Στον 21ο αιώνα, η υποβρύχια ισχύς δεν καθορίζεται πλέον μόνο από τον αριθμό των υποβρυχίων ή το οπλικό τους φορτίο (με τορπίλες, πυραύλους και πλέον και με USV), αλλά και από τη δυνατότητα παραμονής σε βύθιση χωρίς εντοπισμό, την επιβιωσιμότητα σε περιοχές αυξημένης ανθυποβρυχιακής επιτήρησης και, κυρίως, από την ανθεκτικότητα σε επιχειρήσεις μεγάλης διάρκειας. Εδώ η ανάπτυξη του Air-Independent Propulsion (AIP), δηλαδή των συστημάτων αναερόβιας πρόωσης, αποτελεί ίσως τη σημαντικότερη τεχνολογική εξέλιξη στα συμβατικά υποβρύχια.
Τα τυπικά ντιζελοηλεκτρικά υποβρύχια, όσο εξελιγμένα και αν είναι, αναγκάζονται να αναδύονται περιοδικά ή να χρησιμοποιούν αναπνευστήρα προκειμένου να φορτίσουν τις μπαταρίες του, οπότε εκθέτονται σε εχθρικά ραντάρ, δορυφόρους ή ακόμη και συστήματα ESM (αν εκπέμψουν). Η συγκεκριμένη διαδικασία (“αδιακρισία” όπως λέγεται) μπορεί να κρατήσει λίγη ώρα, αλλά είναι αρκετή για να καθορίσει την έκβαση μιας αποστολής σε περιβάλλον υψηλής έντασης.
Το AIP δεν αντικαθιστά την κύρια μηχανή, ούτε προορίζεται για υψηλές ταχύτητες καταδίωξης ή διαφυγής. Λειτουργεί ως υποβοηθητικό, χαμηλού ρυθμού κατανάλωσης και χαμηλού ακουστικού ίχνους σύστημα, το οποίο επιτρέπει στο υποβρύχιο να κινείται αθόρυβα με 3 έως 6 κόμβους επί εβδομάδες, χωρίς καμία επαφή με την επιφάνεια. Αυτή η πρόσθετη «υποβρύχια αντοχή» είναι ανεκτίμητη, διότι δίνει στο πλήρωμα την ελευθερία επιλογής χρόνου και τόπου εμπλοκής, επιτρέποντας έτσι τον αιφνιδιασμό του αντιπάλου. Γι’ αυτό και η ζήτηση για υποβρύχια με συστήματα AIP αυξήθηκε ραγδαία μετά το 2000, καθώς περισσότερα ναυτικά επιδιώκουν «σιωπή» χωρίς το οικονομικό, πολιτικό και τεχνικό βάρος ενός πυρηνικού αντιδραστήρα.
Σήμερα, τρεις τεχνολογικές σχολές κυριαρχούν στην Ευρώπη και καθορίζουν το μέλλον των συμβατικών υποβρυχίων σε συστήματα AIP: η γερμανική PEM Fuel Cell, η οποία θεωρείται το πρότυπο stealth και ενεργειακής απόδοσης, η σουηδική των Stirling, η οποία προσφέρει αξιοπιστία και εφοδιαστική ευελιξία, και η γαλλική προσέγγιση, με MESMA – FC2G, η οποία παραμένει περισσότερο θεωρητική παρά επιχειρησιακή πραγματικότητα. Κάθε μία αντιπροσωπεύει διαφορετική αντίληψη για το τι σημαίνει επιχειρησιακή αντοχή, τεχνική ωριμότητα και απαίτηση υποδομής.
Η γερμανική κυριαρχία και η ωρίμανση των PEM Fuel Cells
Η συγκεκριμένη τεχνολογική προσέγγιση βασίζεται στην ηλεκτροχημεία επιτυγχάνοντας πολύ χαμηλό επίπεδο θορύβου, υψηλή ενεργειακή απόδοση και μακρά διάρκεια λειτουργίας χωρίς ανεφοδιασμό. Χρησιμοποιούνται κυψέλες καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (Proton Exchange Membrane Fuel Cells – PEM) ως “στοίβες” ηλεκτροχημικών αντιδραστήρων, στις οποίες το υδρογόνο διασπάται σε ηλεκτρόνια και πρωτόνια με τη βοήθεια καταλυτών πλατίνας. Τα ηλεκτρόνια κινούνται σε εξωτερικό κύκλωμα παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα, ενώ τα πρωτόνια διαπερνούν τη μεμβράνη και συνδυάζονται με οξυγόνο σχηματίζοντας νερό ως μοναδικό παραπροϊόν, χωρίς θόρυβο, κραδασμούς ή καυσαέρια.
Η λειτουργία γίνεται σε θερμοκρασίες 60 έως 85°C, με πιέσεις 2 έως 5 bar, επιτρέποντας απόδοση 55 έως 60%, σχεδόν διπλάσια από θερμικούς κινητήρες. Η ενεργειακή πυκνότητα φτάνει τα 1,8 kW ανά κιλό, επιτρέποντας στο υποβρύχιο να κινείται με 4 έως 6 κόμβους για διάστημα 18 έως 24 ημερών χωρίς snorkel. Η κατανάλωση οξυγόνου είναι χαμηλή, γεγονός που μειώνει τις απαιτήσεις αποθήκευσης και αυξάνει την αυτονομία. Τα υποβρύχια Type 212A διαθέτουν εννέα μονάδες των 34 kW, αλλά οι νεότερες εκδόσεις Type 214 και 218SG έχουν περάσει σε μονάδες 120 kW, επιτρέποντας μεγαλύτερη ενεργειακή σταθερότητα και καλύτερη φόρτιση συσσωρευτών.
Η Siemens και η HDW άρχισαν να αναπτύσσουν πρωτότυπα PEM στα τέλη της δεκαετίας του 1970, με εργαστηριακές δοκιμές στις αρχές του 1980 και την πρώτη εγκατάσταση σε υποβρύχιο το 1998, με την είσοδο σε υπηρεσία των Type 212A του Γερμανικού Ναυτικού. Έκτοτε, η τεχνολογία εξήχθη σε Ελλάδα, Τουρκία, Πορτογαλία, Νότια Κορέα, Ισραήλ, Σιγκαπούρη και Ιταλία, ενώ το 2025 υπάρχει αρχική επιλογή από την Ινδία για το πρόγραμμα Project 75I για έξη σκάφη.
Όμως η υπεροχή των PEM συνοδεύεται από αυξημένες απαιτήσεις βαρέων και ακριβών υποδομών στην ξηρά. Εκεί χρειάζονται ειδικές εγκαταστάσεις αποθήκευσης και διαχείρισης υδρογόνου, συστήματα κρυογενικής διατήρησης υγρού οξυγόνου, σταθμούς πλήρωσης metal hydrides, συστήματα αντιεκρηκτικής προστασίας, υποδομές πιστοποίησης πίεσης, μονάδες ελέγχου καθαρότητας και εξειδικευμένο προσωπικό. Το κόστος δημιουργίας τέτοιας υποδομής μπορεί σήμερα να ξεπεράσει τα 150 έως 250 εκατομμύρια ευρώ ανά ναύσταθμο, ανάλογα με το μέγεθος στόλου, τις απαιτήσεις ασφαλείας και τις ρυθμιστικές προδιαγραφές.
Η Ελλάδα έχει ήδη επενδύσει σε αυτή την τεχνολογία, στο πλαίσιο της απόκτησης των Type 214 και του εκσυγχρονισμένου «Ωκεανός», και συνεπώς έχει απορροφήσει το μεγαλύτερο μέρος του κόστους. Αυτό αποτελεί πλεονέκτημα, διότι σημαίνει ότι κάθε νέο ελληνικό υποβρύχιο με PEM μπορεί πλέον να υποστηριχθεί χωρίς νέα μεγάλη οικονομική επένδυση.
Ωστόσο, η ύπαρξη εξειδικευμένης υποδομής δημιουργεί και στρατηγική ευπάθεια. Εάν οι εγκαταστάσεις υδρογόνου πληγούν σε παρατεταμένη σύρραξη, είτε από βαλλιστικά πλήγματα είτε από κυβερνοδολιοφθορά είτε από ειδικές επιχειρήσεις, τα ελληνικά Type 214 θα δυσκολευτούν να ανεφοδιαστούν. Σε τέτοιο σενάριο, η επιχειρησιακή διαθεσιμότητα του στόλου μπορεί να μειωθεί δραματικά.
Παρ’ όλα αυτά, η Ελλάδα έχει σημαντικό στρατηγικό αντιστάθμισμα. Μπορεί να ανεφοδιάσει τα υποβρύχιά της σε συμμαχικές χώρες, όπως Ισραήλ και Ιταλία, των οποίων οι υποδομές δεν είναι προσεγγίσιμες από την Τουρκία. Δεδομένου ότι τα ελληνικά υποβρύχια θα επιχειρούν κατά κύριο λόγο στην Ανατολική Μεσόγειο, η ασφάλεια εναλλακτικών σημείων ανεφοδιασμού μειώνει τον κίνδυνο επιχειρησιακού αποκλεισμού. Το Ισραήλ, μάλιστα, διαθέτει ήδη υποδομές PEM λόγω των Dolphin AIP, ενώ η Ιταλία υποστηρίζει τα δικά της Type 212, κλάσης Todaro, προσφέροντας πλήρη τεχνική διαλειτουργικότητα.
Η σουηδική παράδοση αξιοπιστίας και η διαχρονική αξία των Stirling
Το σουηδικό σύστημα Stirling AIP είναι τεχνολογικά απλούστερο, ενεργειακά λιγότερο αποδοτικό, αλλά εφοδιαστικά πιο ανθεκτικό. Πρόκειται για θερμικό κινητήρα κλειστού κύκλου τύπου Stirling, όπου ένα αδρανές αέριο – κυρίως ήλιο – θερμαίνεται από εξωτερική καύση ντίζελ με υγρό οξυγόνο σε θερμοκρασίες 600 έως 750°C, αυξάνοντας την πίεση του αερίου έως και 200 bar. Η διαστολή και συστολή του αερίου κινεί έμβολα, τα οποία μετατρέπουν τη θερμική ενέργεια σε μηχανικό έργο και στη συνέχεια σε ηλεκτρική ισχύ.
Η απόδοση βρίσκεται στο 30 έως 40%, δηλαδή χαμηλότερη από την τεχνολογία PEM, αλλά η απαιτούμενη τεχνική υποδομή είναι ασύγκριτα απλούστερη. Η μονάδα Stirling παράγει 75 kW, και τα υποβρύχια διαθέτουν συνήθως δύο έως τέσσερις τέτοιες μονάδες. Η διάρκεια συνεχούς κατάδυσης ανέρχεται σε 14 έως 18 ημέρες, επαρκής για αποστολές εντός κλειστών θαλασσών όπως η Βαλτική, το Αιγαίο και η Ανατολική Μεσόγειος. Ο θόρυβος είναι χαμηλός, αλλά όχι μηδενικός, αφού υπάρχουν κινούμενα μέρη.
Η Σουηδία κατέστησε το Stirling επιχειρησιακή πραγματικότητα ήδη από το 1988 με το υποβρύχιο Näcken, ενώ τα κλάσης Gotland έγιναν διάσημα όταν κατάφεραν να «βυθίσουν» το αμερικανικό αεροπλανοφόρο USS Ronald Reagan σε άσκηση του 2005. Σήμερα, Σουηδία, Ιαπωνία, και στο μέλλον η Πολωνία αξιοποιούν τη συγκεκριμένη τεχνολογία.
Το πλεονέκτημα των Stirling δεν είναι τεχνικό, αλλά εφοδιαστικό. Τα απαραίτητα καύσιμα – ντίζελ και υγρό οξυγόνο – είναι ήδη διαθέσιμα σε κάθε ναύσταθμο του ΝΑΤΟ, δεν απαιτούν ειδικές εγκαταστάσεις, μπορούν να μεταφερθούν με δεξαμενόπλοια, φορτηγά, ακόμη και σε προκεχωρημένες βάσεις πεδίου, και έχουν χαμηλότερο κόστος ανά MWh. Σε σύγκρουση, όπου οι υποδομές στο έδαφος αποτελούν πρωτεύοντες στόχους, αυτή η εφοδιαστική λύση είναι κρίσιμη για να συνεχίσουν τα υποβρύχια τις επιχειρήσεις τους.
Στο ελληνικό πλαίσιο, εάν μια σύγκρουση εξελιχθεί σε φθοράς, τότε η ικανότητα ανεφοδιασμού με απλά καύσιμα μπορεί να αποδειχθεί σημαντικότερη από την απόλυτη stealth υπεροχή.
Η γαλλική διαδρομή από το MESMA στη FC2G
Η Γαλλία επιχείρησε επί δεκαετίες να δημιουργήσει μια ανεξάρτητη σχολή AIP βασισμένη σε θερμικούς κύκλους. Το σύστημα MESMA (Module d’Energie Sous-Marine Autonome) λειτουργεί ως υποβρύχια εφαρμογή κύκλου Rankine: με καύση αιθανόλης ή ντίζελ σε θερμοκρασίες 900 έως 1000°C, παραγωγή ατμού σε πιέσεις 20 έως 40 bar, κίνηση στροβίλου και μετατροπή σε ηλεκτρική ισχύ περίπου 200 kW. Η απόδοση όμως δεν ξεπερνά το 20%, η κατανάλωση οξυγόνου είναι πολλαπλάσια των Stirling, το ακουστικό ίχνος είναι υψηλότερο λόγω στροβίλου και αντλιών, ενώ η θερμική υπογραφή είναι εντοπίσιμη από σύγχρονα σόναρ πιο εύκολα. Το αποτέλεσμα ήταν η περιορισμένη υιοθέτηση του συστήματος αποκλειστικά από το Πακιστάν για τα υποβρύχια Agosta 90B, ενώ κανένα άλλο ναυτικό δεν το επέλεξε.
Αντιλαμβανόμενη τις επιχειρησιακές αδυναμίες, η Naval Group παρουσίασε το νέο σύστημα, FC2G (Fuel Cell Second Generation) το 2017. Αυτό υπόσχεται ηλεκτροχημική λειτουργία χωρίς ανάγκη αποθήκευσης υδρογόνου, χρησιμοποιώντας αναμορφωτή ντίζελ που παράγει υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Θεωρητικά, η τεχνολογία αυτή εξαλείφει την ανάγκη για ακριβές εγκαταστάσεις υδρογόνου στην ξηρά. Στην πράξη, όμως, η διαδικασία reforming απαιτεί θερμοκρασίες 700 έως 850°C, ακριβείς καταλύτες, συστήματα ψύξης, συμπιεστές CO₂, αυτοματισμούς ασφαλείας και υπομονάδες καθαρισμού υδρογόνου. Η παραγόμενη καθαρότητα υδρογόνου κυμαίνεται στο 95 έως 97%, μειώνοντας την ηλεκτροχημική απόδοση των γαλλικών PEM φθάνει το 40-45%, χαμηλότερα από τα 60% των γερμανικών.
Επιπλέον…
