Công nghệ AIP - Động cơ đẩy bí mật cho tàu ngầm

Có khá nhiều khái niệm quanh công nghệ AIP, nhưng đều cùng một mục đích là làm sao cho động cơ tàu ngầm hoạt động dưới nước mà không cần nổi để lấy oxy và giúp tàu ngầm có thể lặn và hoạt động sâu hơn và lâu hơn.

Có nhiều lựa chọn AIP. Đức sử dụng hydrogen peroxide làm chất xúc tác cho phản ứng hóa học để tạo ra hơi nước và khí nóng làm quay tuabin.

Khái niệm về AIP hình thành rất sớm từ thế kỷ 19, tuy nhiên rào cản kỹ thuật khiến công nghệ phát triển chậm chạp. AIP (Air Independent Propulsion) là động cơ đẩy sử dụng không khí độc lập, có nghĩa là không cần sử dụng nguồn không khí lấy từ ngoài vào, được đề xuất bởi kỹ sư nổi tiếng người Tây Ban Nha, ông Narcís Monturiol i Estarriol. Năm 1867, ông đã phát minh thành công một động cơ đẩy không khí độc lập dựa trên một phản ứng hóa học.

Nhờ vậy, Estarriol được mệnh danh là cha đẻ của công nghệ AIP. Dù khái niệm về AIP được người Tây Ban Nha đưa ra đầu tiên, nhưng Nga mới là nước áp dụng công nghệ này vào tàu ngầm đầu tiên.

Năm 1908, Hải quân Nga phát triển thành công tàu ngầm chạy bằng động cơ xăng sử dụng khí nén. Oxy cho động cơ được cung cấp qua 45 chai khí nén, có thể tích tương đương 9,9m3. Hệ thống khí nén này có thể giúp tàu hoạt động liên tục dưới nước với quãng đường 52km.

Đến năm 1930, tiến sĩ Helmuth Walter, một kỹ sư người Đức đã phát triển một động cơ đẩy AIP mới sử dụng chất hydrogen peroxide (2H2O2) tinh khiết làm chất oxy hóa để tạo không khí cho động cơ.

 

Về công nghệ thì trong khi Đức sử dụng hydrogen peroxide làm chất xúc tác cho phản ứng hóa học để tạo ra hơi nước và khí nóng làm quay tuabin thì Nga phát triển động cơ diesel chu kỳ khép kín với oxy lỏng và nhiên liệu diesel.

Pháp thì lại phát triển động cơ tuabin chu kỳ đóng MESMA, với quá trình đốt cháy ethanol và oxy, quá trình đốt cháy này tạo ra hơi nước làm quay tuabin. Trong đó, ethanol và oxy được lưu trữ ở áp lực gấp 60 lần áp lực khí quyển, áp lực này cho phép khí thải carbon dioxide thải xuống biển ở độ sâu bất kỳ mà không cần đến máy nén khí. Công nghệ này cho phép tàu ngầm hoạt động liên tục 21 ngày dưới nước, tùy thuộc vào tốc độ, áp suất nước biển…

Hiện nay, các loại tàu ngầm hạt nhân chiến lược thường không được phép xuất khẩu. Trong khi đó các loại tàu ngầm thông thường phải đối mặt với các phương tiện trinh sát và chống ngầm hiện đại ngày càng trở nên tinh vi hơn  nên tàu ngầm điện - diesel đang dần mất đi lợi thế. Do đó, hải quân các nước trên thế giới đòi hỏi phải có tàu ngầm khác, hoạt động êm và thời gian hoạt động dưới nước lâu hơn. Với những yêu cầu như vậy, ngoài tàu ngầm hạt nhân thì chỉ có tàu ngầm lắp động cơ AIP mới có thể đáp ứng được.

Tuy nhiên, trong các khái niệm phát triển của công nghệ AIP, giải pháp sử dụng pin nhiên liệu trên cơ sở ứng dụng công nghệ hydrogen của người Đức được xem là khả thi và an toàn nhất.

Pin nhiên liệu là nguồn cung cấp năng lượng hoạt động bằng phản ứng kết hợp oxy và hydro. Loại pin nhiên liệu này có rất nhiều tiềm năng cho các ứng dụng trong lĩnh vực không gian cũng như các ngành công nghiệp tự động hoá khác. Có nhiều dạng pin năng lượng, nhưng loại thường được ứng dụng cho tàu ngầm được gọi là PEM (Polymer Electrolyte Membrane) - loại này hiện nay gây đươc nhiều sự chú ý do hoạt động ở nhiệt độ thấp (80oC) và ít hao nhiệt lượng.

Trong thiết bị PEM, khí hydro áp lực cao được đưa vào anode của pin, nơi thanh platinum làm xúc tác sẽ phân ly mỗi cặp phân tử hydro thành 4 ion H+ và 4 điện tử. Các điện tử rời anode và một dòng điện được tạo ra. Đồng thời, tại cathode, mỗi phân tử oxy bị tách ra thành các nguyên tử. Các ion H+ từ anode sẽ di chuyển sang phía cathode và ở đó ion H+ kết hợp với oxy tạo thành nước. Tổng quát quá trình này được mô tả bằng công thức 2H2+2O2 => 2H2O, phần thải ra của pin nhiên liệu chỉ là nước. Mỗi pin nhiên liệu như trên tạo ra được dòng điện 0,7volts DC, và khi kết hợp một số lượng lớn các pin nhiên liệu kết nối song song sẽ cho ra một dòng điện lớn hữu dụng.

Pin nhiên liệu đã được chế tạo và sử dụng thành công trong các chương trình không gian của Mỹ và đang được nghiên cứu tăng hiệu điện thế để trở thành một trong những nguồn năng lượng chính của tàu ngầm.

Thách thức lớn nhất của pin nhiên liệu là việc dự trữ các thành phần hydro và oxy - nhất là hydro vì dự trữ hydro ở dạng lỏng, áp suất cao rất nguy hiểm. Một trong những giải pháp là trữ hydro dưới dạng hydride kim loại ở áp suất thấp, nhiệt độ bằng nhiệt độ nước biển xung quanh và khi cần sử dụng hydro, ta có thể tách hydro từ hỗn hợp bằng cách thay đổi nhiệt độ và áp suất.

Hãng Siemens của Đức cũng đã phát triển pin nhiên liệu sử dụng cho các loại tàu ngầm Type-209/214, là loại tàu ngầm sử dụng AIP hiện đại vào loại nhất thế giới. Theo đó, các pin này chuyển đổi hóa năng thành điện năng thông qua phản ứng hóa học với oxy và các khí hydrocarbon. Trong đó, hydrogen được sử dụng nhiều nhất, kế tới là ethanol hoặc methanol. Điện năng tạo ra từ phản ứng hóa học này sẽ được sử dụng cho động cơ của tàu hoặc sạc pin.

Hiện nay, các loại tàu ngầm đang được trang bị động cơ AIP trên thế giới gồm có: Tàu ngầm lớp Scorpene của Pháp, Type-209/212/214 của Đức, tàu ngầm lớp Lada, Amur của Nga, tàu ngầm lớp Asashio, Soryu  của Nhật Bản, tàu ngầm lớp Gotland, Sdermanland, Archer của Thụy Điển, tàu ngầm S-80 của Tây Ban Nha, tàu ngầm lớp Type-041 lớp Nguyên (Yuan) của Trung Quốc.

M.Quang