الكهرباء الإجبار على الإقلاع أجهزة التنقيب في أعماق البحار

مقدمة: قوة الجبهة غير المنظورة

ولا يزال المحيط العميق واحدا من أقل المناطق استكشافا على الأرض، حيث لا يزال أكثر من 80 في المائة من مساحاته غير مجهز وغير ملاحظ، ويدرس المستكشفون الآليون - المستكشفون الآليون - المشغلون عن بعد - المركبات ذاتيا تحت الماء - أدوات لا غنى عنها للاكتشاف العلمي، وتقييم الموارد، والرصد البيئي في هذه البيئات القصوى، ويكمن في صميم هذه البعثات على تكنولوجيا تمكينية حرجة:

ما هو الرش الكهربائي للروبوتات تحت الماء؟

ولا تستخدم نظم الدفع الكهربائي في الروبوتات في أعماق البحار واحدة أو أكثر من محركات السيارات الكهربائية - التي لا توصف بحمض أو محركات متزامنة دائمة - لحمل محركات الدفع أو القاذفات أو غيرها من آليات التشحيم، وتحوّل الطاقة الكهربائية من مصدر طاقة على متنها (البطارات أو خلايا الوقود أو نظام الهجين) إلى محركات ميكانيكية متطورة، وتنتقل مباشرة من خلال محركات متحركة

العناصر الرئيسية لنظام الدفع الكهربائي

• Electric Motor:] Typically a brushless DC (BLDC) motor or a permanent magnet coincidehronous motor (PMSM) for high efficiency and torque density. These motors are often oil-filled or encapsulated to withstand hydrostatic pressure.
• Motor surveillance/Drive:] A power electronics module that converts DC battage into a multi-phase AC waveform to control motor speed and torque. Advanced controllers support regenerative braking for energy recovery during descent or deceleration.
• Propeller or Thruster:] Designed for low cavitation and high momentum at low speeds. Ducted pushers are common for maneuverability in ROVs, while open propellers are used on higher-speed AUVs.
• المصدر: البطاريات، خلايا الوقود، أو المكثفات التي تخزن وتسلم الطاقة الكهربائية، وقد يشمل النظام وحدات إدارة الطاقة لتنظيم الفولط، ورصد حالة الشحن، والحماية من الدوائر المغلقة أو القصيرة.
• Sealing and Pressure Compensation:] Oil-filled housings, pressure-balanced oil-filled (PBOF) penetrators, and ceramic feedthroughs are used to prevent seawater ingress while allowing pressure equalization.

مستلزمات الدفع الكهربائي في الأجهزة العميقة

وقد أدى انتشار الكهرباء إلى حد كبير إلى وضع نظم هدرائية ونايومية في الروبوتات الحديثة في أعماق البحار بسبب خصائص الأداء العليا له، ويلينا ندرس كل ميزة بالتفصيل.

ارتفاع الكفاءة والطول

وتحقق المحركات الكهربائية كفاءة تتراوح بين 85 و95 في المائة عبر نطاق واسع من سرعة الحرارة، وتتجاوز كثيرا محركات الاحتراق (20-40 في المائة) والنظم الهيدروليكية (40-60 في المائة) وتترجم هذه الكفاءة مباشرة إلى فترات أطول من البعثات بقدرة بطارية معينة، وعلى سبيل المثال، فإن تصميمات البيوت المهددة بالدواء () تؤدي إلى زيادة الضغط السطحي ().

مراقبة المباني وإمكانية المناورة

ويتيح الدفع الكهربائي السيطرة السريعة والدقيقة على حجم الدفعات واتجاهاتها، ويمكن أن تقوم المركبات البوليفية بتنفيذ أنماط مسح معقدة ذات دقة على مستوى المسافات المئوية، بينما يمكن للسفن الإقليمية أن تحافظ على تيار قوي مع استقرار الوضع في المنطقة دون الإقليمية، وهذا الدقة أمر أساسي لمهام مثل أخذ عينات من المرجانيات الهشة في أعماق البحار، والتلاعب بالأدوات العلمية، أو إجراء تفتيش على الهياكل الأساسية الرقمية ذات السرعة.

انخفاض عدد الأفراد الذين يعانون من نقص في عدد أفراد أسرهم

وتولد أساليب الدفع التقليدية ضجة سمعية كبيرة من حرق المحرك، وتدريبات المعدات، والمضخات الهيدروليكية، كما أن المحركات الكهربائية، لا سيما عندما تستخدم تشكيلات القيادة المباشرة، تنتج مستويات أقل من 60 دروجينياً من ثاني أكسيد الكربون من 1 ميغاواط. وهذه العملية الهادئة حاسمة لدراسة الأنواع السونية الحساسة من الأعماق (مثلاً، الضجيج الخافتة، والأسماك، والماشية).

الصيانة الدنيا وتعزيز الموثوقية

ونظراً لقلة قطع الغيار المتحركة ولا توجد ختم للسائل الهيدروليكي العالي الضغط، فإن نظم الدفع الكهربائي تتطلب صيانة أقل تواتراً مقارنة بالسيارات الهيدروليكية أو الميكانيكية، ويمكن للمحركات الكهربائية أن تدار لآلاف الساعات دون استبدال الفرش أو تغيير النفط، كما أن عدم وجود سوائل الهيدروليكية يزيل أيضاً خطر التلوث البيئي من التسربات، وفي العمليات البعيدة ذات الميزة في أعماق البحار، حيث يمكن أن تكون المركبة قادرة على إصلاح مرفق من الكيلومترات.

القابلية للتسويق والوحدة

ويمكن توسيع نطاق المحركات الكهربائية من المركبات الصغيرة ذات المدارات الصغيرة جدا (دون 10 كيلوغرامات) إلى مركبات تعدين عميقة سطح البحر (أكثر من 100 طن) باستخدام محركات ذات درجات متفاوتة من الطاقة، ويمكن إعادة استخدام نفس هيكل التحكم وتكنولوجيا البطاريات عبر مختلف المنابر، مما يقلل من تكاليف التنمية والاحتياجات التدريبية، وتتيح أحواض الدفع الكهربائي الحديثة استبدال أو رفع مستوى فرادى المحركات دون حدوث اضطرابات رئيسية في المركبات.

مصادر الطاقة للكهرباء

إن كثافة الطاقة وكثافة الطاقة وسلامة مصدر الطاقة تحدد مباشرة مدى تحمل الإنسان الآلي في أعماق البحار، وتقدير العمق، والصورة التشغيلية، وتُستخدم ثلاثة فئات رئيسية من مصادر الطاقة اليوم: البطاريات القابلة للشحن، وخلايا الوقود، والنظم الهجينة، كما أن التكنولوجيات الناشئة مثل المكثفات وجني الطاقة بدأت في العثور على تطبيقات النيتشي.

البطاريات الليثيوم -يون: مجموعة العمل

Lethium-ion (Li-ion) batteries dominate modern deep-sea Robics, offering energy densities of 200-300 Wh/kg at pressures up to 600 bar. High-capacitypack are built from cylindrical 18650 or prismatic cells, assembled in series-parallel formations and encased in oil-filled pressure-tolerant housings.

سفارة الدولة الصلبة: الجبهة القادمة

ويمكن أن تحل البطاريات ذات العجلات الصلبة محل البطاريات السائلة بالبطارية الصلبة أو الكهروليت المتعدد البوليمر، مما يتيح زيادة كثافة الطاقة (400 إلى 500 من العجلات/كغ) وإزالة مخاطر القابلية للاشتعال، وعلى الرغم من أن هذه البطاريات لا تزال قيد التطوير، فقد تم اختبار الحزمة الأولية الثابتة في ضغط يعادل عمق 000 11 متر.

خلايا الوقود: كثافة الطاقة العالية للبعثات الموسعة

وتقدِّم خلايا وقود الهيدروجين - الأوكسجين ثلاث إلى خمس مرات كثافة الطاقة في بطاريات ليون، مما يجعلها مثالية لبعثات طويلة الأجل (أيام إلى أسابيع) وتحتوي URV-MAP على مركبة مستقلة تحت الماء، وهي مركبة ممتدة من جامعة طوكيو، على خلية وقود متعددة المقاييس ذات نطاق مكثف من المواد الهيدروجينية، تشمل 000 96 ساعة من التخزين.

تسخير الطاقة من المحيط

Some deep-searoids supplement their primary power supply with energy harvesting technologies. Solar panels can trickle-charge the bat when the vehicle surfaces, as seen in the ]Wave Glider and certain coastal AUVs.

التحديات التي تواجه التكاثر الكهربائي في الأجهزة العميقة

وعلى الرغم من فوائدها الكثيرة، يجب أن تتغلب تكنولوجيا الدفع الكهربائي على عدة تحديات هائلة تفرضها بيئة أعماق البحار.

الضغط الهيدروستاتي والنزاهة البحرية

ويتجاوز الضغط 600 بار (60 درجة مئوية) ويجب أن تُوضع محركات كهربائية ومراقبتها الإلكترونية في مضبوطات مقاومة للضغط (التيتانيوم أو السيراميك) أو في غلاف النفط المتوازن، وتسمح تصميمات البوليفوري بتساوي الزيت الداخلي مع الضغط المكثف، مما يتيح استخدام مكونات التوسيع الموحّدة.

حدود كثافة الطاقة

وتوفر تكنولوجيا البطاريات الحالية طاقة كافية للبعثات التي تستغرق عشرات ساعات، ولكن ليس بالنسبة لدراسات استقصائية عبر المحيطية أو حملات تعدين في أعماق البحار قد تتطلب شهورا من التشغيل المستمر، وتوفر خلايا الوقود كثافة عالية في الطاقة، ولكنها تُحدث تعقيدات في مجال تخزين الهيدروجين وإدارة المياه، ولا يزال الحد الأساسي للتخزين الكهرمائي (نحو 500 كيلوغرام في البطاريات الليفية) أقل من ذروة الوقود الهيدروجيني.

الإدارة الحرارية في الضغط العالي

وتولد السيارات الكهربائية والإلكترونيات الكهربائية حرارة النفايات التي يجب تفريقها، وفي المياه العميقة، يتم قمع الامتزاز الطبيعي، ولا يمكن استغلال الموصلات الحرارية العالية للمياه البحرية استغلالا كاملا لأن المحرك مُزَوَّل داخل سكن مُغلق، كما أن نظم التبريد النشطة التي تستخدم تداول النفط الداخلي مع مبادلات الحرارة الخارجية مطلوبة لأجهزة الدفع العالية (فوق 10 كيلوواط) من أجل استخدام المركبات ذات الإطار الحركيات المنخفضة.

التصويب والتعبئة الحيوية

إن مياه البحر متصلة جدا بالمعادن والكثير من البوليمرات، ويجب حماية المحركات الكهربائية والموصلات بمواد مقاومة للتآكل )اليتانيوم، والصلب اللاصق ٣١٦ لام، مونيل( أو المعاطف )المركبات النيكلية - السرطانية( بينما يظل تراكم البارناكل والآلغا وغيرها من الكائنات الحية تحت الأداء الدافعي للارتداد وزيادة الحادة.

أجهزة ريال - العالم في أعماق البحار تستخدم التكاثر الكهربائي

ROV جيسون (Woods Hole Oceanographic Institution)

إن نظام " ROV " (Jason ) هو عبارة عن رنّ علمي عميق في أعماق البحار يُقدر بعمق 500 6 متر، ويتألف نظام الدفع الكهربائي التابع له من 7.5 كيلوواط مدافع من طراز DC (الأربعة الأفقية، ثلاثة عمودية) توفر رقابة دقيقة على أخذ العينات، والتصوير، ونشر الأجهزة.

الاتحاد الأفريقي في سنتر (مؤسسة وودز هول الأوقيانوغرافية)

ويسمح Sentry] AUV بسيارة مستقلة ذاتية في أعماق البحار قادرة على رسم خرائط لقاع البحر في أعماق تصل إلى 500 4 متر، وتستخدم مدافع كهربائية تعمل على الدفع الأمامي وأربعة ٠,٧٥ كيلو فولت من القاذفات العمودية لمراقبة الأعماق، وكلها تحركها عبوات البطارية ذات السميوم الواحد.

ROV/AUV Nereid Under Ice (WHOI)

إن Nereid Under Ice (NUI)] هو رنين مختلط/مركب مصمم للاستكشاف تحت أرفف الجليد، ويمكن أن يعمل كمحطة إيكولوجية غير مجهزة بأجهزة الإطلاق في المنطقة المحيطة بالبحوث الواسعة النطاق أو كبطارية ربيعية دقيقة للفيديو وعينات ذات التردد العالي، يستخدم نظام الدفع الكهربائي ثمانية محركات.

التطورات المستقبلية والاتجاهات الناشئة

الشحنات غير الموصّلة والتكثّف

ولتمديد مدة البعثة دون استرجاعها، تقوم أفرقة البحوث بتطوير محطات للطوابق تحت الماء يمكنها نقل الطاقة اللاسلكية باستخدام الانقلابات الانتقائية. وقد أظهرت مركبات البورصة مثل Tethys و[F--LT:2]] SeaEye تحديات ناجحة في مجال التكديس والشحن في المياه الضحلية.

ألف - التنفيذ المتكامل لإدارة الطاقة على الوجه الأمثل

ويجري إدماج أجهزة الاستخبارات الفنية والتعلم الآلي في مخططي البعثات لتحقيق الاستخدام الأمثل للطاقة الدافعة على أساس تيارات المحيطات وكثافة المياه وأولويات البعثات، ويمكن لجهاز تقييم المحيطات أن يعدل سرعته ويتجه في الوقت الحقيقي إلى الحد الأدنى من استهلاك الطاقة، مثل الجلود، ولكن مع الزخم النشط، وقد تبين لهذا النهج، الذي يسمى " تخطيط المسارات في المحيط الهادئ - المتنوع " ، أن يخفض حجم البطاريات إلى 30 في المائة.

نظم الكهرباء الهجينة

وبالنسبة للمهام العالية جدا مثل الحفر في أعماق البحار أو التلاعب بالأجسام الثقيلة، فإن التكتل الكهربائي النقي قد لا يوفر بعد كثافة حرارية كافية، فالنظم الهجينة التي تستخدم السيارات الكهربائية لدفع مضخة هيدروليكية تُعطي المحركات الكهربائية - المحركات حلا وسطا، وتعمل في نقطة الكفاءة المثلى، بينما يوصل النظام الهيدروليكي طاقة عالية في المستقبل.

المواد المتقدمة لاسقاط الوزن الخفيف

ويمكن أن يؤدي التصنيع الإضافي (3Dطباعة) للمسكنات المعدنية للمحركات، والزواحف، وحالات الضغط إلى خفض الوزن، وإلى تمكين الجيولوجيات المعقدة التي تحسن الديناميات المائية، وعلى سبيل المثال، يمكن أن تحتفظ أجهزة الدفع المجهزة بالبطاقات المطبوعة من سبيكة التيتانيوم بالقوة، بينما تقلل الكتلة بنسبة 40 في المائة، وتزيد مباشرة من قدرة الحمولة أو تحملها، كما أن أجهزة الدفع المتعددة الدفع العاملة بالكربونات تعمل على تقييم محدود جدا، ولكن يجب أن تكون كذلك.

تخزين الطاقة في أعماق البحار خارج البطاريات

ويستكشف الباحثون، في الأجل الطويل، تخزين الطاقة باستخدام مواد تغيير المرحلة أو الهواء المضغوط في مثانة مرنة لتوليد الطاقة المنخفضة التكلفة وطويلة الأجل، وفي حين أن من غير المحتمل أن تحل هذه البطاريات محل الدفع العالي القوة، فإنهم يستطيعون إيجاد أجنحة استشعارية كهربائية أو صمامات منخفضة السرعة لمدة أشهر في وقت ما، فإن النظام القائم على نظام PCM-FBS يستخدم درجة الحرارة المتطاولة بين المياه السطحية والبردة.

الخلاصة: التكاثر الكهربائي كمؤسسة لاكتشاف المحيطات

وقد أصبح الدفع الكهربائي معياراً للآليات المتقدمة في مجال الاستكشاف العميق، حيث يوفر الكفاءة غير المتطابقة، والدقيق، والموثوقية في أكثر البيئات تطرفاً في العالم، ومن المحركات العالية الموثوقية للروبوت مثل جيسون إلى التوجيه المستقل للثلجية والزائدة تحت الجليد، فإن السيارات الكهربائية قد مكّنت من اكتشافات لا يمكن تصورها إلا جيل من الكيمياء الاصطناعية النشطة.

For further reading, consult the following resources: Woods Hole Oceanographic Institution – Underwater Vehicle, IEE —water Propulsion System for Deep-sea AUVs,