Подводный крейсер-фабрика: может ли он работать на ресурсах океана?
Идея полностью автономного подводного аппарата, который не просто выполняет боевые задачи, но и сам добывает сырьё, перерабатывает его и печатает дронов, обычно выглядит фантастикой. Но если разобрать концепцию на конкретные технологические блоки, многое оказывается реализуемым уже в обозримом будущем. В этой статье мы пройдёмся по ключевым узлам такого «Кремниевого корабля» и посмотрим, что можно сделать прямо сейчас, а что пока за гранью возможностей.
Глава 1. Энергетика: необслуживаемый реактор на быстрых нейтронах
Любому плавучему заводу нужна энергия, причём в огромных количествах и на годы вперёд. Обычные реакторы с водой под давлением требуют замены топлива и регулярного обслуживания. Альтернатива — реакторы на быстрых нейтронах со свинцово-висмутовым теплоносителем.
Быстрыми называют нейтроны, которые не замедляются специальными веществами (замедлителями) и позволяют реактору работать в замкнутом топливном цикле. На практике это означает, что такой реактор может использовать в качестве топлива не только уран-235, но и уран-238, которого в природе примерно в 140 раз больше, а также нарабатывать новое топливо из отработавшего. Свинцово-висмутовый теплоноситель не кипит при высоких температурах, химически инертен и позволяет создать установку, способную проработать без вмешательства человека весь проектный срок — десятилетия.
В России подобные технологии уже опробованы на подводных лодках проекта 705 (лира), а сегодня элементы быстрых реакторов применяются в проектах малых модульных установок. Именно такая энергосистема может стать сердцем автономного крейсера.
Глава 2. Что можно взять прямо из морской воды
Морская вода — это слабый раствор почти всех элементов таблицы Менделеева. Концентрации многих металлов ничтожны, но для некоторых элементов извлечение оправдано.
Медь и серебро — два металла, которые действительно можно осаждать электролизом прямо из морской воды. Их ионы находятся в ряду напряжений правее водорода — это значит, что при пропускании тока они восстанавливаются на катоде до чистого металла раньше, чем начнётся бурное выделение водорода. Для меди потребуется около 0,34 В, для серебра — 0,8 В. Если прокачивать большие объёмы воды через камеры с развитой поверхностью электродов (например, сетчатых или губчатых), можно получать эти металлы в количествах, достаточных для печати проводящих дорожек и контактов.
Кроме того, электролиз морской воды даёт водород, хлор и гидроксид натрия. Водород — топливо для вспомогательных дронов и топливных элементов. Хлор и щёлочь могут использоваться в технических целях.
Но для конструкционных материалов одной воды мало. Здесь нужны донные ресурсы.
Глава 3. Донная кладовая: графит, кварц, гидраты и сульфиды
Океанское дно во многих районах — готовый источник сырья. Нам понадобятся:
Графит — кристаллический углерод, который встречается в глубоководных отложениях и метаморфических породах. Из очищенного графита можно делать проводящие дорожки, электроды и армирующие компоненты.
Кварцевый песок (SiO₂) — основа для синтеза карбида кремния (SiC). Если смешать песок с углеродом (графитом) и нагреть выше 1600°C в инертной атмосфере, получится материал, по твёрдости близкий к алмазу, лёгкий и абсолютно стойкий к морской воде. Из него можно печатать корпуса дронов, лопатки движителей и оптические элементы.
Газогидраты — твёрдые соединения метана с водой, стабильные при высоком давлении и низкой температуре. Их на дне огромное количество. Добытый метан можно подвергать пиролизу — термическому разложению без доступа кислорода. В результате получаются:
- углеродные нановолокна и нанотрубки (прочнейший лёгкий материал);
- чистый водород (топливо).
Полиметаллические сульфиды (руды «чёрных курильщиков») содержат минералы, которые могут заменить кремниевые полупроводники: галенит (PbS), пирит (FeS₂) и халькопирит (CuFeS₂). Эти минералы обладают полупроводниковыми свойствами без сложной очистки и легирования.
Глава 4. Электроника без кремниевых заводов
Процессоры для смартфонов в подводных условиях не напечатать. Но для дронов-разведчиков, ремонтных роботов и простых систем управления достаточно гораздо более примитивных схем. И здесь как раз пригодятся природные полупроводники.
Галенит (сульфид свинца) — один из первых материалов, на котором ещё в начале XX века делали точечные детекторы радиосигналов. Он меняет сопротивление при облучении светом и может служить фотодиодом или простым выпрямителем.
Пирит (дисульфид железа) обладает подходящей шириной запрещённой зоны для преобразования солнечного света в электричество и рассматривается как дешёвый материал для солнечных элементов. Под водой он может питать небольшие сенсоры.
Халькопирит (медно-железный сульфид) — ещё один доступный полупроводник, который используется в прототипах тонкоплёночных солнечных батарей.
Технология изготовления элементарных схем на таких кристаллах известна: это может быть точечный контакт металлической иглы с поверхностью минерала или простая пайка. Платой служит пластина из плавленого кварца или карбида кремния, на которой с помощью графитовой пасты или осаждённой меди формируются дорожки, а кристаллы вплавляются в нужные точки. Это не заменит микропроцессор, но позволит создать аналоговые системы управления движением, простые сенсоры и детекторы.
Глава 5. Сборка дронов: печать корпусов, проводников и мышц
Корпус — самый понятный этап. Смесь очищенного кварцевого песка и графита превращается в порошок карбида кремния, а затем методом лазерного спекания послойно выращивается в деталь любой формы. Для упрочнения можно добавлять углеродные нановолокна, полученные из метана.
Проводники и контакты наносятся двумя способами: электролитическим осаждением меди или серебра из морской воды, либо трафаретной печатью графитовыми чернилами.
Вместо электромоторов, которые требуют обмоток, магнитов и точной механики, можно использовать пьезоэлектрические актуаторы. Пьезоэлектрический эффект — это способность некоторых материалов (например, кварца) изменять размеры под действием напряжения. Напечатанные пластинки кварца, склеенные в пакет, работают как миниатюрные «мышцы», приводящие в движение плавники или манипуляторы дрона. Они не боятся воды и не имеют трущихся частей.
Глава 6. Что пока недостижимо и где границы реализма
Несмотря на стройность концепции, остаются принципиальные ограничения.
Первое — концентрация. Чтобы добыть 1 кг меди из океанской воды, нужно профильтровать и обработать сотни тысяч тонн воды. Мощности реактора на это хватит, но процесс идёт медленно. Поэтому дроны не будут производиться сотнями в час — скорее, несколько штук в сутки.
Второе — сложная логика. Полупроводниковые кристаллы не способны заменить цифровые процессоры. Если дрону нужна программа полёта с анализом изображения, одних природных минералов недостаточно. Решение — нести на борту запас «семян»: миниатюрных кремниевых чипов с заранее изготовленными транзисторами. Несколько килограммов таких заготовок обеспечат тысячи простых систем управления. Они вплавляются в керамическую плату и соединяются напечатанными дорожками.
Третье — добыча газогидратов и сульфидов. Само по себе извлечение метана из гидратов и подъём руды с глубины требует сложного подводного оборудования — роботизированных манипуляторов, буров и насосов. Но это уже существующие технологии, которые активно применяются в нефтегазовой отрасли.
Заключение
Концепция подводного автономного крейсера, перерабатывающего океанские ресурсы, больше не выглядит абсолютной утопией. При наличии компактного реактора на быстрых нейтронах, технологии 3D-печати керамикой и развитых электролизных установок, можно наладить выпуск простых, но функциональных дронов. Основу сырья дают морская вода, донные минералы и газогидраты. Слабое место — производство сложной электроники, которое решается за счёт запасаемых заранее «семян» микросхем.
Такой корабль не сможет воспроизвести сам себя, но станет плавучим заводом, месяцами и годами выпускающим ремонтные и разведывательные аппараты, — и это инженерная задача уже не следующего столетия, а второй половины текущего.