El poder de la perseverancia

Vehículo submarino autónomo Envoy. Crédito: Cellula Robotics

Vehículo submarino autónomo Envoy. Crédito: Cellula Robotics

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“La infantería gana batallas. La logística gana guerras.”

Esta cita, atribuida al general del ejército estadounidense John Pershing en el contexto de las operaciones expedicionarias de la Primera Guerra Mundial, sigue siendo igualmente válida hoy en día, a medida que avanzamos en la era de los sistemas submarinos autónomos. Desde la era de la navegación a vela hasta la era nuclear, el poder marítimo se ha basado en la capacidad de las fuerzas para operar en el extranjero durante un tiempo prolongado. Si bien la logística tradicionalmente se ha centrado en el abastecimiento de combustible, alimentos y material para las tripulaciones y las plataformas, la carga logística de las operaciones submarinas autónomas se centra cada vez más en un requisito fundamental: la energía. Es la energía la que alimenta todos los sistemas a bordo (propulsión, navegación, comunicación y autonomía) y, en última instancia, permite la autonomía crítica necesaria para mantener una presencia submarina constante.

Durante años, el paradigma dominante para la energía submarina ha sido el almacenamiento de energía. Gracias a su alta densidad energética, escalabilidad y una base de fabricación consolidada, las baterías de iones de litio (Li-ion) han sido el estándar para los sistemas submarinos, tanto para clientes de defensa como comerciales. Sin embargo, este dominio podría estar cediendo terreno a medida que la producción de energía a bordo, mediante pilas de combustible de hidrógeno, gana terreno progresivamente.

Aunque se trata de una innovación relativamente reciente para las operaciones submarinas autónomas, las pilas de combustible de hidrógeno se han utilizado durante años en submarinos tripulados para proporcionar propulsión independiente del aire (AIP; también conocida como energía independiente del aire). Los submarinos diésel-eléctricos convencionales deben realizar inmersiones con esnórquel periódicamente para obtener oxígeno para sus motores diésel, que a su vez impulsan generadores que recargan las baterías. Sin embargo, estas inmersiones hacen que un submarino sea vulnerable a la detección por plataformas de superficie o aéreas que podrían estar patrullando la superficie. Las pilas de combustible solucionan este problema al permitir que un submarino genere electricidad sin combustión y sin oxígeno atmosférico. El hidrógeno almacenado y el oxígeno líquido alimentan las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM), produciendo electricidad de forma silenciosa, con agua y calor como subproductos. El resultado es una producción de energía sigilosa y totalmente sumergida, con una autonomía que se mide en semanas en lugar de días. Las mismas características que hacen que las pilas de combustible sean atractivas para los submarinos convencionales (funcionamiento silencioso, alta eficiencia y mayor autonomía sumergida) están impulsando ahora su adopción en vehículos submarinos autónomos.

A diferencia de las baterías de iones de litio, que almacenan una cantidad finita de energía eléctrica que se agota gradualmente durante una misión, las pilas de combustible generan electricidad mientras haya reactivos disponibles. Si bien suelen ser más grandes, complejas y costosas que las soluciones basadas únicamente en baterías, las pilas de combustible pueden proporcionar varias veces la energía útil de un sistema de baterías de tamaño y peso comparables, y pueden extender la autonomía submarina de horas o días a semanas, o incluso meses. Además de una mayor densidad energética, las pilas de combustible no se autodescargan durante los períodos de inactividad, lo que podría permitir misiones con sistemas preposicionados en zonas avanzadas. Y la mayor autonomía que ofrecen estos sistemas podría reducir el costo total de mantener una presencia submarina autónoma. Mantener dicha presencia requeriría operar una flota de plataformas de forma rotativa: desplegar, patrullar, recuperar, reabastecer las reservas de energía a bordo y realizar el mantenimiento. Si los vehículos pueden permanecer en la zona durante períodos más prolongados y sus sistemas de energía se pueden reabastecer en minutos en lugar de horas, los operadores podrían necesitar menos plataformas para mantener el mismo nivel de persistencia y cobertura de área.

Las ventajas de autonomía de las pilas de combustible para los vehículos submarinos autónomos (AUV) de propulsión convencional son sustanciales, pero combinarlas con un AUV no convencional cuyo diseño único ya proporciona mayor alcance y autonomía sería un logro significativo. General Atomics lo ha conseguido con el G-Ray, un planeador submarino de ala integrada que minimiza el consumo de energía gracias a su alta relación sustentación-resistencia y su propulsión por flotabilidad. Presentado recientemente en la conferencia Sea-Air-Space de la Navy League en abril de este año, el G-Ray incorpora un sistema híbrido de batería y pila de combustible de hidrógeno que permite una autonomía y un alcance de varios meses, con potencial para duraciones aún mayores. En lugar de almacenar hidrógeno comprimido, el sistema hace reaccionar una aleación de aluminio ligera con agua para generar hidrógeno, lo que da como resultado un innovador sistema energético bajo demanda que traslada la limitación de autonomía de la energía almacenada a la capacidad de reactivos a bordo.

G-Ray de General Atomics. Crédito: General Atomics

Las pilas de combustible de hidrógeno ya no se limitan a los vehículos submarinos; se están integrando en la infraestructura submarina que sustenta las operaciones autónomas continuas. El Teledyne Marine Subsea Supercharger (SSC) es un depósito de energía en el lecho marino con pilas de combustible que permite la producción de energía in situ para sensores, actuadores o sistemas de acoplamiento de vehículos, lo que posibilita que los AUV se recarguen y se redesplieguen sin necesidad de recuperación en superficie. Conceptualmente, un SSC funciona de forma similar a un nodo logístico avanzado, proporcionando la energía sostenida que permite a una fuerza submarina autónoma regional permanecer en su posición. La idea no es del todo nueva. Hace casi una década, la Armada de los Estados Unidos propuso el concepto de Puesto Avanzado de Energía y Comunicación Desplegado Avanzado (FDECO) para apoyar las operaciones continuas de guerra antisubmarina (ASW) e inteligencia, vigilancia y reconocimiento (ISR).

Sobrealimentador submarino de Teledyne Marine. Crédito: Teledyne Marine

Para algunas empresas, la energía de las pilas de combustible de hidrógeno submarinas representa no solo un diferenciador de producto revolucionario, sino también una oportunidad de mercado emergente. En junio de este año, Cellula Robotics e Infinity Fuel Cell and Hydrogen Inc. presentaron NautiGEN, una empresa conjunta centrada exclusivamente en proporcionar soluciones de energía de pilas de combustible para sistemas autónomos marítimos. Infinity, con sede en Windsor, Connecticut, es desarrolladora de sistemas de pilas de combustible para aplicaciones aeroespaciales, de defensa y marítimas, mientras que Cellula, con sede en la Columbia Británica, ha estado a la vanguardia de la comercialización de pilas de combustible a través de su familia de vehículos submarinos autónomos (AUV) de larga duración. Cellula e Infinity ya habían colaborado en tecnología de pilas de combustible; en pruebas recientes del Envoy LD-AUV de Cellula, el vehículo completó un tránsito sumergido de más de 2000 km durante una misión de 385 horas, en la que realizó más de 4000 giros y maniobras que consumieron energía. El vehículo fue propulsado por el sistema de energía Mystic 2000 AUV de Infinity, que aprovecha la tecnología de pilas de combustible desarrollada originalmente para aplicaciones aeroespaciales antes de ser adaptada para uso marítimo. La creación de NautiGEN refleja la creciente confianza en que la energía generada por pilas de combustible ha madurado hasta convertirse en un mercado comercial viable, en lugar de seguir siendo una tecnología especializada que facilita el acceso a ciertos recursos.

NautiGEN es una empresa conjunta entre Cellula Robotics e Infinity Fuel Cell and Hydrogen Inc., centrada en proporcionar soluciones de energía mediante pilas de combustible para sistemas marítimos autónomos. Crédito: Cellula Robotics

La autonomía es la clave de las operaciones submarinas autónomas. Determina cuánto tiempo puede permanecer una plataforma en su posición y el tamaño del área que puede monitorear o influir eficazmente. Ya sea para seguir submarinos enemigos, realizar misiones de ataque de largo alcance en el lecho marino o bloquear un punto estratégico, los vehículos submarinos autónomos (AUV) necesitarán acceso a energía a bordo de alta densidad para garantizar el éxito de la misión. Las pilas de combustible de hidrógeno representan un cambio con respecto a las plataformas submarinas que almacenan energía eléctrica, hacia plataformas capaces de generar energía eléctrica durante toda la misión. Si bien es posible que no lleguen a reemplazar las baterías de iones de litio en las operaciones submarinas, las pilas de combustible podrían integrarse en arquitecturas de energía híbridas como la del G-Ray, donde las pilas de combustible proporcionan energía base de alta energía y larga duración, y las baterías suministran ráfagas rápidas de energía eléctrica para maniobras, control de flotabilidad, comunicaciones y operación de la carga útil. Aún está por verse si las pilas de combustible se convertirán en la solución energética dominante para el sector marítimo autónomo en general, pero parecen estar preparadas para desempeñar un papel cada vez más importante en el establecimiento y mantenimiento de una fuerza submarina creíble y persistente.