Nạp nhiên liệu cho tương lai: Pin nhiên liệu có thể cách mạng hóa hoạt động quân sự như thế nào
Chuyên gia hậu cần hạng 3 của Hải quân Hoa Kỳ Fransisco Guerrero dán nhãn và thử nghiệm các chai hydro trên tàu sân bay USS Harry S. Truman. (Ảnh của Hải quân Hoa Kỳ do Chuyên gia truyền thông đại chúng hạng 3 Rob Aylward chụp)
Khi quân đội chuẩn bị cho các cuộc xung đột trong tương lai với những kẻ thù ngang hàng, họ bắt đầu khám phá một thế hệ hệ thống vũ khí và nền tảng mới sẽ tạo ra lợi thế chiến thuật trước kẻ thù đang tiến nhanh. Họ cũng đang khám phá các giải pháp thay thế cho nhiên liệu hóa thạch truyền thống mà họ vẫn dựa vào để cung cấp năng lượng cho các nền tảng này.
Nhu cầu thay thế nhiên liệu diesel và các nguồn năng lượng truyền thống khác chủ yếu xuất phát từ thực tế là nhiên liệu hóa thạch không thể được tạo ra trên chiến trường. Thay vào đó, chúng cần được khai thác, tinh chế và sau đó vận chuyển đến tiền tuyến nơi cần đến. Điều này có thể tạo ra những thách thức và nút thắt về mặt hậu cần làm chậm các hoạt động.
Khi nhu cầu nhiên liệu tăng lên và chi phí nhiên liệu tăng, Bộ Quốc phòng ngày càng khó khăn và tốn kém hơn để tiếp tục cung cấp nhiên liệu cho tiền tuyến. Nó cũng cực kỳ nguy hiểm. Theo một bài báo được đăng trên trang web của Viện Chiến tranh Hiện đại, "Các quân nhân thường phải trả giá bằng máu để vận chuyển nhiên liệu trong các vùng chiến sự. Các đoàn xe chở nhiên liệu là một trong những mục tiêu thường xuyên nhất của các cuộc phục kích và tấn công bằng thiết bị nổ tự chế..."
Cán bộ Không quân Adrian Alegria-Vasquez, Phi đội Sẵn sàng Hậu cần Viễn chinh 407, đang theo dõi một khách hàng đang bơm dầu diesel. Vận chuyển nhiên liệu trong các vùng chiến sự vẫn là một nhiệm vụ nguy hiểm, một thực tế thúc đẩy quân đội khám phá những cách mới để cung cấp năng lượng cho các hệ thống vũ khí. (Ảnh của Không quân Hoa Kỳ do Cán bộ Không quân Ramon A. Adelan chụp)
Các hệ thống và nền tảng vũ khí trong tương lai sẽ cần một nguồn nhiên liệu tinh vi hơn có thể tạo ra một lượng năng lượng khổng lồ trong thời gian dài. Chúng cũng cần một nguồn nhiên liệu có thể được tạo ra trong chiến trường. Đây là lý do tại sao các hệ thống và công nghệ pin nhiên liệu là chủ đề thảo luận và chú ý nóng hổi trên khắp Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ (DoD).
Không chỉ hệ thống pin nhiên liệu bền vững và hiệu quả hơn, mà xe và nền tảng pin nhiên liệu cũng có thể mang lại lợi thế hiệu suất đáng kể so với các loại pin Li-ion khác và các công nghệ đẩy khác. Điều này có thể mở rộng phạm vi và độ tin cậy của các phương tiện ngầm không người lái (UUV), xe mặt nước không người lái (USV) và các hệ thống vũ khí tương tự khác.
Để tìm hiểu thêm về cách thức hoạt động của hệ thống pin nhiên liệu và cách chúng có thể cách mạng hóa các hoạt động quân sự, The Modern Battlespace đã trao đổi với Robert Roy, Giám đốc Kỹ thuật Chương trình tại Collins Aerospace.
The Modern Battlespace (TMB): Tại sao quân đội lại muốn phát triển các hệ thống không người lái từ sử dụng pin Li-ion để cung cấp năng lượng sang sử dụng pin nhiên liệu để cung cấp năng lượng?
Robert Roy: Đã có rất nhiều khoản đầu tư vào hệ thống pin để cải thiện hiệu suất của chúng, đặc biệt là pin lithium-ion. Tuy nhiên, khách hàng hàng hải của chúng tôi thấy rằng các giải pháp lưu trữ năng lượng dựa trên pin tiên tiến không đáp ứng được yêu cầu của nhiệm vụ. Họ cần các hệ thống năng lượng có độ bền cao hơn và thời gian sạc lại nhanh hơn.
“hệ thống năng lượng pin nhiên liệu cung cấp sự tách biệt tích cực giữa các vật liệu năng lượng với máy phát điện, giúp giảm thiểu nguy cơ dễ quản lý hơn”. — Robert Roy
Những nỗ lực nhằm cải thiện hiệu quả của các hệ thống pin năng lượng cao này đã dẫn đến những sự cố hệ thống đáng kể – một trong số đó dẫn đến việc Hải quân Hoa Kỳ mất một phương tiện vận chuyển người bơi vào năm 2008.
TMB: Pin nhiên liệu sẽ mang lại những lợi ích gì? Tại sao chúng được coi là vượt trội hơn pin trong những trường hợp sử dụng này?
Robert Roy: Sự quan tâm đến hệ thống năng lượng pin nhiên liệu như một giải pháp thay thế cho pin sạc tiếp tục tăng và chủ yếu được thúc đẩy bởi ba yếu tố.
Đầu tiên, hệ thống năng lượng pin nhiên liệu cung cấp khả năng tách biệt tích cực giữa các vật liệu năng lượng khỏi máy phát điện, giúp giảm thiểu rủi ro dễ quản lý hơn. Điều đó không có nghĩa là vẫn không có rủi ro với hệ thống năng lượng pin nhiên liệu – nhưng các con đường và giải pháp kỹ thuật được hiểu rõ luôn sẵn có để giảm thiểu rủi ro liên quan đến các chất phản ứng có mật độ năng lượng cao.
Thứ hai, bạn có thể thiết kế hệ thống năng lượng pin nhiên liệu có năng lượng riêng và mật độ năng lượng cao hơn so với hệ thống pin. Sự cải thiện về hiệu quả của hệ thống năng lượng và năng lượng này giúp đơn vị tích hợp xe có nhiều không gian hơn cho các tải trọng có giá trị liên quan đến nhiệm vụ.
“những lợi ích khác có thể không rõ ràng bao gồm hệ thống đẩy êm hơn và giảm yêu cầu bảo trì.” — Robert Roy
Cuối cùng, tốc độ sạc lại của hệ thống lưu trữ năng lượng dựa trên pin nhiên liệu chỉ bị giới hạn bởi tốc độ truyền chất phản ứng, cho phép thời gian quay vòng xe nhanh hơn so với hệ thống năng lượng pin phải giới hạn tốc độ sạc lại do các cân nhắc về nhiệt. Hệ thống pin dự phòng có thể giải quyết được nhược điểm này, nhưng phải trả giá bằng việc tăng cường hỗ trợ hậu cần.
TMB: Bạn có dự đoán việc sử dụng pin nhiên liệu sẽ tăng lên không
xe không người lái?
Robert Roy: Vâng, tôi dự đoán việc sử dụng pin nhiên liệu trong xe không người lái sẽ tăng lên. Nhưng những lợi ích khác có thể không rõ ràng như vậy bao gồm hệ thống đẩy êm hơn và giảm yêu cầu bảo dưỡng.
Ví dụ, theo truyền thống, xe không người lái hay máy bay không người lái dựa vào động cơ đốt trong (ICE) cho hệ thống đẩy của chúng. Tuy nhiên, những động cơ này gây ồn và cần bảo dưỡng thường xuyên. Không có dấu hiệu tiếng ồn nào đối với hệ thống năng lượng pin nhiên liệu cung cấp lực đẩy cho những máy bay không người lái này – và yêu cầu bảo dưỡng cũng tối thiểu so với ICE.
“Hệ thống pin thường có lực đẩy âm, nghĩa là nhà thiết kế xe phải chế tạo thêm thể tích hệ thống hoặc thiết kế phần còn lại của UUV để có lực đẩy dương như một bộ phận đối trọng.” — Robert Roy
Trong UUV, một lợi ích khác thường bị bỏ qua là hệ thống năng lượng pin nhiên liệu có thể có lực đẩy trung tính hoặc lực đẩy dương, cho phép sử dụng hiệu quả phần thân năng lượng của UUV. Hệ thống pin thường có lực đẩy âm, nghĩa là nhà thiết kế xe phải chế tạo thêm thể tích hệ thống hoặc thiết kế phần còn lại của UUV để có lực đẩy dương như một bộ phận đối trọng.
TMB: “Nhiên liệu” mà pin nhiên liệu sử dụng để cung cấp năng lượng cho xe không người lái là gì? Loại nhiên liệu này có sẵn trên chiến trường ngày nay không?
Robert Roy: Có nhiều loại pin nhiên liệu được chỉ định theo chất điện phân dẫn điện. Pin nhiên liệu của chúng tôi dựa trên công nghệ màng trao đổi proton (PEM) và hoạt động ở nhiệt độ tương đối thấp. Hydro là nhiên liệu được sử dụng trong pin nhiên liệu PEM.
Hydro không có sẵn trên chiến trường ngày nay và việc lưu trữ hydro có thể phức tạp. Hydro có thể được lưu trữ dưới dạng chất tinh khiết hoặc dưới dạng một phần của hợp chất theo nhiều cách. Hydro tinh khiết có thể được lưu trữ dưới dạng khí nén, chất lỏng đông lạnh hoặc chất lỏng siêu tới hạn.
Các hệ thống năng lượng pin nhiên liệu do các nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM) ô tô sử dụng lưu trữ hydro trong các bình chịu áp suất tổng hợp được tích điện tới 10.000 pound trên inch vuông (psig) để đạt được khoảng cách tương tự giữa các lần tiếp nhiên liệu như ô tô chạy bằng xăng. Hydro lỏng cũng đã được đánh giá trong các hệ thống năng lượng pin nhiên liệu; tuy nhiên, năng lượng để hóa lỏng và duy trì hydro dưới dạng chất lỏng có thể rất đáng kể.
“cần tiến hành các nghiên cứu thương mại cấp hệ thống để hướng dẫn lựa chọn lưu trữ hydro và oxy; các nghiên cứu này thường bao gồm các yếu tố về an toàn, trọng lượng, công suất và thể tích, nhưng cũng bao gồm các yếu tố hậu cần như tốc độ nạp lại và tính khả dụng của nguồn tài nguyên có ảnh hưởng lớn đến các giao dịch này.” — Robert Roy
Hydro có thể được lưu trữ trong mạng kim loại trong những gì được gọi là hydride kim loại thuận nghịch. Các hệ thống này yêu cầu quản lý nhiệt trong quá trình sạc hoặc xả và có thể khá nặng. Tàu ngầm đẩy không phụ thuộc không khí (AIP) của Đức sử dụng lưu trữ hydride kim loại.
Hydro có thể được lưu trữ dưới dạng hóa chất, trong đó hydro có thể được giải phóng thông qua đầu vào năng lượng. Các ví dụ bao gồm điện phân nước, trong đó nước có thể được phân tách thành các thành phần hydro và oxy; cải tạo các nguồn hydrocarbon để tạo ra luồng khí giàu hydro; và thủy phân và nhiệt phân một số muối chứa hydro.
Oxy là cần thiết cho các ứng dụng không phụ thuộc không khí. Cũng như hydro, oxy có thể được lưu trữ theo nhiều cách khác nhau:
Oxy tinh khiết có thể được lưu trữ dưới dạng khí nén hoặc chất lỏng đông lạnh. Quân đội có nhiều kinh nghiệm đáng kể về oxy lỏng dành cho phi công. Oxy nén có thể được lưu trữ an toàn trong các bình chứa với các biện pháp phòng ngừa thích hợp.
Oxy có thể được lưu trữ theo phương pháp hóa học và sau đó được giải phóng thông qua quá trình nhiệt phân hoặc phân hủy xúc tác. Các hệ thống oxy khẩn cấp được triển khai cho máy bay thương mại và tàu ngầm sử dụng nến oxy tạo ra oxy từ quá trình nhiệt phân.
Thông thường, các nghiên cứu thương mại cấp hệ thống phải được tiến hành để hướng dẫn lựa chọn lưu trữ hydro và oxy; những nghiên cứu này thường bao gồm các yếu tố về an toàn, trọng lượng, công suất và thể tích, nhưng cũng bao gồm các yếu tố hậu cần như tốc độ nạp lại và tính khả dụng của nguồn tài nguyên có ảnh hưởng lớn đến các giao dịch này.
