O Poder da Persistência

Envoy AUV. Crédito: Cellula Robotics

Envoy AUV. Crédito: Cellula Robotics

Previous Next

“A infantaria vence batalhas. A logística vence guerras.”

Essa citação, atribuída ao General do Exército dos EUA, John Pershing, no contexto das operações expedicionárias da Primeira Guerra Mundial, é igualmente aplicável hoje, à medida que avançamos para a era dos sistemas submarinos autônomos. Da era da vela à era nuclear, o poder marítimo tem sido sustentado pela distância e duração das operações das forças armadas, e enquanto a logística tradicionalmente significava sustentar tripulações e plataformas com combustível, alimentos e material, o ônus logístico das operações subaquáticas autônomas se concentra cada vez mais em um requisito fundamental: energia. É a energia que alimenta todos os sistemas de bordo – propulsão, navegação, comunicação e autonomia – e, em última análise, possibilita a autonomia essencial para manter uma presença submarina persistente.

Durante anos, o paradigma dominante de energia subaquática foi o armazenamento de energia. Com sua alta densidade energética, escalabilidade e base de fabricação consolidada, as baterias de íon-lítio (Li-ion) têm sido o padrão para sistemas subaquáticos, tanto para clientes da área de defesa quanto para clientes comerciais. Mas o domínio de longa data do Li-ion pode estar chegando ao fim, à medida que a produção de energia a bordo, na forma de células de combustível de hidrogênio, ganha cada vez mais espaço.

Embora seja uma inovação relativamente recente para operações subaquáticas autônomas, as células de combustível de hidrogênio são utilizadas há anos por submarinos tripulados para fornecer propulsão independente do ar (AIP; também conhecida como energia independente do ar). Submarinos diesel-elétricos convencionais precisam periodicamente usar o snorkel para captar oxigênio para seus motores a diesel, que, por sua vez, acionam geradores que recarregam as baterias. No entanto, o uso do snorkel torna o submarino vulnerável à detecção por plataformas de superfície ou aéreas que possam estar rondando acima dele. As células de combustível resolvem esse problema, permitindo que um submarino gere eletricidade sem combustão e sem oxigênio atmosférico. Hidrogênio armazenado e oxigênio líquido alimentam células de combustível de membrana de troca de prótons (PEM), produzindo eletricidade silenciosamente, com água e calor como subprodutos. O resultado é uma produção de energia furtiva e totalmente submersa, com autonomia medida em semanas, em vez de dias. As mesmas características que tornam as células de combustível atraentes para submarinos convencionais — operação silenciosa, alta eficiência e longa autonomia submersa — estão agora impulsionando sua adoção em veículos subaquáticos autônomos.

Ao contrário das baterias de íon-lítio, que armazenam uma quantidade finita de energia elétrica que se esgota gradualmente durante uma missão, as células de combustível geram eletricidade enquanto houver reagentes disponíveis. Embora sejam geralmente maiores, mais complexas e mais caras do que as soluções baseadas apenas em baterias, as células de combustível podem fornecer várias vezes mais energia utilizável do que um sistema de baterias de tamanho e peso comparáveis, e podem estender a autonomia subaquática de horas ou dias para semanas, ou até mesmo meses. Além da maior densidade de energia, as células de combustível não se descarregam durante períodos de inatividade, o que poderia viabilizar missões envolvendo sistemas pré-posicionados em áreas avançadas. E a maior autonomia oferecida por esses sistemas poderia reduzir o custo total de manutenção de uma presença submarina autônoma. Manter essa presença exigiria a operação de uma frota de plataformas em regime de rotação – implantação, patrulhamento, recuperação, reabastecimento dos estoques de energia a bordo e realização de manutenção. Se os veículos puderem permanecer em posição por períodos mais longos e seus sistemas de energia puderem ser reabastecidos em minutos em vez de horas, os operadores poderão precisar de menos plataformas para manter o mesmo nível de persistência e cobertura de área.

Os benefícios de autonomia das células de combustível para veículos subaquáticos autônomos (AUVs) com propulsão convencional são substanciais, mas combiná-las com um AUV não convencional, cujo design exclusivo já proporciona maior alcance e autonomia, seria uma conquista significativa. A General Atomics fez exatamente isso com o G-Ray, um planador subaquático de asa integrada que minimiza o consumo de energia por meio de sua alta relação sustentação/arrasto e propulsão por flutuabilidade. Apresentado recentemente na conferência Sea-Air-Space da Navy League, em abril deste ano, o G-Ray incorpora um sistema híbrido de bateria e célula de combustível de hidrogênio que permite maior autonomia e alcance na ordem de meses, com potencial para durações ainda maiores. Em vez de armazenar hidrogênio comprimido, o sistema reage uma liga de alumínio leve com água para gerar hidrogênio, resultando em um sistema de energia sob demanda inovador que transfere a limitação de autonomia da energia armazenada para a capacidade de reagentes a bordo.

G-Ray da General Atomics. Crédito: General Atomics

As células de combustível de hidrogênio não estão mais restritas a veículos subaquáticos; elas estão se tornando parte da infraestrutura submarina que dá suporte a operações autônomas persistentes. O Teledyne Marine Subsea Supercharger (SSC) é um depósito de energia submarino com células de combustível que permite a produção de energia in situ para sensores, atuadores ou sistemas de acoplamento de veículos, possibilitando que os AUVs (Veículos Subaquáticos Autônomos) recarreguem e retornem à superfície sem necessidade de recuperação. Conceitualmente, um SSC funciona como um nó logístico avançado, fornecendo a energia sustentada que permite que uma força submarina autônoma regional permaneça em operação. A ideia não é totalmente nova. Há quase uma década, a Marinha dos EUA propôs o conceito de Posto Avançado de Energia e Comunicação (FDECO) para apoiar operações persistentes de guerra antissubmarino (ASW) e de inteligência, vigilância e reconhecimento (ISR).

Supercompressor submarino da Teledyne Marine. Crédito: Teledyne Marine

Para algumas empresas, a energia de células de combustível de hidrogênio subaquáticas representa não apenas um diferencial de produto revolucionário, mas também uma oportunidade de mercado emergente. Em junho deste ano, a Cellula Robotics e a Infinity Fuel Cell and Hydrogen Inc. apresentaram a NautiGEN, uma joint venture focada exclusivamente no fornecimento de soluções de energia de células de combustível para sistemas autônomos marítimos. A Infinity, sediada em Windsor, Connecticut, é uma desenvolvedora de sistemas de células de combustível para aplicações aeroespaciais, de defesa e marítimas, enquanto a Cellula, sediada na Colúmbia Britânica, está na vanguarda da comercialização de células de combustível por meio de sua família de veículos subaquáticos autônomos (AUVs) de longa duração. A Cellula e a Infinity já colaboraram anteriormente em tecnologia de células de combustível; em testes recentes do Envoy LD-AUV da Cellula, o veículo completou uma travessia submersa de mais de 2.000 km em uma missão com duração de 385 horas, durante a qual executou mais de 4.000 curvas e manobras que consumiram energia. O veículo foi alimentado pelo sistema de energia Mystic 2000 AUV da Infinity, que utiliza tecnologia de células de combustível originalmente desenvolvida para aplicações aeroespaciais antes de ser adaptada para uso marítimo. A criação da NautiGEN reflete a crescente confiança de que a energia das células de combustível amadureceu e se tornou um mercado comercial viável, em vez de permanecer uma tecnologia especializada e facilitadora.

A NautiGEN é uma joint venture entre a Cellula Robotics e a Infinity Fuel Cell and Hydrogen Inc., focada em fornecer soluções de energia de células de combustível para sistemas marítimos autônomos. Crédito: Cellula Robotics

A autonomia é o pilar fundamental das operações submarinas autônomas. Ela determina por quanto tempo uma plataforma pode permanecer em operação e o tamanho da área que ela pode monitorar ou influenciar efetivamente. Seja seguindo submarinos inimigos, realizando missões de ataque de longo alcance no fundo do mar ou bloqueando um ponto estratégico de estrangulamento, os VANTs (Veículos Subaquáticos Autônomos) precisarão de acesso a energia de bordo de alta densidade para garantir o sucesso da missão. As células de combustível de hidrogênio representam uma mudança em relação às plataformas subaquáticas que armazenam energia elétrica, passando a plataformas capazes de gerar energia elétrica durante toda a missão. Embora possam não substituir as baterias de íon-lítio em operações submarinas, as células de combustível podem ser integradas em arquiteturas de energia híbridas, como a do G-Ray, com as células de combustível fornecendo energia de base de alta energia e longa duração, e as baterias fornecendo rajadas rápidas de energia elétrica para manobras, controle de flutuabilidade, comunicações e operação da carga útil. Resta saber se as células de combustível se tornarão a solução energética dominante para o setor marítimo autônomo em geral, mas elas parecem estar preparadas para desempenhar um papel cada vez mais importante no estabelecimento e na manutenção de uma força submarina credível e persistente.