چرا اکسیژن زیردریاییها تمام نمیشود؟
سیستمهای پشتیبانی حیات در زیردریاییهای نظامی، با استفاده از ترکیبی پیچیده از تجزیه الکتریکی آب دریا، واکنشهای شیمیایی گرمازا و چرخههای ترمودینامیکی تصفیه هوا، امکان بقای طولانیمدت و پنهانکاری خدمه را در اعماق دریاها را فراهم میکنند.
به گزارش سایت دیده بان ایران؛ در عرصه نبردهای دریایی نوین، اصلیترین قدرت یک زیردریایی تهاجمی ، قابلیت پنهانکاری و بقای آن در اعماق اقیانوس است. تا پیش از ظهور انرژی هستهای، زیردریاییها مجبور بودند برای شارژ باتریها و تجدید هوای تنفسی خدمه، به طور مداوم به سطح آب بیایند که این مسئله آنها را به اهدافی آسیبپذیر تبدیل میکرد.اما امروزه، شناورهای زیرسطحی استراتژیک میتوانند ماهها بدون دیدن نور خورشید در اعماق آب گشتزنی کنند. این استقامت بینظیر، به سیستمهای پیچیده و چندلایه پشتیبانی حیات متکی است که زیردریایی را به یک مجموعه کاملاً مستقل تبدیل میکند. در ادامه، به بررسی سیستمهای تولید اکسیژن و مدیریت هوای تنفسی در این غولهای آهنی میپردازیم:
قلب تپنده سیستم تنفسی در هر زیردریایی مدرن، دستگاهی به نام ژنراتور تولید اکسیژن (OGG) است. مهندسان نظامی برای تامین اکسیژن مورد نیاز دهها خدمه، به جای ذخیرهسازی پرحجم و خطرناک گاز، به سراغ منبعی رفتهاند که زیردریایی را احاطه کرده است: آب دریا.
این سیستم بر پایه فرآیند الکترولیز یا تجزیه الکتریکی آب استوار است، اما پیادهسازی آن در یک محیط نظامی و بسته، پیچیدگیهای مهندسی فراوانی دارد.در گام نخست، استفاده مستقیم از آب دریا برای الکترولیز غیرممکن است. آب اقیانوس حاوی مقادیر زیادی نمک (کلرید سدیم) است و اعمال جریان الکتریکی به آن، به جای اکسیژن خالص، گاز به شدت سمی و کشنده کلر تولید میکند که میتواند در عرض چند دقیقه تمام خدمه را از پای درآورد. برای رفع این چالش فنی، زیردریاییها ابتدا آب دریا را وارد مجتمعهای آبشیرینکن صنعتی خود میکنند. با استفاده از تکنیکهای تقطیر پیشرفته یا اسمز معکوس، آب به حالت کاملاً مقطر و عاری از هرگونه املاح تبدیل میشود.از آنجا که آب مقطر رسانای ضعیفی برای جریان الکتریسیته است، در مرحله بعد یک ماده الکترولیت شیمیایی، معمولاً هیدروکسید پتاسیم، به آن افزوده میشود تا مقاومت الکتریکی آب کاهش یابد. سپس جریان مستقیم (DC) بسیار قدرتمندی که مستقیماً از رآکتور هستهای یا ژنراتورهای دیزلی تغذیه میشود، از این محلول عبور میکند. این شوک الکتریکی، پیوند مولکولی آب را در هم میشکند و آن را به اکسیژن و هیدروژن تجزیه میکند. اکسیژن جمعآوری شده در قطب مثبت (آند)، پس از تنظیم فشار و رطوبت، به سیستم تهویه مطبوع زیردریایی تزریق میشود. اما چالش بزرگتر، مدیریت هیدروژن تولید شده در قطب منفی (کاتد) است. هیدروژن گازی به شدت قابل اشتعال و انفجار است و کوچکترین نشتی آن در زیردریایی میتواند فاجعهبار باشد. سیستمهای OGG این گاز را با دقت بسیار بالا فشرده کرده و با استفاده از پمپهای بیصدا، به بیرون از زیردریایی و در دل آبهای اقیانوس تخلیه میکنند تا هیچ اثری از آن باقی نماند.
با این وجود، ساختار نظامی همیشه بر پایه اصل افزونگی و داشتن سیستمهای پشتیبان بنا شده است. اگر رآکتور از کار بیفتد یا ژنراتور اصلی آسیب ببیند و برق کافی برای الکترولیز وجود نداشته باشد، زیردریاییها به سراغ فناوریهای شیمیایی جامد میروند که در اصطلاح به آنها شمعهای اکسیژن میگویند.
این سیستمهای پشتیبان، در واقع راکتورهای شیمیایی کوچکی هستند که نیازی به برق ندارند. محفظه این شمعها حاوی ترکیبی فشرده از کلرات سدیم، پودر آهن و پراکسید باریم است. با فعال شدن یک چاشنی مکانیکی، پودر آهن مشتعل شده و دمای درون محفظه را به سرعت به مرز ۶۰۰ درجه سانتیگراد میرساند. این حرارت شدید باعث تجزیه حرارتی کلرات سدیم شده و در یک واکنش گرمازا، نمک طعام و گاز اکسیژن خالص تولید میشود. پراکسید باریم نیز در این ترکیب نقش یک فیلتر شیمیایی را بازی میکند تا هرگونه ناخالصی کلر را به خود جذب کند. این شمعها که در محفظههای فوقعایق قرار دارند، میتوانند در بحرانیترین شرایط، زمان طلایی برای بقای خدمه و تعمیر سیستمهای اصلی را فراهم کنند.
در کنار تولید اکسیژن، سیستم پشتیبانی حیات باید با یک تهدید دیگر نیز مبارزه کند: دیاکسید کربن. بازدم مداوم دهها انسان در یک لوله فولادی مهر و موم شده، به سرعت سطح دیاکسید کربن را به آستانه مسمومیت میرساند. برای خنثیسازی این تهدید، شناورهای نظامی از سیستمهای چرخشی به نام اسکرابر استفاده میکنند که بر پایه علم ترمودینامیک و مواد شیمیایی جاذب کار میکنند. متداولترین ماده مورد استفاده، مایعی پلیمری به نام مونو اتانول آمین (MEA) است. هوای آلوده داخل زیردریایی از میان شبکهای از لولهها که حاوی آمینِ خنک هستند عبور داده میشود. آمین سرد خاصیت جذب بالایی دارد و مولکولهای دیاکسید کربن را از هوا جدا میکند. پس از اشباع شدن، این مایع به بخش دیگری از تاسیسات پمپ شده و تحت حرارت قرار میگیرد. با گرم شدن آمین، پیوندهای شیمیایی شکسته شده و دیاکسید کربن آزاد میشود.
این گاز سمی سپس توسط کمپرسورهای قدرتمند فشرده شده و به محیط پرفشار اقیانوس پمپ میشود، در حالی که مایع آمین دوباره خنک شده و به چرخه جذب بازمیگردد.
شرح فناوریها به زبان ساده:
اگر بخواهیم این فناوریهای پیچیده و درهمتنیده را به زبانی بسیار ساده و دور از اصطلاحات سخت مهندسی توضیح دهیم، باید گفت که یک زیردریایی در اعماق دریا دقیقاً مثل یک کارخانه هوشمند و مستقل عمل میکند. در روش اول (الکترولیز)، دستگاههای زیردریایی مثل یک قیچی برقی بسیار قوی عمل میکنند؛ آنها قطرات آب دریا را پس از تصفیه شدن میبُرند، بخش مفید آن یعنی اکسیژن را برای نفس کشیدن ملوانان نگه میدارند و بخش خطرناک آن (هیدروژن) را مثل زباله به بیرون میریزند. در روش دوم یا همان شمعهای اکسیژن، قضیه شبیه به روشن کردن یک بخاری و فشفشه بسیار داغ است؛ با این تفاوت که این مواد شیمیایی وقتی میسوزند، به جای دود کردن، از خود هوای تازه و قابل تنفس بیرون میدهند تا در زمان قطعی برق، جان آدمها را نجات دهند. در نهایت، دستگاه دفع دیاکسید کربن هم مثل یک اسفنج جادویی است؛ اسفنجی که وقتی سرد است، بازدم آلوده و سمی انسانها را به خود جذب میکند و وقتی مهندسان آن را گرم میکنند، این هوای کثیف را از خود میتکاند تا به بیرون از زیردریایی پرتاب شود و دوباره برای تمیز کردن هوا آماده گردد.
در نهایت، ادغام این سه فناوری حیاتی (الکترولیز، ژنراتورهای شیمیایی و اسکرابرهای جذبی) به همراه مخازن هوای فشرده که برای تنظیم فشار و مواقع اضطراری استفاده میشوند، تضمین میکند که خدمه یک زیردریایی نظامی بتوانند در خشنترین و منزویترین محیط روی سیاره زمین، با خیالی آسوده تنفس کرده و ماموریتهای خود را به انجام برسانند.با پیشرفت علم مواد و هوش مصنوعی، انتظار میرود نسل آینده این سیستمها با مصرف انرژی کمتر و صدای تولیدی پایینتر، سطح پنهانکاری زیردریاییها را بیش از پیش ارتقا دهند.