החיפוש אחר החלקים העמוקים ביותר באוקיינוסים שלנו מסתמך רבות על המכשירים המוטבעים השולטים, החושיים, ומתקשרים בעולם של לחץ מחץ, חושך תמידי וטמפרטורות מגודות בלב כל משימה מוצלחת עמוק בים נמצא אתגר בסיסי: מתן תגובות אמינות, ארוכות טווח מסוגלות עם אחת מהסביבות הקיצוניות ביותר של כדור הארץ ללא מערכות כוח, כלי רכב תת-קרקעיים אוטונומיים (AU), ורחבים באופן חמור יותר את החיים היבשים וחסומיים, או מגבילים, ובודדים, ותומכים, כדי להתגבר על פני השטח, כדי להתגבר על פני השטח, או להתגבר על פני השטח.

הישבן הייחודי של הסביבה העמוקה

מערכות חשמל המיועדות ליישומים ארציים או אפילו מרחביים הן מצמצמות לאוקיינוס העמוק.הסביבה מציגה משולש אתגרים המדגישים יחד כל מרכיב – מהתגובה הכימית בתוך תא סוללה ועד לעצם הדיור והמחברים שלו.

לחץ הידרוסטטי

הלחץ עולה על ידי בערך אווירה אחת (14.7 psi) כל 10 מטרים של עומק. at 4000 מטרים, עומק נפוץ למחקר עמוק הים, הלחץ עולה על 400 אטריות. ב Mariana Trench בגובה של כמעט 11,000 מטרים, הלחץ עולה 1,100 אטמוספירה.כוח זה דחוס מתח מלא גז, עיוותים לחות, ויכול לגרום סוללות ליתיום מסורתיות לדירות קצר או מחסנים מלאים, לעתים קרובות, יש צורך לחץ חיצוני של אלקטרוניקה גבוהה.

טמפרטורה חופשית

מתחת לטמפרטורות התרחום, עמוק-ocean מרחף בין 0 מעלות צלזיוס ו 4 מעלות צלזיוס טמפרטורות קרות להפחית באופן דרמטי את שיעורי התגובה אלקטרוכימי בתוך סוללות, המוביל לירידה מתח, קיבולת מופחתת, ולהגדיל את ההתנגדות הפנימית.ה-0poweruralphFLT:1 של תאי ליתיום-יון יכול ליפול על ידי 20-30% בתנאים ללא טמפרטורות החדר.

מלחים קורוזיים ו- Biofouling

Seawater הוא אלקטרוליט מאוד מוליכים אשר מאיץ את קורוזיה גליאנית. Connectors, לחץ Penetrators, ומוסגרי מתכת חשופים למים מלח חייב להיות בנוי מסגסוגת עמידים תת-קרקעי (למשל, titanium, Inconel, או נירוסטה פלדה מיוחדים) או מוגן על ידי משחות הקרבה וציפוי אפילו סיכות קטנות או מנפחים של משטחים מהירים של אורגניזמים חשמליים, או ממריצים חשמליים, או ממריצים, או על פני השטח של כוח מזיקים, או על פני השטח הקדמיים, או על פני השטח הקדמיים חשמליים מיוחדים) או על פני השטח.

אפשרויות מקור ומגבלות

מהנדסים פיתחו כמה אסטרטגיות כדי לכפות מכשירים משובצים עמוק במים, כל אחד עם שינויים נפרדים בדחיסות אנרגיה, משך, ניידות ובטיחות.

בתי מלון ב-Bteries: The Workhorse of Underwater Power

סוללות נשאר מקור הכוח הנפוץ ביותר עבור מכשירים עמוקים הים.הכימאים העיקריים המשמשים כוללים:

  • (FLT:0) ליתיום-יון: 1FLT:1 צפיפות האנרגיה הגבוהה (150-250 Wh / kg) וחיי מחזור ארוכים, אך דורש מערכות ניהול סוללות מתוחכמות (BMS) כדי למנוע בריחה תרמית תחת לחץ.
  • (FLT:0) ליתיום ראשוני (למשל, Li-SOCl2):Freaph:1 מאוד צפיפות אנרגיה גבוהה (עד 500 Wh / kg) וחיי מדף מצוינים, אך לא ניתן לטעון ויכול להיות מסוכן אם הוא מוצף למשימות חד-כיונציה ארוכות או חיישנים מבזבזניים.
  • (FLT:0)Silver-Zinc: FIRLT:1 דחיסות כוח גבוהה וביצועים מצוינים במים קרים, אך חיי מחזור קצרים (בדרך כלל 50-100 מחזורים) ועלות גבוהה. Common in Military torpedoes וכמה מחקר AUVs.
  • (FLT:0) אלממנום-אוויר: 1FLT:1Build סוללה ראשונית עם צפיפות אנרגיה תיאורטית גבוהה מאוד, אבל דורש חמצן ממי הים ומייצר מימן; עדיין ניסיוני לשימוש עמוק בים.

המגבלה הבסיסית של סוללות היא אחסון האנרגיה הסופי שלהם.אפילו ערכות הסוללה הטובות ביותר להגביל את משך המשימה עד שעות או ימים, תוך כדי כך שהם מכריחים התאוששות תכופה לטעינה או להחליף.דירוג העומק ורכיבי האופניים גם כופים מתח מכני על חיפויי סוללות וחיבורים.

תאי דלק: משך מורחב במחיר

תאי דלק הופכים מימן וחמצן לחשמל עם מים כתוצר היחיד, המציעים משקעים אנרגיה פי שניים עד שלוש יותר מאשר סוללות. עבור יישומים עמוקים בים, שני סוגים נחקרים:

  • (FLT:0)Proton Exchange Membrane (PEM) תא דלק:Felo:FLT:1 קומפקטי ויעיל, אבל דורש מימן טהור וחמצן.מחיש גזים אלה בלחץ גבוה (או בhydrides מתכת) באוקיינוס העמוק מאתגר ומהווה סיכון לפיצוץ.
  • (FLT:0)Direct Methanol Fuel Cells (DMFCs): השתמש ב- 1 השתמש ב-Methanol נוזלי, קל יותר לאחסן, אך יש יעילות נמוכה יותר ודורש ניהול מים מורכב בתנאים קרים.

תאי הדלק יש משימות האיחוד האירופי פורצות שיא, כגון FLT:0 [של WHOI's REMUS AUV שהשיג 14 ימים של פעולה רציפה של TRAFLT:1] עם זאת, מאזן של השתלות (pumps, דחוסים, מחליפי חום) מוסיף מורכבות, ואת אחסון מימן בלחץ גבוה נשאר בטיחות וההסתמכה.

כוח טונג: אנרגיה בלתי מוגבלת, חירות מוגבלת

רבים עמוק-ים ROVs ו observatories שואבים כוח דרך כבל אטומי מכלי פני השטח או תחנת קרקעי. גישה זו מספקת אנרגיה בלתי מוגבלת ועלויות נתונים גבוהות, אך הtether עצמו מטיל מגבלות חמורות:

  • הכבל חייב להיות שריון כבד לעמוד במתח, בחיבוק ידיים ובכיפוף - מה שהופך אותו כבד ויקר מאוד.
  • Tetherגרור ומשקל להגביל את טווח הרכב ואת יכולת תמרון.
  • אובדן כוח בכבל (I2R הפסדים) יכול להיות משמעותי על פני מרחקים ארוכים, הדורש שידור גבוה (אלפי תנופה) ושינויים כבדים בצד התת-ימי.
  • הפסקה אחת ב-tether יכולה לסיים משימה או לגרום לאובדן של ציוד יקר.

למרות חסרונות אלה, מערכות tethered עדיין דומיננטיות בבנייה כבדה, תיקון, ומשימות דגימה מדעית שבו כוח גבוה ושליטה מתמשכת הם חיוניים.

אנרגיה: כוח מן הסביבה

כדי להרחיב את משך המשימה, החוקרים מפתחים שיטות לקצירת אנרגיה מהסביבה המעמקית הים עצמה.

  • (FLT:0) אוצ'אן האנרגטי (OTEC) ב- Reverse:cioFLT:1 (באמצעות ⁇ הטמפרטורה בין מים חמים לפני השטח למים עמוקים קרים כדי לייצר חשמל באמצעות טורבינות קטנה או גנרטור תרמואלקטרי. בעוד שניתן למיילדות דביקות, ⁇ קטן (10–20 מעלות צלזיוס) מגביל את הכוח ל- מילימטר או רמות נמוכות-וואט - אך לא חיישנים למניעה.
  • (FLT:0Seawater Flowing:FLT:1) טורבינים או גנרטורים אדזואלקטריים שהוצבו בזרם האוקיינוס או בתוך צריכת מים של כלי רכב תת-ימיים יכולים לייצר כמה וואטים. עבור מגורים עמוקים, המהירויות הנוכחיות המטבוליות הן לעתים קרובות מדי נמוכות מדי (be 0.5 מ's) כדי להיות שימושי.
  • (FLT:0Chemical Harvesting: FLT:1hiling aodes עשויים אלומיניום או אבץ במי ים ומתחבר ל- Cathode (לעתים קרובות מתכת אצילית) יוצר תא גליאני שיוצר זרם קטן.
  • (FLT:0)Radioisotope Thermoelectric Generators (RTGs): שימוש ב- 1Freaved במשימות חלל, RTGs מסוגלים טכנית לספק כוח ארוך טווח מתחת למים, אך השימוש שלהם מוגבל מאוד בשל שיקולים רגולטוריים, סביבתיים, עלות ובטיחות.הם הוצבו בכמה פלטפורמות מחקר צבאיות ועמוקות, אך אינם נפוצים.

קצירת אנרגיה כיום משמשת כמקור חשמל ראשוני עבור מערכות משובצות עמוק בים.

חידושים טכנולוגיים מתייחסים לאתגרי כוח

ההכרה במגבלות של פתרונות חשמל קיימים, מהנדסים ומדענים דוחקים קדימה עם חידושים המבטיחים לשפר באופן דרמטי את האמינות והיכולות של מערכות חשמל עמוקות בים.

לחץ-לחץ-לסובלנות

במקום להשתמש בדיור לחץ כבד, כמה מערכות מודרניות מרעישות סוללות ואלקטרוניקה בשמן דיאלקטרי או נוזל שמשווה את הלחץ עם מי הים שמסביב. גישה "לחץ-סובלנות" זו מפחיתה באופן דרמטי משקל ונפח, והיא מבטלת את הצורך בספירות טיטניום עבות ומוזנחות במיוחד.חבילות סוללות מלאות שמן באמצעות תאי ליתיום הוכחוגני מלא (11,000), אך מפותחות במיוחד עבור מתחמי חום וחום גבוה.

מערכות ניהול סוללות מתקדמות (BMS) עבור Cold and Pressure

יחידות BMS מודרניות עבור יישומים עמוקים הים עכשיו לשלב אלגוריתמים לפצות על מתח קר-זמן מתח חבלה וחימום פנימי. חלק מהעיצובים כוללים תנורי חום משולבים מופעלים על ידי הסוללה עצמה כדי להעלות את הטמפרטורה של תאים לפני שמושכים עתירי זמן גבוהה. אחרים משתמשים במודלים חיזוייים כדי לייעל את שערי השחרור המבוססים על עומק בזמן אמת ונתוני טמפרטורה.

העברה אלחוטית לדוקים עמוקים

כדי לחסל את הצורך במחברים פיזיים (אשר הם כשלים תחת לחץ), החוקרים מפתחים תחנות טעינה תת-קרקעיות.אלה משתמשים בשיקום מגנטי כדי להעביר כוח באמצעות מי הים ודיור פלסטיק ממושמע לחץ.האתגר הוא שמירה על יעילות על פערי אוויר של כמה סנטימטרים תוך התמודדות עם מוליכות של מי הים, אשר יכול לגרום להפסדים הנוכחיים.

מערכות חשמל היברידיות: שילוב הטוב ביותר של כל אחד

המגמה המבטיחה ביותר היא שילוב של מקורות אנרגיה מרובים למערכת אחת.רכב היברידי טיפוסי של הים התיכון עשוי לשלב סוללה ראשונית באנרגיה גבוהה (למשל, ליתיום ראשוני) עבור פעולות בסיס עם חבילת ליתיום חד פעמית להפחתת כוח עבור מתגי סוללה גבוהה, ותא דלק קטן לתקופות עומס גבוהות.

ניהול מהיר

דחיית חום במכשירים עמוקים הים היא מאתגרת כי מים הם מנצח טוב אבל הלחץ הגבוה אומר כי כי כי הכיור חום קונבנציונלי ומעריצים אינם יעילים. פתרונות חדשניים כוללים שימוש בלולאות קירור נוזליות עם מי הים עצמו כמו הכיור החום הסופי, או שילוב חומרים של שינוי שלב (PCMs) סופג חום במהלך פעילות בעוצמה גבוהה ושחרורו לאט במהלך תקופות כוח נמוך.

יישומים אמיתיים ומקריות

את המעשיות של מערכות כוח עמוק הים ניתן לראות במספר יישומים בעלי פרופיל גבוה:

  • (FLT:0)Nereid under Ice (NUI) AUVrea:FLT:1 תוכנן על ידי WHOI עבור חיפוש תחת ice, NUI משתמש במערכת היברידית של סוללות ליתיום-יון ותא דלק אלומיניום-אוקסגן כוח גבוה עבור משימות מורחבות מתחת לקרח הארקטי.
  • (FLT:0)Seafloor Observatories:BuildFLT:1 רשתות כבלים כמו Ocean Networks של NEPTUNE ו- US Ocean Observatories Initiative לספק כוח גבוה קבוע (2-10 קילוואט) לערכים באמצעות כבלי קרקעית הים.הם מספקים בסיס להבנת דרישות כוח של מכשירים משובצים לטווח ארוך.
  • (FLT:0)Deep-Sea Mining Prototypes:FLT) 1 חברות חקרו נוודים פולימטאלים משתמשים ב-ROVs עם כוח רב-מיגה-וואט מכלי פני השטח, מדגיש את הסחר-off בין כוח בלתי מוגבל לבין מגבלות של tether.

מסקנות ו-Outlook

כוח מכשירים משובצים בים העמוק נשאר אחד האתגרים ההנדסיים המעמיקים ביותר בתחום האוקיאנוסיגרפיים.שילוב של לחץ קיצוני, קורוזיה, ומגבלות הגישה, כדי להפוך את הפשרה הקשה בין צפיפות האנרגיה, בטיחות, משקל, ועלות. בעוד סוללות מסורתיות, תאי דלק, וכבלים טטרופסים כל אחד מהם יש מקום שלהם, שום טכנולוגיה אחת עדיין לא מספקת פתרון אוניברסלי עבור פעילות ממושכת, פעילות לא יציבה, פעילות עמוקה.

העתיד שוכן במערכות היברידיות והסתגלות המשלבות מקורות אנרגיה מרובים עם ניהול אינטליגנטי, כמו גם במתן טכנולוגיות כמו טעינה אלחוטית, אלקטרוניקה סובלנית לחץ, וקצירת אנרגיה יעילה. כמו חקר אוויר עמוק מתרחב לכלול תצפית ארוכת טווח האוקיינוס, ניטור האקלים, ומיצוי משאבים פוטנציאלי, הביקוש לפתרונות אנרגיה אמינים, קומפקטיים, ומשתנים רק יגדלו.