактор, в котором электроэнергию дает химический процесс с использованием катализаторов. В качестве реагентов, как правило, используются сжиженные водород и кислород.
ВНЭУ с ЭХГ уже давно должна бы быть у России. Создание НАПЛ четвертого поколения проекта 677 «Лада» началось в КБ «Рубин» в 1987-м. 33 года назад! За вычетом «катастройки» и лихих девяностых получается не меньше двух десятилетий. «Лада» в конечном итоге превзошла «Варшавянку» и по бесшумности хода, и по возможностям гидроакустической станции. Но с ВНЭУ ничего не получилось.
На «Рубине» сделали шаг вперед в теории ЭХГ – предложили получать водород риформингом из дизельного топлива, а не держать его в сжиженном виде. Но на практике несильно преуспели. Когда «Ладу» в 2004 году спустили на воду, ВНЭУ на ней не было. В 2010-м так и сдали лодку в опытную эксплуатацию на Северный флот на дизельной тяге. Был построен опытный образец установки, который проходил испытания на береговом стенде. Результаты не устроили моряков – получаемая мощность оказалась слишком мала. Были и другие претензии.
Однако шансы на то, что в конце концов работоспособная ВНЭУ появится, есть. Лодки, на которые она могла бы быть установлена, строятся – это вторая и третья «Лады»: «Кронштадт» и «Великие Луки». Они должны стать первыми отечественными неатомными субмаринами четвертого поколения.
Владимир Тучков
Газета "Военно-промышленный курьер", опубликовано в выпуске № 10 (823) за 17 марта 2020 года
