Det är ungefär tio år sedan elbilsindustrin parkerade blybatterierna för gott och gick över till litiumbatterier. Det går inte riktigt lika fort i försvarsindustrin men även där är ny batteriteknik på gång för att tas i bruk på flera områden.
Ett av de viktigaste batterivalen som står på tur gäller de nya norska ubåtarna som kommer ersätta Ula-klassen inom en tidsperiod på åtta år.
För ett år sedan blev det fastställt att Norge ska samarbeta med Tyskland angående köp av nya ubåtar, som kommer vara baserade på 212-designen, från det tyska skeppsvarvet TKMS (Thyssenkrupp). Det norska försvaret har beställt fyra nya ubåtar för 40 miljarder norska kronor.
Båda ländernas försvar och industrier arbetar fortfarande med konceptutveckling på ubåten 212 Common Design (CD). Enligt skeppsvarvet kommer den nya 212CD-klassen kombinera lågmälda signaturegenskaper i 212A med ökad räckvidd, hastighet och uthållighet.
Nyligen ingick norska Försvarets Forskningsinstitut (FFI) ett nytt samarbetsavtal med flera tyska forskningsinstitut, gällande forskning och utveckling av teknik till ubåtar, missiler och minåtgärder. När det gäller ubåtsprogrammet kommer parterna bland annat samarbeta kring litiumbatterier som övervägs för de nya ubåtarna.
Arvid Melkevik, som är forskningsledare på FFI, berättar att samarbetsområdena kan bli säkerhetstestning av battericeller, batteristyrningssystem och livscykelanalyser.
Ett litiumbatteri kommer att ha operativa fördelar. Kortfattat har batteriet större energi- och effekttäthet, är mindre underhållskrävande och har kapacitet att leverera bra effekt, även när batteriet börjar bli tomt, och kan laddas snabbare än blysyrabatterier. Det finns dock en del säkerhetsutmaningar som behöver hanteras.
FFI:s strömförsörjningsgrupp har i flera år arbetat med frågor knutna till batterisäkerhet. På ett FFI-forum för snart två år sedan kom forskarna fram till att litiumbatteritekniken nu är modern nog att börja använda generellt på större militära plattformar.
Samtidigt poängterades det att konsekvenserna av ett fel i en battericell kan vara stora, speciellt i stora batteripack. I värsta fall kan en cell som är trasig leda till både gasexplosion och brand, och det fungerar inte att kväva en intern brand i ett batteri där katoden utvecklar syre och elektrolyten är brandfarlig.
Dessutom finns det en risk för återantändning eftersom det är svårt att komma åt och släcka där det brinner. Detta var också Peter Hauschildt, teknikchef för ubåtsutveckling i TKMS, inne på i en intervju han gjorde med norska tidningen Teknisk Ukeblad innan det norsk-tyska avtalet hade ingåtts:
– Det finns fortfarande utmaningar i att tillverka såpass stora litiumbatterier, vi pratar tiotals megawattimmar och tiotusentals celler, som är tillräckligt pålitliga och säkra, sa han.
Nu är alltså tyska och norska forskningsinstitut på gång att lägga grunden för det batteritekniska vägvalet. Peter Hauschildt sa så här:
– De här kan bli bland de sista nya ubåtarna som produceras med blybatteri, eller bland de allra första som levereras med litiumbatterier. Det här projektet är mitt i ett teknikskifte.
Det kan kanske låta märkligt att hålla tillbaka användningen av en batterityp som vi, utan större eftertanke, omger oss med i samhället i övrigt. Men ubåtar är en speciell applikation.
– Här är säkerhetskraven ungefär desamma som för flyg. Det är slutna system som inte kan utrymmas. Brand i nedsänkt tillstånd skulle få stora konsekvenser, påpekade teknikchefen.
Även om blybatterier har använts i ubåtar i över hundra år är det inte heller riskfritt. Ett exempel på en riskfaktor är vätet som produceras under laddning.
Teknisk Ukeblad har fått information från skeppsvarvet att 212A-klassens framdriftssystem kommer behöva genomgå en större modifikation för att möta kraven som ställs för 212CD.
Även de nya ubåtarna ska ha luftoberoende framdrift (Air Independent Propulsion, AIP), baserad på bränsleceller. De kommer få tredje generationens bränslecell som varvet TKMS arbetar på tillsammans med leverantören Siemens. Samma företag levererar synkronmotorn som ska komma i en ny generation i den nya klassen.
För att kunna frakta vätgasen säkert lagras den i metallhydrider. Detta är en legering av titan, järn och mangan, som tar upp vätgasen som en svamp. Metallhydrider är relativt kompakta, väldigt tunga och dyra. Men det är ett enkelt och pålitligt system där vätgasen tas ut först när den behövs i bränslecellen.
– Den volymetriska densiteten motsvarar nästan flytande lagring av vätgas, medan gravimetrisk densitet är cirka två procent, upplyser Peter Hauschildt.
Medan ubåtar i Ula-klassen regelbundet måste upp till ytan för att snorkla för att dieselgeneratorerna ska få luft, kommer ersättaren att kunna arbeta i nedsänkt tillstånd i totalt 18 dagar. Därför är det också aktuellt att forska kring terrängnavigering under vatten, enligt FFI.
En av FFI:s nya ubåtpartners är WTD 71 (Wehrtechnische Dienststelle für Schiffe und Marinewaffen der Bundeswehr, Maritime Technologie und Forschung).
När Norge väljer att spendera över 40 miljarder norska kronor på nya ubåtar är utgångspunkten att dessa är bland de strategiskt viktigaste strukturella elementen som en motståndare behöver använda stora resurser för att skydda sig mot. Små konventionella ubåtar är generellt mycket svåra att upptäcka i nedsänkt tillstånd.
För Norges del är det dessutom viktigt att storleken inte begränsar verksamheten i de otaliga fjordar landet har. 212CD kommer att ha deplacement på upp till 1 500 ton på ytan, cirka 50 procent mer än Ula-klassen.
Alla ubåtar är mer eller mindre skräddarsydda. Alla nationer kommer exempelvis att sätta sina krav på kommunikations- och stridssystem, medan den faktiska plattformstekniken i klassen i huvudsak kommer att bevaras.
Det nyetablerade företaget KTA Naval Systems, som Kongsbergsgruppen äger tillsammans med TKMS och deras dotterbolag Atlas Elektronik, arbetar nu med nästa generations stridssystem som de menar kommer att bli världens mest avancerade. För norsk industri är det dessutom viktigt att detta system har en garanterad plats i alla ubåtar från Thyssenkrupp framöver.
Multi Sensor Eldledningssystem (MSI -70 U) för Kobben-klassen utvecklades av FFI och Kongsberg, med några idéer från USA. I och med detta kunde man kombinera data från periskop, radar, samt passiv och aktiv sonar. För Ula-klassen blev det ett krav att eldledningssystemet måste kunna följa och angripa flera mål samtidigt.
Artikeln var först publicerad i Teknisk Ukeblad.
