Concepcion artística de un submarino clase IKL-214. Esta version de la série IKL está entre las mas modernas y mas capaces del mundo. Fue proyectada desde el início para operar con sistema AIP.

Introduccion

Segun la propulsion, los submarinos actuales son clasificados como nucleares (reactor nuclear) o como convencionales (baterias y motor de combustion interna). Por generar energia própria, independente de la atmosfera, los submarinos nucleares pueden permanecer submergido por mucho mas tiempo, ademas de ser extremadamente rápidos. Por este motivo, las ventajas tácticas de los submarinos nucleares son mucho amplias si son comparadas con los submarinos convencionales. Como forma de reducir el "gap" entre los dos tipos, diversas naciones investigaron alternativas del reactor nuclear que permitiesen aumentar el tempo de imersion de los submarinos convencionales. Estos sistemas fueron denominados AIP (Air Independent Propulsion - Propulsion Independente de la Atmósfera). Al princípio los reatores nucleares embarcados en submarinos tambien representaban un sistema de propulsion independente de la atmosfera. Por lo tanto en este articulo se busco  separar los reactores nucleares de los demas sistemas AIP.

Desde hace algunos años los sistemas AIP no son mas cosas de solo alestras promisorias y proyectos experimentales. Algunas marinas ya poseen submarinos en operacion y otras estan esperando que los mismos salgan del astillero.

Los sistemas AIP poseen otra gran ventaja. Ellos pueden ser introducidos en diversos submarinos convencionales ya existentes en diversas marinas. O sea, por un costo de algunas decenas de millones de dólares (algunos estima poco mas de 15% del valor de un submarino nuevo) es posible convertir un submarino convencional en AIP. La conversion de unidades (antes tratada como una posibilidad y hoy vista como una necesidad) sera la gran vedette de la indústria submarina mundial en la próxima década. Se estima que hasta una centena de elles puedan ser convertidos. La MB, con cuatro unidades operacionales y una mas en construccion, puede ser uno de los futuros clientes. La cuestion de la conversion resolveria el problema en el médiano plazo. A largo plazo la MB pretende operar submarinos nucleares. Pero frente al desarrollo de las técnicas AIP seria esta la mejor alternativa?

La evoluccion de los sistemas AIP

A lo largo de toda la história de la construccion submarina, los proyectistas siempre tuvieron como meta el aumento del alcance y del tiempo submerso. En Alemania de la década del 1930, el professor Helmut Water desenvolvio un sistema basado en el uso de peróxido de hidrogeno concentrado para producir vapor y hacer girar una turbina. El objetivo principal de Walter era aumentar la velocidad submersa, en la época restricta a 10 nudos o hasta menos. Un submarino protótipo fue construído para testar el invento. Designado V80, el pequeño submarino desplazaba 76 toneladas y poseía 22 metros de largo. Durante las pruebas en 1940, el alcanzo la fantástica velocidad de 28,1 nudos submergido. Durante el curso de la II Guerra Mundial, siete submarinos costeros Tipo XVIIB (300 toneladas de desplazamiento) fueron modificados, pero ninguno de ellos participo de las acciones de combate. Proyetos mas ambiciosos fueron llevados a cabo, como la modificacion de submarinos oceanicos Tipo XXVI (800 toneladas) y Tipo  XVIII (1.600 toneladas), ya en el final de la guerra, se obstaculizaban en problemas técnicos y de suprimento de peróxido de hidrogeno.

Con la victória de los aliados en 1945, norteamericanos y britanicos demonstraban gran interes en los estudios del profesor Walter. Los primeros desenvolvieron un sistema semejante al aleman, pero mas compacto, y lo instalaron en el submarino prototipo X-1. En Cambio los britanicos llevaron para casa el propio profesor Walter y su equipo de trabajo. Los trabajos resultaron en dos submarinos muy parecidos con los Tipo XXVI, denominados HMS Excalibur y el HMS Explorer. Sin embargo fuesen extremamente veloces, los submarinos eran tan peligrosos que fueron apodados de  "HMS Excruciator" y "HMS Exploder". El desarrollo de la propulsion nuclear enterro en definitiva los estudios con tecnologia AIP en esos países. En enero de1955, el USS Nautilus anunciaria la famosa frase "navegando con energia nuclear".

Los soviéticos, todavia durante la guerra, desenvolvieron estudios con sistemas AIP basados en el uso de oxigeno líquido y diesel (tecnologia conocida hoy como CCD - ver texto abajo). El sistema fue instalado en el submarino M-401 y los testes realizados entre 1940 y 1945. Pruebas realizadas con este sistema proseguian en la posguerra y treinta submarinos clase Quebec fueron construídos utilizando tecnologia CCD. Los Quebec nunca fueron populares en la armada soviética a causa de vários accidentes y problemas técnicos que ocurrieron. Tambien fueron ejecutados varios experimentos con el ciclo de Walter. En 1958 entro en servicio el submarino denominado Projecto 617. Una explosion a bordo puso fin al proyecto en 1959. Asi como los britanicos y norteamericanos, los soviéticos dieron prioridad a la propulsion nuclear. Pero los estudios con sistemas AIP nunca fueron terminaados.

Tipos de sistemas AIP

Actualmente las lineas de investigacion con sistemas AIP siguen basicamente cuatro rumbos: Motores a diesel en circuito cerrado (CCD), Turbina a vapor en circuito cerrado, Motor Stirling y celulas de combustble del tipo PEM.

El Motor a diesel en circuito cerrado - Tambien conocido por la sigla CCD (closed-cycle diesel), este tipo de sistema funciona con un motor a diesel comun trabajando en una atmósfera artificialmente generada por el própio submarino en un circuito cerrado. Para la creacion de esa atmósfera artificial, el submarino carga oxigeno líquido (generalmente almacenado en tanques criogenicos) y gas inerte (comumente argon). Antes de ser absorvido por el motor el oxigeno es mezclado con el argon para controlar la taza de combustion. El argon, asi  como el exceso de oxigeno, es reciclado y retorna al sistema. Los demas compuestos son descartados y vertidos en el oceano. El sistema es proyectado para funcionar hasta una profundidad de 500m, un valor generoso una vez que muchos de los submarinos convencionales de hoy no se sumergen a mas de 300m. En relacion al período submergido, el sistema CCD aumenta en hasta  cinco veces el tempo de patrulla de un submarino convencional.

Una de las grandes ventajas dese sistema es la propia utilizacion de los motores a diesel existentes en el mercado (mantenimiento simple, motores confiables, combustible comumente encontrado) y la capacidad de convertir facilmente los submarinos ya construidos. Como desventaja, el sistema necesita regularmente sustituir el oxigeno criogenico y el gas inerte. Ademas de eso, la eficiencia del sistema es baja y el descarte de gases para el oceano reduce mucho la discrecion del submarino (sin embargo existen especialistas que creen lo contrario).

El sistema fue ampliamente estudiado por varios países (incluyendo Alemania, Holanda y Gran Bretaña), principalmente en la posguerra, teniendo como base los estudios de la Marina de la Alemania nazi. Mas recientemente, la Thyssen Nordseewerke de la Alemania desenvolvio y coloco en actividad un sistema tipo CCD que genera 300 KW de potencia conocido como SPECTRE (Submarine Power for Extended Contact Trailing and Range Enhancement). Los estudios demontraron que el sistema es técnica y economicamente viable. Por lo tanto, las tentativas de colocar el sistema en el mercado y atraer clientes no dieron resultados. Entre los países que fueron sondados esta  Alemania, Holanda, Argentina y  Corea del Sur.

Turbina a vapor en circuito cerrado - Basicamente es un turbo-alternador movido por vapor producido a partir de la combustion de etanol y oxigeno sobre presion. El dióxido de carbono de los gases de combustion es descartado hacia el oceano. En relacion a los demas sistemas AIP, la turbina a vapor en circuito cerrado genera una potencia considerable (cerca de 200 KW). Por otro lado, su eficiencia es baja (cerca de 20%). La firma acústica es mucho menor cuando es comparada con el sistema CCD. Se estima que el sistema permite un aumento en el tiempo submergido de tres a cinco veces que el convencional. Actualmente, solo Francia (através de la DCNI) desenvuelve este sistema en escala industrial con el nombre MESMA (Module d'Energie Sous-Marin Autonome - módulo de energia submarina autonomo). La DCNI ofrece el sistema MESMA como opcion para las clases Agosta y Scorpene. Pero el mismo tambien puede ser instalado en submarinos existentes apenas con la adicion de una nueva seccion en el casco.

Motor Stirling - En este caso, se utiliza el concepto de “Ciclo de Stirling”. En un motor Stirling, oxigeno y combustíble son quemados en una camara de combustion presurizada. La energia producida acciona un gerador que abastece eletricidad tanto para la propulsion como para recargar las baterias del submarino.

La empresa Kockums Naval Systems, de Suecia, desenvolvio un motor de Stirling para submarinos que quema diesel y oxigeno (este último almaenado en forma líquida en tanques  criogenicos). Cada uno de esos motores abastece 75 KW de potencia. Segun la empresa, dos unidades son suficientes para impulsar un submarino con cerca de 1.500 toneladas por 14 dias manteniendo una velocidad de cinco nudos.Con la experiencia adquirida, los suecos incorporaram el sistema Stirling en la nueva clase de submarinos Gotland, en construcion en el início de los años noventa. Actualmente la Marina de Suecia posee tres submarinos de esta clase.

Células de combustible - Las células de combustíble son dispositivos eletroquímicos que combinan oxigeno e hidrogeno para producir eletricidad, calor y agua. Existen varias configuraciones de celulas de combustíble, pero para propulsion submarina se utiliza la llamada PEM (Polymer Electrolyte Membrane). Cada celula produce una cantidad muy baja de tension (algo como 0,7 volts) y, por lo tanto, un grupo de células son colocadas en série para generar un valor de tension considerable.

La clase 212, actualmente en construccion para la Marina de Itália y de Alemania, fue proyectada para utilizar nueve células de combustíble PEM (cada una generando 34 KW). El sistema instalado es suficiente para mantener el submarino por tres semanas oculto en el fondo del mar sin precisar salir a la superfície. La generacion mas nueva de células de combustible ya es capaz de producir una potencia de 120 KW por unidad.

Algunos programas semejantes al aleman fueron desarrollados en Rúsia y en Canadá. Conocido localmente como Kristall 27E, el sistema ruso fue desarrollado para la nueva clase de SSK Lada/Amur. El sistema canadiense Ballard es mas interesante pues adquiere el hidrogeno a partir de tanques conteniendo etanol. El etanol es una fuente de bajo costo y renováble, pero la eficiencia del sistema es menor pues existe una etapa mas en el processo.

A groso modo, se puede decir que los sistemas AIP descriptos anteriormente estan restringidos a la cantidad de oxigenio que los submarinos pueden llevar. Adémas de eso, los gases de combustion descartados hacia el oceano limitan la profundidad y reducen la discrecion. En este último caso, el sistema de células de combustíble representa una excepcion y por este motivo lleva una pequeña ventaja tecnica en relacion a los demas (aunque con un costo mas elevado). Pero solamente el uso continuo de los sistemas en las diferentes marinas podrá adquirir mayores informaciones para futuras comparaciones.

El Programa Nuclear de la Marina Brasilera - costos y plazos

La posibilidad del Brasil de desarrollar y construir un reactor nuclear para ser utilizado en submarinos comenzo a ser digerida por la Marina en la década del setenta y evoluyo de forma mas práctica entre 1976 y 1978. Asociandose al IPEN-SP (Instituto de Pesquisas Energéticas y Nucleares de São Paulo), la Marina paso a trabajar a partir de 1979 en el desarrollo del ciclo de combustíble y del reactor, habiendo sido adoptada la técnica de ultracentrifugacion para el enriquecimento de uranio. Despues de dominar la tecnologia del hexafluoreto de uranio a partir del mineral extraido de la localidad de Poços de Caldas, la Marina obtuvo su primer gran exito en el año de 1982. En escala de laboratorio, el grupo consigio el enriquecimiento isotópico de uranio con centrífugas construídas totalmente en el Brasil. Con el crecimento de la investigacion y del interes por parte de la Marina, en 1986 surgia la Coordinadora para Proyectos Especiales (COPESP), posteriormente renombrada Centro Tecnológico de la Marina en São Paulo (CTMSP).

Para para dar suporte a las actividades experimentales del programa de investigacion y desarrollo del ciclo de combustible y de reactores nucleares, fue construido en el município de Iperó (estado de São Paulo) el Centro Experimental Aramar (CEA). Este Centro abriga instalaciones de pruebas, laboratórios de validacion experimental y algunos talleres especiales. Alli ya se enriquece uranio en una escala industrial pequeña, pero suficiente para alimentar los reactores nucleares de investigacion existentes en el país. La produccion en escala mayor debe ocurrir en breve.

Segun informaciones divulgadas por la própia Marina, yá fueron invertidos mil millones de dólares en el proyecto del submarino nuclear nacional en los últimos 25 años. Para la conclusion del programa, incluyendo el prototípo de la embarcacion, son necesarios de mas de 450 millones de dólares. La cuestion principal es la contingencia de recursos ocurrida en los últimos años. En una disertacion ofrecida en 2004 en el Club Naval de Rio de Janeiro, el vice-almirante Alan Paes Leme, director del CTMSP (Centro Tecnológico de la Marina en São Paulo), afirmo que la Marina llevará "cien años para concluir el programa" del proyecto del submarino nuclear caso sea mantenido el ritmo actual del flujo de recursos. Pero aunque los recursos estuviesen disponibles, hay dos etapas que no podrian ser reducidas. La primera consiste en la construccion del reactor nuclear RENAP 50 de 48 MW, para ser concluído entre 2007 y 2011 con inverciones del orden de 120 millones de dólares. La segunda etapa se refiere a la construccion del casco del submarino nuclear propriamente dicho.

Principalmente, el pais necesitaria dominar el ciclo de desarrollo de un submarino convencional totalmente nacional, desde su concepcion hasta la botadura. Esto seria conseguido con el programa SMB-10 (antiguo SNAC-I). Pero un proyecto como este llevaria mas de 13 años (la tabla 1 representa las principales fases y el tiempo estimado de cada una). Esta prevision es extremamente razonable y está dentro de los padrones mundiales de desarrollo y construccion de nuevos proyectos de submarinos. Para un proyecto de submarino nuclear totalmente nacional ese tiempo seria mayor, porque existen várias etapas de investigacion básica que todavia no fueron concluidas. Por lo tanto, estimar que un prototipo de submarino nuclear nacional estuviese concluído por alrededor  del 2025-2030, no es una exageracion. Hasta allá, cual seriá la etapa de desarrollo que los sistemas AIP podrian alcanzar?

Grafico : G Poggio

Cronograma del proyeto y construccion de un submarino convencional.

Conclusiones 

Actualmente, el submarino de propulsion nuclear representa un arma de gran poderio y alto grado de sobrevivencia. Y en el corto y médio plazo esto no será modificado. La MB, cuando opto por seguir el camino del desenvolvimiento del submarino nuclear, sabia que un gran desafio estaba por venir, pero que tambien estaba al frente de la mas fantástica arma hasta entonces existente en el ambiente naval. Veinticinco años despues, atravesando crisis economicas y reduccion de recursos, los objetivos principales del programa estan lejos de ser alcanzados. Ademas de eso, son necesários, por lo menos, mas de 20 años de trabajos  hasta que el primero prototipo salga navegando.

En los ultimos 25 años los sistemas AIP evoluyeron y ganaron credibilidad, siendo una realidad en algunas marinas del mundo. A médiano plazo, los submarinos convencionales que no sean adaptados para este nuevo sistema perderan valor tático. Y esto vale tambien para los recien botados O'Higgins (clase Scorpène) chileno, Collins australiano y Tikuna (clase IKL 209 mod.) brasilero.Algunos especialistas dan cuenta que em los próximos años la potencia de una célula de combustíble se puede duplicar o tambien triplicarse. Es posíble que en menos de 20 años estos sistemas evoluiraa mucho mas, disminuyendo las desvantajas en relacion a los reactores nucleares. A largo plazo, los submarinos dotados de AIP mas avanzados podrian estar tecnicamente muy próximos de las características de autonomia y velocidad de los submarinos nucleares por un precio cuatro veces inferior y sin los costos políticos y ambientales. La cuestion está presentada y las respuestas definitivas vendran en las próximas dos décadas. Obviamente las marinas intermedias van a migrar para estos sistemas AIP. Y cual será la posicion de Brasil? Lo ideal seria poseer dos lineas de investigacion, siendo una concentrada en estudos AIP y otra en el desarrollo de la propulsion nuclear. China, Rúsia y Francia son países que actuan en estas dos áreas. Pero en el caso brasilero, la dificultad en la continuacion de las investigaciones nucleares muestra que invertir al mismo tiempo en sistemas AIP es practicamente imposíble.

Con la cancelacion de la segunda unidad IKL-209 mod. (o Tapuia), la Marina del Brasil dificilmente incorporará una nueva unidad (despues de la conclusion del Tikuna) construída em el país em los próximos diez o quince años. En este período, las instalaciones del AMRJ estaran parcialmente ociosas pues no existe todavia una fecha para iniciar la construccion del SMB-10. El AMRJ apenas recibirá los submarinos de la clase Tupi para el PMG y algunas eventuales reparaciones/actualizaciones. Una alternativa para el médiano plazo seria estudiar y probar los sistemas AIP existentes em el mercado externo e introducirlos en los Tupi durante ese período de baja actividad en el AMRJ. Durante eso, el programa nuclear debe ser revisado. Insistiremos en el programa actual, aceptando los plazos dilatados como la realidade actual nos permita, o pasaremos para el estudio de una clase moderna de submarinos convencionales dotados de sistemas AIP y acompañaremos la evolucion de esa tecnologia? El asunto merece actualmente mucha reflexcion, pues las decisiones que seran tomadas ahora tendran grandes implicaciones en el futuro.

 

La botadura del submarino Tikuna en el AMRJ. En un futuro no muy distante, la clase Tupi tendrá que volver para el dique seco para la instalacion de un sistema AIP.