Urashima: un vehículo submarino autónomo de pruebas

Urashima AUV siendo izadoPor sus características, los vehículos submarinos autónomos o AUVs (Autonomous Underwater Vehicles) permiten resolver algunos de los problemas típicos de los vehículos convencionales de exploración marina. Normalmente la exploración marina se lleva a cabo con vehículos unidos por un cable a una nave nodriza, lo que limita la capacidad de explorar e investigar los océanos en toda su extensión. Además, empleando este método existen regiones en las que la recopilación de datos es muy complicada ya que el barco de soporte no puede acceder a ellas. Por ejemplo, regiones bajo gruesas capas de hielo como en el ártico o en las que hay una gran actividad volcánica submarina. Y sin embargo, estas regiones a las que no se pueden acceder con facilidad son de las más importantes desde el punto de vista científico y las que más despiertan nuestra curiosidad. Así se juntan el hambre con las ganas de comer, y una de las posibles soluciones para satisfacer “nuestra sagrada curiosidad por investigar” son los AUVs como el Urashima, que son capaces de operar de forma autónoma sin nexo de unión a una nave nodriza.

Urashima es un AUV experimental cuyo desarrollo comenzó en 1998 de la mano de la Japan Agency for Marine Earth Science and Technology (JAMSTEC) y en el que también se ha involucrado Mitsubishi Heavy Industries (MHI). La intención es que sirva de plataforma de experimentación para el desarrollo posterior de un AUV capaz de navegar autónomamente bajo las capas de hielo del Ártico. Uno de esos lugares inaccesibles para un barco de soporte y de gran valor medioambiental, pues el análisis del fondo marino del Ártico se considera esencial para el estudio del cambio climático. El vehículo contaría con los instrumentos necesarios para recopilar datos oceanográficos importantes como la salinidad, el oxígeno disuelto o la temperatura. La primera iteración del Urashima, alimentada mediante baterías recargables de ion-litio, fue presentada en marzo de 2000. Sin embargo, a fin de aumentar su autonomía, se sustituyó su sistema primario de potencia por pilas de combustible, presentándose el prototipo en marzo de 2003. Así, en febrero de 2005 el Urashima realizó en la bahía de Suruga su mayor crucero de larga distancia con 317 km recorridos. Para ello invirtió unas 56 horas a una profundidad de 800 metros y con una velocidad media aproximada de 3 nudos (5.56 km/h).

Urashima Fuel Cell AUV.

Figura 1: Urashima Fuel Cell AUV.

Y como de lo que va este blog es de pilas de combustible, vamos a ver un poco la que utiliza el Urashima. La pila de combustible empleada para el sistema principal de potencia es de tipo PEMFC (Polymer Electrolyte Membrana Fuel Cell). Este tipo de pilas se caracterizan por unas bajas temperaturas de funcionamiento, entre unos 60 ºC y 80 ºC, por lo que el control térmico del sistema es más sencillo que en otros tipos de pilas, y así el sistema completo puede ser más ligero y compacto. En este AUV se montan en serie 2 stacks de pilas de combustible para lograr una tensión nominal de 120 V y 4 kW de potencia. Dado que el Urashima está diseñado para la exploración de aguas profundas, se emplea un sistema de ciclo cerrado en la pila de combustible, esto es, no se emplea nada del medio ambiente externo ni se expulsa nada a él. De otra forma, sería muy complicado soportar las grandes presiones en los elementos que interactuasen con el entorno, aparte de que los compuestos que se expulsarían podrían contaminar el medio. Como no se toma nada del medio, hay que llevar los reactantes almacenados de casa, en este caso hidrógeno y oxígeno. Y ya que hay que cargar con ellos, pues mejor llevar oxígeno que aire que en las pilas de combustible terrestres suele emplearse por conveniencia. Así, el oxígeno se almacena en un tanque a alta presión (14.7 MPa) mientras que el hidrógeno se obtiene calentando un hidruro metálico almacenado en un depósito a presión. En este diseño del Urashima, los gases que se introducen a la pila de combustible pero que en el ciclo no reaccionan se vuelven a recircular en el sistema. Por su parte, el  agua obtenida como producto de la reacción se almacena en un depósito situado en el interior del recipiente a presión de aleación de titanio que alberga también los stacks de pila de combustible, Figura 2.

Diagrama de funcionamiento de la pila de combustible y los subsistemas

Figura 2: Diagrama de funcionamiento de los sistemas asociados a la pila de combustible

En las pilas de combustible PEMFC, tanto el control térmico como el de la humedad en el interior de las pilas son dos factores fundamentales para el correcto funcionamiento de las mismas. Como puede verse en la Figura 2, en este caso los ingenieros del Urashima han planteado un sistema muy ingenioso de control térmico y de la humedad. Para el control térmico se emplea agua como líquido refrigerante el cual se hace pasar por el stack refrigerándolo y aumentando al mismo tiempo la temperatura del agua refrigerante. Este agua que estará a una temperatura similar a la de funcionamiento del stack se hace pasar por un dispositivo, normalmente una membrana semipermeable, que permite humidificar el hidrógeno que a continuación entrará a la pila de combustible. Además, tras ese paso por el humidificador, el agua a alta temperatura continúa su ciclo hasta un intercambiador de calor, cediéndose finalmente el calor a los hidruros metálicos, los cuales requieren aumentar su temperatura para liberar el hidrógeno que contienen, así el hidrógeno que entrará a la pila se encuentra ya a una temperatura cercana a la de funcionamiento. Por último el agua refrigerante se enfría empleando como foco frío el medio ambiente, que estará a una temperatura notablemente inferior a la de funcionamiento del stack, y así el agua puede volver a refrigerar al stack.

Pila de combustible alojada en el tanque de titanio presurizado.

Figura 3: Pila de combustible alojada en el tanque de titanio presurizado.

Sin embargo, el alcance mostrado por el Urashima no es suficiente para según qué misiones. Actualmente, para el estudio del Océano Ártico se están fijando entre 1000 y 3000 km las distancias de diseño a cubrir en crucero por parte de AUV, lo que implicaría una mejora drástica del alcance. Por otra parte, el Urashima también presentó una serie de problemas como las fugas de hidrógeno o la lenta puesta en marcha. Para resolver estos problemas y dotar a la nueva generación de AUVs de un mayor alcance, JAMSTEC, MHI y otras están trabajando en dos líneas fundamentalmente. Una es la de emplear nuevos hidruros que permitan almacenar mayor cantidad de hidrógeno por unidad de peso y que sean más estables. La otra es el rediseño de los sistemas como puede ser el de refrigeración o la sustitución de los sistemas de recirculación de reactantes por sistemas de válvulas. Por supuesto, también se tratan de mejorar las actuaciones de los stacks para tratar de reducir el consumo de reactantes. Como veis, hay grupos y empresas que siguen en la brecha tratando de sacar adelante los AUVs propulsados mediante pilas de combustible.

Bibliografía

[1] T. Maeda et al. “Fuel Cell AUV URASHIMA”.

[2] T. Maeda et al. “Development of Fuel Cell AUV URASHIMA”.

[3] N. Wakita et al. “Development of Autonomous Underwater Vehicle (AUV) for Exploring Deep Sea Marine Mineral Resources”.

[4] A. Mendez et al. “Fuel cell power systems for autonomous underwater vehicles: state of the art”.

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