Descubre cómo baterías de ion-litio y AIP mejoran la resistencia y discreción de submarinos ante desafíos ASW.
El futuro entorno operativo de los submarinos
El agua alrededor de su submarino reverbera debido a un sonar activo de baja frecuencia distante. Cada pocos minutos, los operadores del sonar informan de un punto de chapoteo, señal de que una boya de sonar pasivo ha sido lanzada por uno de los numerosos vehículos aéreos no tripulados (UAV) de patrulla que le dan caza sin descanso las 24 horas del día. Su sonar se llena de chirridos, que indican comunicación submarina entre boyas, vehículos de superficie no tripulados (USV) y amenazas sumergidas no detectadas. La última vez que levantó el visor, recibió indicaciones de al menos tres emisores de radar, posiblemente UAV que patrullaban la zona. Treinta minutos después de sumergirte, un enjambre de múltiples UAV y al menos un USV intentaron darte caza. Sólo sobreviviste tocando fondo y soportando el calvario de 48 horas de implacable persecución. Llevas días sin avistar tu objetivo. Como el enemigo es consciente de tu presencia, posiblemente se ha alejado de tu posición. Los informes de inteligencia sugieren que la cobertura de los satélites enemigos tiene lagunas intermitentes de menos de diez minutos. Incluso la más débil estela de periscopio podría ser detectada por herramientas de minería de datos en imágenes de satélite. Su ingeniero jefe le informa a usted, el oficial al mando: «Nos queda batería para un sprint de 15 minutos u otras cinco horas de holgazanería». Levantar el snorkel probablemente provocaría una destrucción inminente. No parece haber forma de evitar los numerosos sensores para ganar libertad de maniobra. Debe permanecer inmóvil bajo la costa y esperar un milagro o retirarse.
El submarino en este escenario se enfrenta a una situación calamitosa. Pero podría ser el destino de cualquier submarino en breve si la tecnología no consigue seguir el ritmo de las tendencias de potenciación que se observan actualmente en la guerra antisubmarina (ASW).
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Figura 1: Esquema de los principales componentes de la central eléctrica de un submarino. |
Los submarinos dependen del secreto y la cobertura que les proporciona su entorno operativo. Las complejidades de la acústica hacen que la detección por sonar activo sea una tarea que requiere muchos recursos. Los recientes avances en la reducción de las firmas pasivas han tenido un éxito notable, con rangos de detección cercanos a cero. Los submarinos son invisibles si pueden eludir la detección mediante sensores electromagnéticos clásicos (como el RADAR o los electroópticos). Actualmente disfrutan de un nivel máximo de libertad, pero esto está destinado a cambiar. Las tecnologías emergentes proporcionarán medios más eficaces para detectar submarinos en la próxima década, incluso en los entornos más complejos. La integración de sistemas no tripulados, el procesamiento avanzado de datos (como los sistemas de sensores multiestáticos y la minería de datos) y la inteligencia artificial (IA) con sensores de todos los dominios y servicios proporcionarán a las futuras fuerzas ASW la capacidad de explotar firmas que antes pasaban desapercibidas -por ejemplo, estelas débiles dejadas por el periscopio o campos de presión. Estas tecnologías ayudarán a detectar, localizar y rastrear submarinos más rápido que nunca.
En su innovador artículo «The Hunt for Full Spectrum ASW»,[1] el capitán Toti de la USN describió en 2014 un marco para implementar la ASW como una operación multidominio de fuerzas conjuntas. Definió diez hilos a lo largo de los cuales pueden operar las fuerzas ASW. Estos hilos van desde el nivel táctico al estratégico de la guerra. Los hilos de nivel táctico exigen masividad y requieren mucho tiempo, por lo que dependen en gran medida de medios navales específicos. La fuerza comprometida opera con un alto riesgo debido a la proximidad del submarino. En cambio, los hilos de nivel operativo o estratégico requieren comparativamente menos fuerzas navales y minimizan su riesgo. Utilizando medios conjuntos y combinando plataformas y capacidades presentes, por ejemplo, vehículos aéreos no tripulados, datos obtenidos por satélite e inteligencia procedente de operaciones cibernéticas y de dominio de la información, el objetivo de la ASW -negar al enemigo el uso efectivo de submarinos- podrá alcanzarse en el futuro con mucha mayor eficacia a nivel operativo que táctico. El establecimiento de la cadena de muerte sensor-tirador dificulta enormemente el empleo de submarinos convencionales, negando al submarino sus áreas típicas de operación, restringiendo su libertad de maniobra y obligándole a asumir mayores riesgos al utilizar las rutas de aproximación necesarias[2].
Para seguir siendo relevantes, los submarinos deben adaptarse al cambiante entorno ASW, superar al adversario y contrarrestar las nuevas capacidades. Nunca se insistirá lo suficiente en la importancia de contrarrestar estas nuevas capacidades. Por un lado, los submarinos deben mejorar su movilidad para recuperar el elemento sorpresa y evitar las concentraciones de capacidades ASW enemigas. Por otro, deben ser capaces de prolongar los periodos de clandestinidad sin exponerse en la superficie. La forma más sencilla de conseguirlo es eliminando la necesidad de hacer snorkel de forma prolongada y reduciendo el ratio de indiscreción, una métrica clave en las operaciones submarinas que mide el tiempo que un submarino puede permanecer sumergido sin necesidad de volver a la profundidad del periscopio para hacer snorkel, incluso durante movimientos a gran velocidad. ¿Qué mejoras en las plataformas podrían ayudar a las fuerzas submarinas a superar este reto en la próxima década?
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Figura 2: Esquema general y distribución de volumen y masa de los componentes de la central eléctrica de un submarino ficticio de 2.000 toneladas. |
Tecnologías disponibles
La composición de la central eléctrica del submarino es de crucial importancia, ya que determina el coeficiente de indiscreción. De sus cuatro componentes principales (Figura 1), las fuentes de energía y los acumuladores (sistemas de baterías) son los más críticos. Las decisiones que se tomen en este ámbito repercutirán significativamente en las capacidades y la capacidad de supervivencia del submarino.
En la actualidad, la batería es la única fuente de alta potencia eléctrica del submarino. Se está llevando a cabo la transición de la tecnología heredada de baterías de plomo-ácido (LAB) a la tecnología de baterías de iones de litio (LIB). Este cambio mejora sustancialmente la capacidad de energía utilizable de los submarinos al tiempo que permite una entrega de potencia máxima sostenida durante todo el proceso de descarga. La principal preocupación se refiere a la seguridad y abarca la limitación de la densidad energética, que actualmente es de aproximadamente 175 kWh/m³ a nivel de sistema cuando se emplea la química «segura» LiFePo4. También es conocida por su estabilidad y bajo riesgo de fuga térmica. Las LIB tienen un gran potencial de crecimiento si se resuelven los problemas de seguridad. Las baterías utilizadas en electromovilidad presentan densidades energéticas que oscilan entre 600 y 700 kWh/m³. Teniendo en cuenta el ritmo de avance, puede ser plausible prever que las densidades energéticas objetivo para aplicaciones submarinas se sitúen en el rango de 200 a 300 kWh/m³ en la próxima década[3]. Pero incluso entonces, una LIB con una cuota estándar de desplazamiento submarino sólo será capaz de almacenar una fracción de la energía que podría almacenar un sistema de almacenamiento de energía. Las LIB podrían permitir operaciones sumergidas prolongadas a altas velocidades de hasta 20 kn en comparación con los diseños actuales. Sin embargo, la resistencia potencial se limitará a horas en lugar de días. Las LIB no pueden mantener operaciones sumergidas durante periodos prolongados y requerirán un almacenamiento de energía adicional. El potencial de las LIB reside en su capacidad para facilitar las operaciones a altas velocidades y ofrecer nuevas posibilidades tácticas en situaciones volátiles.
Los sistemas de propulsión dependientes del aire (ADPS) siguen siendo el método más rápido para recargar las baterías de los submarinos. Los ADPS suelen utilizar el motor diésel del submarino para generar electricidad con la que cargar las baterías. Con una densidad energética volumétrica de aproximadamente 10 MWh/m³, el gasóleo sigue sin tener rival en capacidad de almacenamiento de energía. Los motores diésel modernos de funcionamiento rápido equipados con turbocompresor de gases de escape y compuerta de residuos alcanzan densidades de potencia de 40 kW/m³. Ninguna otra fuente de energía puede igualar actualmente esa densidad energética o de potencia. Los continuos avances en la tecnología de turboalimentación y una mayor optimización termodinámica prometen aumentar la densidad de potencia hasta aproximadamente 50 kW/m³. Sin embargo, a pesar de estos avances, las posibilidades de reducir el tiempo de carga de baterías cada vez más potentes son muy limitadas si se tiene en cuenta el espacio y el peso limitados de los submarinos. El principal inconveniente de los ADPS radica en la necesidad de elevar un esnórquel para tomar aire, lo que restringe su uso operativo a zonas no hostiles y a situaciones en las que la necesidad de transitar a alta velocidad debe sopesarse cuidadosamente frente al riesgo de detección.
Los sistemas de propulsión independientes del aire (AIPS) engloban tecnologías que convierten la energía almacenada en energía eléctrica sin necesidad de un suministro externo de aire. Los sistemas típicos son la pila de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC), el motor de pistón de combustión externa (motores Stirling) y la turbina eléctrica de ciclo Rankine (MESMA)[4]. Estos sistemas suelen presentar una potencia de salida relativamente baja, entre 150 y 300 kW a nivel de sistema[5]. Sin embargo, su eficiencia de conversión de energía varía, con la PEMFC a la cabeza con un 60%, mientras que los demás sistemas oscilan entre un 25%. El volumen necesario para el almacenamiento de energía también varía mucho en función del combustible utilizado. La principal limitación de estos sistemas es su baja potencia. No parece que los avances actuales vayan a aumentar sustancialmente su potencia en un futuro próximo. Cualquier aumento de la densidad de potencia tiende a disminuir la eficiencia de los AIPS, lo que requiere un aumento significativo del almacenamiento de combustible y oxidante. Además, las tecnologías de almacenamiento existentes están funcionando al límite de sus posibilidades técnicas, con perspectivas limitadas de satisfacer las necesidades específicas de los submarinos. Aunque los AIPS de baja potencia pueden sostener a los submarinos en patrullas sumergidas de larga duración debido a la alta densidad volumétrica de energía de los combustibles, no pueden recargar la batería rápidamente, ya que las recargas completas requieren días en lugar de horas.
Figura 3: Perfil operativo como base de comparación de la Probabilidad de Detección (PdD).
Todos los sistemas analizados presentan puntos fuertes y débiles. Mientras que las baterías siguen siendo el principal proveedor de energía, el ADPS permite una recarga rápida y el AIPS proporciona una red troncal de bajo consumo y alta energía para el submarino. Por lo tanto, ninguna de las tecnologías descritas por sí sola podrá suministrar energía a los futuros submarinos en el difícil entorno mencionado al principio. Es imprescindible una combinación.
Aplicación a los submarinos
Un examen del mercado actual de submarinos y de los programas de adquisición revela dos enfoques distintos para contrarrestar la amenaza. Uno de ellos se basa en las LIB de alta energía y en potentes motores diésel para la recarga (Diseño A). El otro enfoque combina las tres tecnologías para maximizar sus beneficios (Diseño B). Para facilitar la comparación entre las dos opciones de diseño, consideraremos un submarino convencional con un desplazamiento de 2.000 toneladas (Figura 2). La figura ilustra la distribución media del desplazamiento relativo por sistema de múltiples programas de submarinos y servirá de referencia para análisis posteriores.
La clave para que el análisis posterior resulte informativo es abordar la capacidad de supervivencia del submarino en el futuro entorno operativo. Una comparación sencilla es la probabilidad de detección contra un conjunto específico de sensores ASW tras un perfil operativo definido. Suponiendo que la detección pueda modelizarse como una búsqueda de paseo aleatoria, con la tasa de búsqueda determinada por un sensor artificial que combina las características descritas al principio, es posible calcular la probabilidad de detección para cada diseño de submarino tras seguir el perfil operativo esbozado en la Figura 3. La comparación se realizó para diferentes AIPS y sensores ASW.
La comparación se realizó para diferentes combinaciones de AIPS, ADPS y LIB. El diseño A representa la combinación LIB-APDS con mayor capacidad de carga. Los diseños B-I a B-III cambian la proporción de AIPS, batería y ADPS. B-I tiene el AIPS más pequeño y una batería más grande, mientras que B-III tiene el AIPS más grande y la batería más pequeña, ajustándose el ADPS en función del tamaño de la batería. Los resultados presentados en la Figura 4 muestran que el enfoque integrado (Diseño B) tiene más probabilidades de pasar desapercibido. Esto es cierto incluso si se considera un posible aumento de la densidad energética de la LIB. El hecho de que el diseño B-II consiga el mejor rendimiento indica que aumentar el AIPS no es una receta de éxito garantizado. La identificación de la combinación óptima aún requiere un análisis más profundo. Sin embargo, su resultado no cambiará el resultado final. La combinación de batería, ADPS y AIPS es la más adecuada para evitar la detección, sobrevivir en el futuro entorno operativo y, además, permitir que los submarinos sigan siendo relevantes.
Esto se debe principalmente a dos hechos: en primer lugar, el diseño A requiere una recarga rápida para alcanzar la baja tasa de indiscreción (IR) necesaria para evitar la detección. Esto requiere un potente conjunto de motores diésel a escala del sistema de baterías instalado a bordo. Debido al tamaño de la LIB, sólo un sacrificio masivo en desplazamiento para el ADPS puede reducir la IR de forma efectiva. Supongamos que fuera posible conseguir una LIB segura que permitiera almacenar 75 MWh de energía en un submarino de 2.000 toneladas. Esto implica una densidad energética de unos 330 kWh/m³, que podría ser posible alcanzar al final del periodo de previsión. Una recarga con dos motores diésel de última generación aún tardará casi 40 horas. Para permitir una recarga de 4 horas, ¡se necesitan casi 20 MW de potencia de generador! Sin embargo, actualmente es imposible aumentar la cuota de desplazamiento del ADPS de aproximadamente el 5% al 25%. En segundo lugar, aunque el AIPS está diseñado especialmente para el desplazamiento cuasi estacionario, puede cubrir continuamente la carga de base del submarino utilizando una electrónica de potencia y una gestión de la energía actualizadas, prolongando el tiempo sumergido incluso a velocidades más elevadas. Además, aunque la recarga de la batería por el AIPS puede llevar mucho tiempo, es posible, lo que permite al submarino merodear y recargarse durante las pausas operativas tras sprints prolongados sin snorkel. Por lo tanto, es crucial persistir en el desarrollo y la utilización de sistemas AIPS junto con otras tecnologías para optimizar la configuración energética de los submarinos.
Figura 4: La comparación de la probabilidad de detección (PdD) durante el perfil operativo de la figura 3 revela ventajas significativas para el diseño B.
Para reconsiderar el escenario presentado al principio de este artículo: si usted estuviera al mando de un submarino de Diseño B, podría responder con confianza: «Jefe, cargaremos la batería mediante el AIPS durante las próximas 20 horas, ignorando la agitación. Haga un sprint de 6 horas a lo largo de la costa hasta el otro lado de la barrera. Luego, hacer otro intento de penetrar las defensas».
El comandante Lars Bahnemann es oficial de Estado Mayor de la Agencia Alemana de Adquisiciones (BAAINBw) y responsable de la cooperación internacional en el ámbito de los submarinos.
Referencias:
- [1] (Toti2014) Captain William J. Toti “The Hunt for FullSpectrum ASW”, The Naval Institute Proceedings, 2014;140;6;1,336.
- [2] For possible applications and examples, refer to (Lancaster2024) Jason Lancaster “Make ASW Joint: Integrating the Joint Force into Full Spectrum ASW”, CIMSEC, 2024; https://cimsec.org/make-asw-joint-integrating-the-joint-force-into-full-spectrum-asw/
- [3] (Bahnemann2024) Lars Bahnemann “Lithium-Ionen-Batterien auf Ubooten. Ein Paradigmenwechsel in der Unterwasserseekriegsführung?”, Europäische Sicherheit & Technik, 2024;5;91-96.
- [4] (Lus2018) Tomasz Lus „Waiting for Breakthrough in Conventional Submarine’s Prime Movers”, Transaction in Maritime Sciences, 2019; 04; 37-45.
- [5] Refer to Lus2018 and Peruzzi2023. (Peruzzi2023) Luca Peruzzi “Developments in Lithium-ion Batteries and AIP Systems for Submarines”, European Security & Defence, 2023; 11-12;76-82.
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