Если аквалангисты используют надувные BCD (устройства контроля плавучести), то почему подводные роботы не используют их? Что ж, экспериментальная новая поддерживает, и эта технология, как утверждается, гораздо более энергоэффективна, чем традиционные методы перемещения вверх и вниз по воде.
Обычно подводные ROV (дистанционно управляемые аппараты) и AUV (автономные подводные аппараты) имеют нейтральную плавучесть. Это означает, что они не опускаются на дно и не всплывают на поверхность под водой.
Чтобы двигаться вертикально в толще воды, они обычно используют свои мощные электрические двигатели. Еще одним вариантом является использование электрического насоса для забора воды из бортовых балластных цистерн. В любом случае при этом расходуется значительное количество энергии аккумулятора.
В поисках более эффективной альтернативы команда студентов-инженеров BayMax из Университета Райса обратилась к топливным элементам с обратимым расщеплением воды. Они интегрировали четыре устройства в построенный ими ROV под названием «Монарх».
Топливные элементы, расщепляющие воду, используют процесс электролиза для разделения жидкой воды на два ее компонента: водород и газообразный кислород. Реверсивные ячейки, как следует из их названия, также могут превращать два газа обратно в жидкость. Поскольку газы имеют меньшую плотность, чем жидкость, они имеют больший объем.
Этот феномен используется Монархом.
Монарх ROV в испытаниях в бассейнеДжефф Фитлоу/Университет Райса
Если ROV необходимо увеличить свою плавучесть, дистиллированная жидкая вода в его топливных элементах преобразуется в газообразный водород и кислород, которые надувают воздушные шары, расположенные наверху каждой ячейки. Когда плавучесть транспортного средства снижается, эти газы снова превращаются в жидкость, в результате чего воздушные шары сдуваются.
Кроме того, эту технологию можно использовать для удержания судна в воде горизонтально, за счет автоматической активации отдельных ячеек по мере необходимости. Более того, поскольку плавучесть даже «нейтрально» плавучих ROV и AUV меняется на разных глубинах или в пресной и соленой воде, систему можно настроить на удержание транспортного средства на любой заданной глубине.
В то время как процесс электролиза использует немногоэлектроэнергии, ему требуется значительно меньше, чем потребовалось бы для подъема или опускания с использованием двигателей. Электричество, производимое топливными элементами, можно даже использовать для питания ROV.
На самом деле, в статье 2023 года, которая вдохновила команду BayMax на создание «Монарха», ученые из Университета Райса и Университета Хьюстона заявили, что что контроль глубины с помощью топливных элементов может снизить энергопотребление АНПА до 85 % по сравнению с традиционными двигателями.
Более того, утверждается, что топливные элементы легче и дешевле, чем вертикальные двигатели. Кроме того, они намного тише, поэтому с меньшей вероятностью напугают подводную дикую природу.
Слева направо: члены команды BayMax Ной Элзнер, Дэн Зислис, Итан Пек, Спенсер Дарволл, Эндрю Бэр и Рэйф НизериДжефф Фитлоу/Университет Райса Излишне говорить, что в реальных условиях вместо резиновых баллонов можно использовать гораздо более прочные баллоны. Базовая технология, вероятно, также может найти применение в неводных приложениях, таких как вспомогательные носимые устройства или роботизированная одежда.
«Для нас самое интересное в том, что это действительно передовая технология, это то, что еще никогда не делалось именно так, как мы это делаем», — говорит член BayMax Эндрю Бэйр. «Мы первые, кто внедрил эту технологию в устройство с функцией наклона и расширенными возможностями управления, поэтому мы очень этому рады».
Вы можете увидеть Monarch в действии на видео ниже. .
Этот проект является частью совместного проекта лабораторий профессоров Университета Райса Фатхи Горбеля и Лоры Шефер и профессора Чжэн Чена из Хьюстонского университета.
Подводный робот является пионером нового энергоэффективного управления плавучестью
