مقدمة إلى شركة " بروبل " للكهرباء في سفن البحوث في أنتاركتيكا

إن سفن البحوث في أنتاركتيكا تعمل في أحد أكثر المناطق تطرفا وحساسية بيئيا على الأرض، إذ إن الحاجة إلى التقليل إلى أدنى حد من الأثر الإيكولوجي مع الحفاظ على موثوقية تشغيلية عالية قد دفعت الاهتمام بنظم الدفع الكهربائي، وهذه النظم التي تستخدم المحركات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات أو المولدات أو التشكيلات الهجينة، تؤدي إلى مزايا كبيرة على الدوافع التقليدية التي تنجم عن عمليات الدفع بالديزل، ولا سيما العقبات التي تعترض سبيلها الجليد.

مزايا الإنتاج الكهربائي في أنتاركتيكا

ويحقق التحول إلى الدفع الكهربائي فوائد متعددة تتوافق مع الاحتياجات التشغيلية والأهداف البيئية لبعثات البحوث في أنتاركتيكا.

المنافع البيئية

وتتمثل الميزة الأكثر إلحاحا في حدوث انخفاض كبير في انبعاثات غازات الدفيئة وملوثات الهواء المحلية، كما أن الدفع الكهربائي ينتج انبعاثات من الخرسانة الصفرية عند تشغيله على طاقة البطاريات المخزنة، وهو أمر حاسم في بيئة القطب الجنوبي حيث يمكن أن تسود ثلج وتتسارع فيه حركة المركبات الكهربائية أكثر هدوءا من محركات الديزل.

الكفاءة التشغيلية والمناورات

وتُلقي السيارات الكهربائية ضربة فورية عبر نطاق واسع من السرعة، مما يعطي السفن قدرة أعلى على المناورة في قنوات الجليد الضيقة وخلال المواقع الدينامية بالقرب من محطات البحث، ويسمح عدم وجود خط للسرقة الآلية بقدر أكبر من المرونة في تصميم السفن، وإتاحة حيز للمعدات العلمية أو أماكن إقامة الركاب، كما أن الدفع الكهربائي يتيح استخدام أجهزة الدفع الزامية - المحركات المزودة بمولدات والتي يمكن أن تتناوب 360 درجة أخرى.

الامتثال والتعزيز في المستقبل

وقد أصبحت الأنظمة البيئية للشحن القطبي أكثر صرامة، إذ أن المدونة القطبية للمنظمة البحرية الدولية وبروتوكول معاهدة أنتاركتيكا بشأن حماية البيئة والسياسات الوطنية الناشئة تدفع جميعها إلى خفض الانبعاثات وارتفاع المعايير البيئية، وتدفع الكهرباء، لا سيما عندما تقترن بمصادر الطاقة المتجددة، وتشغل أساطيل بحثية للوفاء بهذه المتطلبات اليوم والتكيف مع القواعد المستقبلية، وتحاكم بعض المشغلين بالفعل سفناً ذات قدرة على تحمل البطاريات على تحمل الانبعاثات، وذلك من أجل تحقيق القدرة على البقاء في إطار مفاهيم القطب القصير.

التحديات التي تواجه نظم التبريد الكهربائي

وعلى الرغم من هذه المزايا، فإن نشر الدافع الكهربائي في أنتاركتيكا ينطوي على عقبات تقنية هائلة، والبيئة نفسها هي الخصم الرئيسي.

أداء البطارية في المهد

وتعاني بطاريات الليثيوم -يون، وهي أكثر تكنولوجيا تخزين الطاقة شيوعاً للسفن الكهربائية، من تدهور كبير في الأداء دون -10 درجة مئوية.

تخزين الطاقة وإدارتها

فبعد أن كانت الطاقة الكهربائية باردة، تظل الكثافة العامة للبطاريات منخفضة مقارنة بوقود الديزل البحري، إذ تتطلب سفينة إلكترونية نموذجية تعمل بالبطارية نحو ٨ - ١٠ كيلوواط - ساعة لكل كيلومتر في المياه المفتوحة، وأكثر بكثير عند كسر الجليد، ولتوفيق مجموعة من السفن البحثية التقليدية - التي غالبا ما تكون متاحة على مسافة ٠٠٠ ٤٠ - ٠٠٠ ٦٠ ميل بحري على مدى بعثة متعددة الشهور - ستحتاج سفينة شحنة بطارية إلى درجة أعلى.

الملاحة الجليدية والطلبات على الطاقة

إن كسر الجليد يتطلب قوة فورية هائلة - قد تحتاج السفينة إلى التأرجح من خلال ارتفاعات الضغط أو الحفاظ على الاندفاع المطرد من خلال الجليد السميك المتعدد السنوات، كما يجب وضع نظم الدفع الكهربائي لمعالجة هذه الحمولات القصوى دون الإفراط في التسخين أو التعثر في دوائر الحماية، علاوة على أنه عندما تكون السفينة عالقة في تصميمات الجليد وتضطر إلى التخلف والصدمات بصورة متكررة، فإن أجهزة الدفع والبطارات الكهربائية تتسارع في التقلبات الجليدية.

الهياكل الأساسية والسوقيات

وفي أنتاركتيكا، فإن البنية التحتية القائمة على الشاطئ غير موجودة تقريبا خارج عدد قليل من محطات البحث (مثل ماكميردو وديفيس وروثيرا) وحتى في تلك المحطات، فإن توليد الطاقة يعتمد اعتمادا كبيرا على مولدات الديزل، مما يعني أن الكهرباء لأغراض الشحن قد لا تكون خالية من الكربون، وأن تطوير مراكز توليد الطاقة المتجددة - باستخدام حواجز الطاقة الشمسية أو الرياح أو حتى المفاعلات السوقية الصغيرة - هو من عوامل توليد الطاقة الكهربائية.

الحلول والتكنولوجيات الابتكارية

ويتصدى المهندسون والباحثون بفعالية لهذه التحديات مع مجموعة من التكنولوجيات المتقدمة.

البطاريات التابعة للدولة الصلبة

وتستبدل تكنولوجيا البطاريات ذات العجلات بالسائل أو الهجل بمواد صلبة، عادة ما تكون خرافية أو بوليمر، ويحسن هذا التغير بشكل كبير أداء الطقس البارد: ويحافظ الكهروليك الكهربائي على قدرة عالية على الحركة في درجات حرارة دون صفر، مما يتيح للبطاريات أن توفر قدرة قريبة من الفول في - 30 درجة مئوية.

النظم الكهربائية الهجينة

(ج) تستخدم معظم سفن البحث في أنتاركتيكا التي تستخدم صمامات كهربائية، وفي هذه التصميمات، يعمل مولد ديزل صغير (أو مولدات متعددة) في ذروة الكفاءة لشحن البطاريات وكهرباء المحرك الكهربائي، حيث يقدم مصرف البطارية دفعة إضافية للمناورات العالية القوة أو للمرور العابر الصامت، ويقلل هذا النهج من استهلاك الوقود بنسبة 20 إلى 30 في المائة مقارنة بنظام الميكانيكي النقي

Renewable Energy Integration

ويمكن أن تكمل الأفرقة الشمسية والأورام الريحية الطاقة على متنها، خاصة خلال الصيف المحوسب الذي تشرق فيه الشمس باستمرار تقريباً، كما أن صفائف الطاقة الفوتوفولية المجهزة على سطح السفينة أو الرهون القابلة للسحب يمكن أن تولد 50-100 كيلوواط لسفينة بحث متوسطة الحجم، بما يكفي لتغطية الحمولات الفنادق (الضوء، HVAC، المعدات العلمية) وتخفض سرعة تشغيل المولدات الكهربائية.

خلايا الوقود الهيدروجينية

وتُقدم خلايا وقود الهيدروجين بديلاً عن الإطلاق للدفع الأولي والطاقة الإضافية، وتُحوّل خلايا الوقود الهيدروجين إلى الكهرباء، وتنتج فقط بخار الماء وحرارة، وتعمل بكفاءة في الطقس البارد (حيث يمكن أن تستخدم خلايا الوقود الحرارة في الكابينة أو إدارة حراريات البطاريات) وتُمثل التحديات الرئيسية في تخزين الهيدروجينات وإخلاءها.

الإدارة الحرارية المتقدمة

وللإبقاء على البطاريات في نطاق عملها المثالي، تستخدم السفن الكهربائية الحديثة نظماً نشطة لإدارة الحرارة، وقد تشمل هذه النظم حلقات التبريد/التسخين بالسائل مع مضخات الحرارة، ومواد التغيير التدريجي التي تستوعب الحرارة أو تطلقها، حيث تذوب/توحد، وتدمج في الضميمة البطارية، وتستخدم بعض التصميمات حرارة النفايات من خلايا الوقود أو المولدات لتدفئة بنك البطاريات.

أجهزة توليد الكهرباء والإنذار

وتستبدل أجهزة الاستنشاق بالسيليكون (SiC) ونايتريد الجاليوم (GaN) أجهزة توليد الطاقة الكهربائية التقليدية القائمة على السيليكون، وتعالج هذه المواد ارتفاع الفولط ودرجات الحرارة بأقل من ذلك، وتحسن كفاءة المتحولين والمحولين بنسبة 5-10 في المائة، وبالنسبة للسفن القطبية الجنوبية والقارة القطبية الجنوبية، فإن الدافعات القائمة على السيك هي ذات قيمة خاصة لأنها تعمل بدرجة أكبر عند درجة حرارة المنخفضة ويمكن أن تكون متزامنة.

التوقعات المستقبلية وطريق التنفيذ

ومن المرجح أن يحدث الانتقال إلى الدفع الكهربائي لسفن البحوث في أنتاركتيكا في مراحل، مدفوعا بالنضج التكنولوجي، وخفض التكاليف، والضغط التنظيمي.

زهاء الساعة (2025-2030)

وستصبح النظم الهجينة لطاقة الديزل معيارا على أجهزة استنشاق الجليد وسفن البحث الجديدة، وستزداد قدرة البطاريات لدعم الساعات الصمتية التي تستغرق أربع ساعات، أو التشغيل الصفري - التي تكفي لمعظم مهام حفظ المحطة العلمية، وستقام رسوم على أساس الطلقات في محطات البحوث الرئيسية في أنتاركتيكا، وتستخدم في البداية مولدات الديزل، ولكنها ستستكمل تدريجيا بالمحاصيل المجهرية المتجددة.

منتصف المدة (2030-2040)

وستصبح البطاريات ذات الصلصة قابلة للتطبيق تجارياً في التطبيقات البحرية، مما سيمكن جميع الطاقات الكهربائية من 500-1000 ميل بحري لسفن البحث المتوسطة الحجم، وستُنشر خلايا وقود الهيدروجين كوحدات إضافية للطاقة، وسيبدأ إنتاج الهيدروجين الأخضر في محطات ذات موارد متجددة ووافرة (مثلاً، قبو ماك مورو، سيوا، كيسي).

Long-Term (2040-2050)

ومع استمرار التقدم في مجال تخزين الطاقة، ستكون العديد من سفن البحوث الجديدة في أنتاركتيكا كهربائية تماما أو هيدروجين - كهربائية، مع توفير الدعم فقط لتوسيع نطاق الطوارئ، وستؤدي محطات الشحن المستقلة ذاتيا في المخيمات الميدانية النائية، التي تعمل بالطاقة الرياح والطاقة الشمسية، إلى دعم سفن الشحن الكهربائية القابلة لإعادة استخدامها في بعثات إعادة الإمداد، ومن المرجح أن يُعهد بزراعة الدفع الصفري للسفن الجديدة العاملة في المياه القطبية الجنوبية.

خاتمة

ويمكن أن يشكل نشر الكهرباء لسفن البحث في أنتاركتيكا تحديات كبيرة وفرصا تحولية، بينما يمكن أن يستكشف العلماء المستعمرون البطاريات، وقيود كثافة الطاقة، وعدم وجود هياكل أساسية قادرة على تحمل تكاليفها، مشاكل حقيقية ولكن قابلة للتحمل، كما أن التكنولوجيات مثل البطاريات ذات الصلصة، والهيجينات، وخلايا الوقود الهيدروجينية، والإدارة الحرارية المتقدمة تتلاق للتغلب على هذه الحواجز.

For further reading on polar ship propulsion, see Maritime Executive’s analysis of electric icebreakers and the ] Nature Scientific Reports study on bat thermal management in polar climates.