Air Independent Propulsion (AIP)

Air Independent Propulsion (AIP)

AIP หรือ Air Independent Propulsion ซึ่งเรือดำน้ำรุ่นใหม่ๆ จะติดตั้งระบบนี้ทุกลำ เพราะเทรนด์ของเรือดำน้ำแบบดั้งเดิม (Conventional Submarine) ในยุคศตวรรษที่ 21 นี้ จะต้องมีระบบ AIP เพื่อเพิ่มความสามารถให้กับเรือดำน้ำแบบดั้งเดิม ให้ก้าวพ้นขีดจำกัดในการดำ ทิ้งให้เรือดำน้ำแบบดั้งเดิมกลายเป็นตำนานไปตลอดกาล

ส้นเท้าของอะคิลิสของเรือดำน้ำแบบดั้งเดิม

ข้อจำกัดของเรือดำน้ำแบบดั้งเดิม ที่กลายเป็นจุดอ่อน หรือที่ฝรั่งเค้าเรียกว่าเป็น ส้นเท้าของอะคิลิส(Achilles’ Heel) ก็คือการที่เรือต้องลอยลำขึ้นมาบนผิวน้ำ เพื่อเดินเครื่องยนต์ไปปั่นไฟประจุลงในแบตเตอรี่ เมื่อแบตเตอรี่เต็มแล้ว จึงจะดำลงไปในน้ำอีกครั้ง และเลิกเครื่องยนต์ ใช้แต่พลังงานไฟฟ้าจากแบตเตอรี่ในการขับเคลื่อนเรือ และจ่ายภาระให้กับอุปกรณ์นานาชนิด ไม่ว่าจะเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เครื่องมือเดินเรือ ระบบอาวุธ และ Hotel load ที่เป็นชื่อเรียกรวมๆ ของอุปกรณ์อำนวยความสะดวกทั้งหลาย ไม่ว่าจะเป็นไฟฟ้าแสงสว่าง ปั๊มน้ำ ระบบระบายอากาศ เครื่องผลิตอ๊อกซิเจน อุปกรณ์ทำครัว ฯลฯ

การลอยขึ้นมาบนผิวน้ำเพื่อประจุไฟลงแบตเตอรี่นี้ มีชื่อเรียกเฉพาะว่า Surfacing สาเหตุที่ต้องทำแบบนี้ก็เนื่องจาก เรือดำน้ำนั้นใช้เครื่องยนต์สันดาปภายใน เป็นเครื่องยนต์ในการขับเคลื่อนเรือ และยังเป็นเครื่องไฟฟ้าด้วย ไม่ว่าเครื่องยนต์จะเป็นเครื่องยนต์ดีเซลหรือเบนซินก็ตาม จะต้องใช้อากาศในการสันดาป เพื่อทำให้เครื่องยนต์ทำงาน ดังนั้นทางเดียว (ในสมัยนั้น) ที่จะทำให้เครื่องยนต์สันดาปภายในนั้นติดเครื่องได้ จึงต้องลอยตัวขึ้นมาบนผิวน้ำเพื่ออัดอากาศเข้าห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์

เรือดำน้ำแบบ Conventional มีจุดอ่อนอยู่อย่างหนึ่งคือการต้องลอยลำขึ้นมาเดินเครื่องจักรเพื่อประจุไฟฟ้าลงแบตเตอรี่

การ Surfacing ทำให้เรือดำน้ำกลายเป็นเป้าที่เด่นชัดขึ้นมาในทุกๆ ด้าน ไม่ว่าจะเป็นในจอเรดาร์ โซนาร์ กล้องอินฟาเรด เสียง พริ้วน้ำท้ายเรือ หรือแม้แต่การสังเกตการณ์ด้วยสายตา เพราะเมื่อเรือดำน้ำโผล่พ้นขึ้นมาเหนือผิวน้ำ ก็ไม่ต่างอะไรไปจากเรือผิวน้ำลำหนึ่ง นอกจากนี้อุปกรณ์ตรวจจับเสียง (Sound-Detection Gear) ของตัวเอง ก็จะไม่สามารถใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจากเสียงของเครื่องยนต์ดีเซลกลบเสียงต่างๆ เสียหมด

ข้อจำกัดของเครื่องยนต์สันดาปภายในนี้ ยังทำให้เรือดำน้ำแบบดั้งเดิมไม่ว่าจะเป็นของค่ายไหนๆ ก็แล้วแต่ มีระยะเวลาในการดำอยู่ใต้น้ำได้ไม่นานนัก จำกัดอยู่ที่ 1-3 วัน อย่างเก่งก็ไม่เกิน 7 วัน ก็ต้องขึ้นมาประจุไฟใส่แบตเตอรี่กันใหม่ ทำให้เพิ่มโอกาสในการตกเป็นเป้า เพราะกว่าจะประจุไฟได้เสร็จก็กินเวลาอยู่หลายชั่วโมง ดังนั้นในเวลากลางวัน เรือดำน้ำจะดำน้ำ หรือกบดาน (การกบดานคือการจอดเรือนิ่งอยู่ในพื้นท้องทะเล โดยไม่มีการเคลื่อนที่) เพื่อที่จะได้ไม่ต้อง Surfcaingขึ้นมาให้เสี่ยง แล้วในตอนกลางคืน ก็จะอาศัยความมืด ลอยลำขึ้นมาเพื่อประจุไฟ ซึ่งมีความปลอดภัยมากกว่า

แต่ถึงกระนั้น ในสมัยหนึ่ง ช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 การ Surfacing นั้นกลับกลายเป็นยุทธวิธีในการรบของเรือดำน้ำไป กล่าวคือ หากเรือดำน้ำสามารถตรวจพบกองเรือของข้าศึกก็จะใช้วิธีการสะกดรอยตามไปใกล้ๆ และส่งข่าวเพื่อเรียกเรือดำน้ำที่อยู่ใกล้เคียงเข้ามารุมกินโต๊ะเรือในกองเรือทั้งหมด โดยจะทำการ Surfacing ขึ้นมาในตอนกลางคืนและโจมตีด้วยตอร์ปิโด หรือปืนใหญ่เรือพร้อมๆ กัน ซึ่งก็จะทำให้กองเรือทั้งหมดถูกกำจัดได้อย่างรวดเร็วและเด็ดขาด (แถมยังได้เดินเครื่องยนต์ชาร์จแบตเตอรี่ไปด้วยในตัว) ยุทธวิธีนี้คิดค้นโดยประเทศเยอรมนี และมีชื่อยุทธวิธีว่า Rudeltaktik ซึ่งรู้จักกันในนาม ยุทธวิธีฝูงหมาป่า หรือ Wolfpack ในภาษาอังกฤษ  โดยเบื้องหลังแห่งความสำเร็จก็คืออุปกรณ์เข้าและถอดรหัสอันมีชื่อเสียง อินิกม่า (Enigma Cipher Machine) ที่ใช้ในการเข้ารหัสข่าวสารที่ส่งระหว่างเรือดำน้ำด้วยกัน

Wolfpack

ภาพวาดแสดงยุทธการ Wolfpackของเรือ U

ยุทธวิธี Wolfpackได้ถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายทั้งในฝั่งอักษะ และสัมพันธมิตร ตลอดช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 เพียงแต่ปรับเปลี่ยนกลยุทธ์ไปตามแต่กองเรือดำน้ำของแต่ละประเทศ ซึ่งในภายหลังฝ่ายสัมพันธมิตรก็สามารถแก้เกมของเยอรมนีได้ในที่สุด เมื่อฝ่ายสัมพันธมิตรสามารถดักจับข้อความที่ส่งด้วยคลื่นความถี่ HF ได้จากเครื่อง High Frequency Direction Finder (HF/DF หรือ Huff-Duff) และถอดรหัสข้อความด้วยเครื่องถอดรหัส Bombe แต่กลยุทธ์นี้ได้เริ่มเสื่อมความนิยมลงไปหลังสงครามโลกครั้งที่ 2 ในยุคสงครามเย็น เมื่อยุคแห่งเรือดำน้ำนิวเคลียร์ถือกำเนิดขึ้น ทำให้เรือดำน้ำสามารถปฏิบัติการได้อย่างต่อเนื่องยาวนานในทะเล โดยไม่ต้องลอยลำขึ้นมาเพื่อเดินเครื่องยนต์อีกต่อไป

ในระหว่างที่สงครามโลกครั้งที่ 2 กำลังดำเนินไปนั้น วิศวกรเรือดำน้ำก็ไม่ได้มีการหยุดพัฒนาและคิดค้นวิธีที่จะทำให้เรือดำน้ำสามารถดำอยู่ในน้ำได้นานขึ้น เพื่อผลทางยุทธวิธี และไม่ทำให้ตัวเองเป็นเป้าด้วย จึงได้มีการคิดค้นอุปกรณ์ซึ่งเป็นท่อสำหรับดูดอากาศดีเข้าเครื่อง ซึ่งเรียกว่า Submarine Snorkel ขึ้น ซึ่งอุปกรณ์นี้ก็มีลักษณะคล้ายๆ กับท่อช่วยหายใจที่ใช้สำหรับดำน้ำดูปะการังบนผิวน้ำของนักดำน้ำนั่นแหละครับ

ชาติแรกที่คิดค้น Snorkel ขึ้นมาก็คือ ประเทศอังกฤษ แต่ก็ถูกห้ามนำมาใช้ในเรือดำน้ำที่ปฏิบัติการ ส่วนชาติที่นำ Snorkel มาใช้อย่างเป็นจริงเป็นจังก็คือ เนเธอร์แลนด์ หรือ ดัทช์ ต่อมาเยอรมนีได้เทคโนโลยีนี้มาจากความพ่ายแพ้ของเนเธอร์แลนด์ต่อเยอรมนีในระหว่างสงครามโลกครั้งที่ 2 ดังนั้นเยอรมนีจึงได้ติดตั้งเจ้าอุปกรณ์ Snorkel นี้เข้ากับเรือดำน้ำที่มีอยู่แล้ว และที่กำลังต่อขึ้นมาใหม่แทบทุกลำ

ด้วยอุปกรณ์ชนิดนี้ ทำให้เรือดำน้ำไม่ต้องลอยลำขึ้นมาทั้งลำเหมือนเดิม แต่ดำอยู่ในระดับกล้องส่องทางไกลหรือ Periscope Depth แล้วยื่นท่อนี้ขึ้นมาเหนือผิวน้ำเพื่อดูดอากาศเข้าเครื่อง และมีอีกท่อหนึ่งสำหรับปล่อยแก๊สเสีย เราเรียกการดำในลักษณะนี้ว่า Snorkeling หรือ Snort

การ Snort หรือ Snorkeling ของเรือดำน้ำ

การ Snort นี้ แม้จะทำให้เรือดำน้ำไม่ต้องโผล่ขึ้นมาครึ่งลำเหมือนการ Surfacing ก็ตามที แต่ก็ไม่ได้ช่วยให้เรือดำน้ำรอดพ้นจากการตรวจจับไปได้สักเท่าไหร่ เนื่องจากว่าคุณลักษณะต่างๆ ก็ยังปรากฏเด่นชัดขึ้นเหมือนเดิมอยู่ดี ยกเว้นการสังเกตด้วยสายตาอาจจะยากสักหน่อย เพราะจะเห็นแค่ท่อโผล่ขึ้นมาเหนือผิวน้ำเท่านั้น นอกจากนี้การใช้ Snorkel นี้ยังมีปัญหาค่อนข้างมาก เพราะการที่ท่อโผล่พ้นน้ำทะเลเพียงเล็กน้อยนั้น ทำให้มีโอกาสที่น้ำทะเลจะไหลลงท่อไปด้วย ซึ่งจะทำให้เครื่องยนต์ชำรุดเสียหายได้ ดังนั้นเพื่อแก้ปัญหานี้จึงได้มีการคิดค้นลิ้นเปิด-ปิดอัตโนมัติเมื่อมีน้ำทะเลไหลลงไปในท่อ ซึ่งจังหวะที่ลิ้นนี้ปิด จะทำให้เครื่องยนต์ดูดอากาศจากภายนอกมาเผาไหม้ไม่ได้ ทำให้ต้องดูดอากาศจากภายในเรือแทน ซึ่งการดูดอากาศภายในลำเรือนี้ จะทำให้เกิดสุญญากาศขึ้นในเรือ ซึ่งมีผลต่อโครงสร้างของหู ทำให้เกิดอาการปวดหูเหมือนเวลาที่เราดำน้ำ หรือขึ้นที่สูง ซึ่งถ้าสุญญากาศมีกำลังดันมากๆ เข้า ก็จะทำให้แก้วหูฉีกขาดได้ ไม่เพียงเท่านั้น Snorkel ยังส่งผลให้เรือต้องใช้ความเร็วต่ำเพื่อป้องกันท่อ Snorkel แตกจากแรงดันน้ำที่มาปะทะ ซึ่งทำให้การเดินทางนั้นเชื่องช้ามากขึ้นไปอีก

Air Independent Propulsion คืออะไร

Air Independent Propulsion หรือตัวย่อว่า AIP เป็นชื่อเรียกอย่างรวมๆ ของ ระบบขับเคลื่อนที่ไม่ต้องใช้อากาศในการสันดาปภายใน นอกเหนือไปจากระบบขับเคลื่อนพลังงานนิวเคลียร์ ซึ่งข้อดีของ AIP ก็คือ ทำให้เรือดำน้ำไม่ต้องลอยขึ้นมาบนผิวน้ำเพื่อเดินเครื่องยนต์ประจุไฟลงในแบตเตอรี่ ลบข้อจำกัดเดิมๆ ของเรือดำน้ำแบบดั้งเดิมออกไปได้ และทำให้เรือดำน้ำสามารถดำน้ำอยู่ได้นานกว่า 1 อาทิตย์ หรือในบางระบบอยู่ได้นานเกือบ 1 เดือน

AIP มีมากมายหลายรูปแบบ ซึ่งแต่ละแบบก็มีความแตกต่างกันเป็นอย่างมาก  มีทั้งแบบที่เป็นเครื่องยนต์สันดาปภายใน เครื่องยนต์สันดาปภายนอก และเครื่องยนต์ที่ใช้ปฏิกิริยาเคมี ตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบันนั้นมีอยู่ 5 ประเภทคือ

1.     เครื่องยนต์กังหันก๊าซ แบบ Walter (Walter Turbines) โดยใช้ ไฮโดรเจน เปอร์อ๊อกไซด์ หรือ High Test Peroxide (HTP) แทนอากาศในการเผาไหม้

2.     เครื่องยนต์ดีเซลแบบวงจรปิด (Closed-Cycle Diesel Engines) โดยใช้อ๊อกซิเจนเหลว (Liquid Oxygen : LOX) แทนอากาศในการเผาไหม้

3.     เครื่องยนต์กังหันไอน้ำแบบวงจรปิด (Closed-Cycle Steam Turbines)

4.     เครื่องยนต์สเตอร์ลิง (Stirling Engines)

5.     เซลล์เชื้อเพลิง (Fuel Cells)

ระบบ AIP ส่วนใหญ่แล้ว (ทุกระบบยกเว้นเครื่องยนต์กังหันก๊าซแบบ Walter) จะถูกใช้เป็นระบบสำรองในขณะที่เรือดำอยู่ใต้น้ำ ส่วนในเวลาที่เรือลอยลำขึ้นมาบนผิวน้ำ จะใช้เครื่องยนต์ดีเซลเป็นเครื่องยนต์หลัก ในปัจจุบันไม่มีประเทศใดที่ใช้ระบบ AIP เป็นระบบขับเคลื่อนหลักแทนเครื่องยนต์แบบดั้งเดิมเหมือนสมัยก่อนแล้ว สาเหตุก็เป็นเพราะว่าเครื่องยนต์เหล่านี้ยังอยู่ในระยะของการพัฒนาและทดสอบการใช้งาน ยังมีข้อด้อยในหลายๆ ด้าน ที่ไม่สามารถทดแทนระบบที่ประกอบไปด้วยเครื่องยนต์ดีเซล แบตเตอรี่ตะกั่วกรด และมอเตอร์ไฟฟ้าได้ (ยกเว้นนิวเคลียร์) โดยเฉพาะในแง่ของกำลังงานส่งออก (Power Output) ที่ยังน้อยกว่าเครื่องยนต์ดีเซลอยู่มาก แม้ว่าเครื่องยนต์ AIP บางระบบ จะมีประสิทธิภาพ (พลังงานที่ผลิตได้/ปริมาณเชื้อเพลิงที่ใส่เข้าไป) ดีกว่าเครื่องยนต์ดีเซลก็ตาม

ด้วยข้อจำกัดด้านกำลังงานส่งออกนี้เอง จึงทำให้ระบบ AIP นี้เป็นระบบที่มาช่วยยืดระยะเวลาให้เรือดำน้ำสามารถปฏิบัติการอยู่ใต้น้ำได้นานขึ้นเท่านั้นเอง โดยมีข้อแม้ว่าต้องใช้ความเร็วต่ำด้วย จึงจะทำให้สามารถปฏิบัติงานได้นานเป็นสัปดาห์จนถึงเกือบหนึ่งเดือน แต่ก็ยังนับว่าเป็นประโยชน์อย่างมหาศาลต่อเรือดำน้ำ จนสามารถทำให้เรือดำน้ำ AIP นี้ยกระดับเป็นภัยคุกคามที่มีความน่ากลัวมากๆ อย่างหนึ่งในปัจจุบัน

ประวัติความเป็นมาของ AIP

ความจริงแล้ว AIP นั้นไม่ใช่ของใหม่อันใดเลย มิหนำซ้ำยังเป็นเครื่องยนต์แบบแรกที่ถูกใช้ในเรือดำน้ำเสียด้วย โดยเรื่องนั้นเริ่มมาจากนักประดิษฐ์ชาวสเปนนาม NarcísMonturiol i Estarriol ซึ่งได้ประดิษฐ์เรือดำน้ำมาแล้วถึง 2 ลำคือ Ictineo I (ค.ศ.1858) และ Ictineo II (ค.ศ.1864) ซึ่งเรือดำน้ำทั้ง 2 ลำ สามารถดำน้ำ และเคลื่อนที่ได้จริงๆ แต่เป็นการใช้แรงงานคนในการขับเคลื่อน ซึ่ง Monturiolยังไม่ค่อยพึงพอใจนัก เขาจึงมีแนวความคิดที่จะนำเครื่องจักรไอน้ำมาใช้ขับเคลื่อนแทนแรงงานคน แต่ก็ยังติดปัญหาที่ว่า เมื่อเรือดำน้ำไปแล้ว เครื่องยนต์จะนำอากาศจากไหนมาเผาไหม้ ดังนั้นเขาจึงได้ทดลองคิดส่วนผสมของปฏิกิริยาเคมีที่สามารถให้ความร้อนเพียงพอสำหรับเครื่องจักรไอน้ำในการผลิตไอน้ำแทนเชื้อเพลิงและอากาศแบบดั้งเดิม จนได้อัตราส่วนของสารเคมีคือ สังกะสี (Zn) 53%  แมงกานีส ไดอ๊อกไซด์ (MnO₂) 16% และ โปแตสเซียม คลอไรด์ (KCl) 31%  เมื่อได้ส่วนผสมที่พอเหมาะแล้ว เขาจึงจัดการซื้อเครื่องจักรไอน้ำขนาด 6 สูบมาบรรจุลงในเรือดำน้ำ Ictineo II โดยได้ทำการแบ่งเครื่องจักรออกเป็นสองส่วน ส่วนละ 3 ลูกสูบ ส่วนแรกใช้สำหรับขับเคลื่อนเรือขณะเรือลอยลำอยู่บนผิวน้ำ โดยใช้เชื้อเพลิงเป็นถ่านหิน และอากาศตามปกติ ส่วนที่สองจะใช้ในเวลาที่ดำน้ำ โดยใช้ปฏิกิริยาเคมีจากสารที่เค้าคิดค้นขึ้น ซึ่งนี่นับเป็นจุดเริ่มต้นของระบบ AIP ที่ใช้อยู่ในทุกวันนี้เลยทีเดียว คือมีสองระบบ ระบบปกติใช้ขับเคลื่อนเรือขณะเรือลอยลำ และอีกระบบสำหรับเมื่อตอนดำน้ำ แต่อย่างไรก็ตาม Monturiolไม่ได้มีการทดลองขับเคลื่อนเรือดำน้ำของเขาโดยใช้เครื่องจักร AIP ขณะอยู่ใต้น้ำ แต่มีการทดลองผลิตไอน้ำโดยใช้ปฏิกิริยาเคมีดังกล่าว และประสบผลสำเร็จไปได้ด้วยดี แต่ก่อนที่เขาจะได้ทดลองขับเคลื่อนเรือใต้น้ำนั้น Monturiolก็ถูกฟ้องล้มละลาย ภายหลังการทดลองผลิตไอน้ำดังกล่าวเพียงแค่ 9 วัน จนเป็นผลให้ทรัพย์สินทั้งหมดของเขาถูกยึด รวมถึงเรือ Ictineo II ด้วย ซึ่งต่อมาก็ถูกแยกชิ้นส่วนเพื่อขายทอดตลาดไปอย่างน่าเสียดาย ส่วน Monturiolนั้นก็หันไปเอาดีทางด้านการประดิษฐ์สิ่งอื่นๆ และไม่เคยหันกลับมาสนใจเรือดำน้ำอีกเลย

เรือดำน้ำ Ictineo II ของ NarcísMonturiol i Estarriolที่สร้างขึ้นมาใหม่ จัดแสดงอยู่ริมอ่าว Barcelona ประเทศสเปน

หลังจากการทดลองดำน้ำและติดเครื่องจักรไอน้ำของ Monturiolในปี ค.ศ.1867 อีก 41 ปีต่อมา ในปี ค.ศ.1908 วิศวกรชาวรัสเซีย ได้ใช้เครื่องยนต์เบนซินเป็นเครื่องยนต์ขับเคลื่อนเรือดำน้ำ แต่ได้ใช้อ๊อกซิเจนที่อัดอยู่ในถังในการเผาไหม้เชื้อเพลิงแทนอากาศ และขับแก๊สเสียออกทางรูใต้กระดูกงู แต่เนื่องจากเมื่อทดลองในทะเลแล้ว พบว่ามีปัญหาเรื่องการควบแน่นในถังอ๊อกซิเจน และคลื่นน้ำที่สร้างออกมาจากรูแก๊สเสีย ทำให้โปรเจ็คต์เรือดำน้ำแบบนี้ไม่ได้มีการพัฒนาต่อ

จนกระทั่งในช่วงปี ค.ศ.1930 วิศวกรชาวเยอรมนี ด็อกเตอร์ Helmuth Walter ก็ได้สร้างเครื่องยนต์ AIP ในยุคต่อมาได้เป็นผลสำเร็จ โดยเขาได้ใช้เครื่องยนต์กังหันห๊าซ แต่อากาศที่ใช้ในการเผาไหม้เขาใช้ไอน้ำผสมกับอ๊อกซิเจนที่ได้จากปฏิกิริยาเคมีระหว่าง ไฮโดรเจน เปอร์อ๊อกไซด์ (H₂O₂) กับสารเร่งปฏิกิริยา โปแตสเซียม เปอร์แมงกาเนต (KMnO4) หรือ ด่างทับทิม ซึ่งเมื่อผสมกันแล้วจะได้ อ๊อกซิเจน (O₂) กับ ไอน้ำที่มีความร้อน ซึ่งจะถูกส่งเข้าไปในห้องเผาไหม้ที่มีการฉีดน้ำมันดีเซลเข้าไปผสมให้เกิดการเผาไหม้ ผลิตเป็นแก๊สร้อนผสมกับไอน้ำออกมา แก๊สร้อนและไอน้ำที่ได้นั้นก็จะไปเป่าปีกกังหัน ก่อให้เกิดพลังงานในการขับเคลื่อนเพลาใบจักร โดยเขาได้นำเครื่องยนต์นี้ใส่ลงในเรือดำน้ำทดลองรุ่น V80 และเครื่องยนต์แบบนี้มีชื่อว่า High Test Peroxide หรือ HTP

จุดประสงค์ของด็อกเตอร์ Walter นั้นเป็นการสร้างเรือดำน้ำที่สามารถวิ่งได้เร็วกว่าเรือดำน้ำแบบเดิมแค่เพียงเท่านั้น ซึ่งเครื่องยนต์ของ Walter ก็ทำได้สำเร็จ คือสามารถทำความเร็วสูงสุดได้ถึง 28.1 น็อต ในขณะที่เรือดำน้ำในยุคเดียวกัน ทำความเร็วได้ไม่เกิน 10 น็อต ซึ่งต่อมาบริษัท Kriegsmarine ได้พัฒนาต่อยอดเครื่องยนต์ของด็อกเตอร์ Walter ให้มีขนาดใหญ่และมีแรงม้าเยอะขึ้น แต่น่าเสียดายที่เรือดำน้ำดังกล่าวยังไม่ทันได้ใช้งานจริง เยอรมนีก็แพ้สงครามเสียก่อน

ภายหลังสงคราม มีการแบ่งปันสินสงครามกันระหว่างชาติมหาอำนาจ ประเทศสหรัฐฯ นั้นได้เรือดำน้ำ Type XVIIB , U-1406 ส่วนอังกฤษได้เรือ U-1407 ไป ซึ่งสหรัฐฯ นั้นได้นำเรือไปชำแหละ และถอดเครื่องยนต์กังหันก๊าซของ Walter ขนาด 2,500 แรงม้าขึ้นมาศึกษา พร้อมทั้งนำเครื่องยนต์ขนาด 7,500 แรงม้าที่เยอรมนีมีแผนว่าจะติดตั้งในเรือดำน้ำชั้น Type XXVI มาด้วย โดยเครื่องทั้งสองได้ถูกนำไปติดตั้งไว้ที่ Naval Engineering Experiment Station ณ เมือง Annapolis รัฐ Maryland

เรือดำน้ำ Type XVIIB , U-1406 ของเยอรมนี ที่ถูกกู้ขึ้นมาจากน้ำ และสหรัฐฯนำไปชำแหละหลังสงครามโลกครั้งที่ 2

เมื่อได้ทำการศึกษาจนทะลุปรุโปร่งแล้ว สหรัฐฯ ได้สร้างเรือดำน้ำขนาดเล็ก หรือ Midget Submarine (เรือดำน้ำขนาดเล็ก ระวางขับน้ำต่ำกว่า 150 ตัน) ขึ้นมาเป็นลำแรกของประเทศ ชื่อว่า X-1 (SSX-1) โดยได้พัฒนาระบบ AIP แบบเครื่องยนต์ดีเซลไปปั่นไฟเก็บลงแบตเตอรี่ เมื่อเรือลอยลำอยู่บนผิวน้ำ จะใช้อากาศในการเผาไหม้ และเมื่อดำน้ำจะใช้ ไฮโดรเจน เปอร์อ๊อกไซด์ ที่เก็บอยู่ในถุงที่ผลิตจาก โพลีไวนิล-คลอไรด์ ขนาด 400 แกลลอนเป็นเชื้อเพลิง ต่างจากระบบของ Walter ที่เป็นเครื่องยนต์กังหันก๊าซ และเช่นเดียวกับระบบ AIP ของประเทศอื่นๆ เรือดำน้ำ X-1 ก็ประสบปัญหาเดียวกันคือการระเบิดจาก ไฮโดรเจน เปอร์อ๊อกไซด์ และสหรัฐฯ ได้ลงความเห็นว่า “จากการทดลองหลายต่อหลายครั้ง พบว่า ไม่มีที่สำหรับ ไฮโดรเจน เปอร์อ๊อกไซด์ ความเข้นข้นสูง ที่ไม่มีความเสถียรบนเรือรบอีกต่อไป”  และนับแต่นั้น กองทัพเรือสหรัฐฯ จึงเน้นสร้างแต่เรือดำน้ำดีเซล และเรือดำน้ำพลังงานนิวเคลียร์แต่เพียงเท่านั้น

ส่วนอังกฤษได้นำเรือ U-1407 ไปทดลองใช้งานและเปลี่ยนชื่อใหม่เป็น HMS Meteorite ส่วนตัวด็อกเตอร์ Walter และทีมงาน ได้ถูกว่าจ้างให้ไปพัฒนาเรือดำน้ำให้กับอังกฤษภายใต้การนำของบริษัท Vickers Ltd. จนสำเร็จออกมาเป็นเรือ HMS Explorer และ HMS Excalibur ในปี ค.ศ. 1950 แต่ด้วยความอันตรายของ ไฮโดรเจน เปอร์อ๊อกไซด์เข้มข้นที่บรรจุอยู่ในเรือ และอุบัติเหตุที่เกิดขึ้นบนเรือบ่อยครั้ง (แม้จะไม่เกี่ยวกับ ไฮโดรเจน เปอร์อ๊อกไซด์ก็ตาม) ทำให้เรือทั้ง 2 ลำนี้ได้รับฉายาว่า HMS Exploder (แปลว่าผู้ทำให้เกิดการระเบิด) และ HMS Excruciator (แปลว่า ผู้สร้างความเจ็บปวดทรมาน)

HMS Excalibur เรือดำน้ำทดลองของอังกฤษ

ทางด้านรัสเซียนั้นก็ได้พัฒนาระบบ AIP ด้วยเหมือนกัน โดยได้พัฒนาเครื่องยนต์แบบ Walter ควบคู่ไปกับระบบเครื่องยนต์ดีเซลแบบวงจรปิด (Close-Cycle Diesel Engine : CCD) ซึ่งมีพื้นฐานมาจากเครื่องยนต์Kreislauf ของเยอรมนี ซึ่งเยอรมนีได้พัฒนาระบบนี้ขึ้นมาเพื่อเป็นอีกหนึ่งทางเลือกนอกจากระบบของ Walter

เครื่องยนต์แบบ CCD ก็เป็นเครื่องยนต์ดีเซลแบบปกติ ที่ใช้อากาศในการสันดาป แต่ในเวลาที่ดำน้ำจะเปลี่ยนไปใช้อ๊อกซิเจนเหลว (Liquid Oxygen : LOX) ในการเผาไหม้แทนอากาศ โดยอ๊อกซิเจนเหลวจะถูกบรรจุอยู่ในถังเก็บความเย็น (cryogenic tank) ซึ่งจะทำให้อ๊อกซิเจนมีสถานะเป็นของเหลวอยู่ตลอดเวลา และเมื่อต้องการใช้ก็จะนำไปผสมกับก๊าซอาร์กอน ซึ่งเป็นก๊าซเฉื่อย เมื่อเครื่องยนต์ได้เผาไหม้และได้แก๊สเสียออกมา แก๊สเสียนั้นจะถูกนำไปรีไซเคิล เพื่อนำก๊าซอาร์กอนกลับมาใช้ใหม่ ส่วนก๊าซอื่นๆ จะผสมกับน้ำทะเลและสูบออกนอกตัวเรือ

เครื่องยนต์แบบ CCD นี้ได้นำติดตั้งลงในเรือดำน้ำชั้น Quebec ขนาด 650 ตัน ซึ่งรัสเซียผลิตเรือชั้นนี้ถึง 30 ลำ ตลอดช่วงปี ค.ศ.1953-1957 แต่ด้วยอุบัติเหตุที่เกิดขึ้นบ่อยครั้งจากระบบของอ๊อกซิเจนเหลว (อย่างน้อยๆ ในเรือ 7 ลำ และมีลำหนึ่งถึงขั้นจม) ทำให้มันได้ฉายาว่า ที่จุดบุหรี่ หรือ the cigarette lighters นับว่าระบบเครื่องยนต์ดีเซลแบบวงจรปิดโดยใช้อ๊อกซิเจนเหลวนี้ก็ยังคงมีความอันตรายเช่นเดียวกับ ไฮโดรเจน เปอร์อ๊อกไซด์ สาเหตุก็เนื่องมาจากว่า ก๊าซทั้งสองชนิดนี้ มีความไวไฟสูงมาก ทำให้เกิดการติดไฟได้ง่ายๆ และสามารถทำให้เกิดการระเบิดได้อย่างง่ายดายเลยทีเดียว

หลังจากนั้นประเทศมหาอำนาจทั้งหลายก็มุ่งเป้าสู่เรือดำน้ำพลังงานนิวเคลียร์ กับเรือดำน้ำดีเซลไฟฟ้ากันเกือบหมด เช่น สหรัฐอเมริกา โซเวียตรัสเซีย อังกฤษ ฝรั่งเศส เหลือเพียงประเทศไม่กี่ประเทศที่ยังคงพัฒนาเรือดำน้ำดีเซลไฟฟ้าให้ปฏิบัติงานใต้น้ำได้นานขึ้น โดยเทคโนโลยี AIP เช่น เยอรมนี ฝรั่งเศส สเปน สวีเดน เนเธอร์แลนด์ เป็นต้น ส่วนประเทศที่เหลือที่มีขีดความสามารถในการต่อเรือดำน้ำได้เอง ก็ยังคงยึดรูปแบบดั้งเดิมคือแบบดีเซลไฟฟ้ากันต่อไป เช่น จีน ญี่ปุ่น ออสเตรเลีย และ อินเดีย

AIP ในยุคปัจจุบัน 

ระบบ AIP ที่พบเห็นในเรือดำน้ำยุคปัจจุบันนี้ มีอยู่ 3 รูปแบบ แต่ละแบบนั้นมีความแตกต่างกันเป็นอย่างมาก ซึ่งเราจะมาลงรายละเอียดกันให้ลึกลงไปอีก ว่าแต่ละระบบนั้น มีการทำงานเป็นอย่างไร และมีการนำไปใช้กับเรือดำน้ำชั้นใด ของประเทศใดกันบ้าง เชิญติดตามครับ

1. เครื่องยนต์กังหันก๊าซแบบวงจรปิด (Close-Cycle Steam Turbines)

เครื่องยนต์กังหันก๊าซแบบวงจรปิดระบบเดียวที่มีการพัฒนาเพื่อใช้กับเรือดำน้ำแบบดั้งเดิม ก็คือแบบ MESMA(Module d'Energie Sous-Marin Autonome) ของบริษัท DCNS ประเทศฝรั่งเศส โดยได้พัฒนามาจากเทคโนโลยีเครื่องกังหันไอน้ำพลังงานนิวเคลียร์ ซึ่งประเทศฝรั่งเศสถนัด โดยเฉพาะกับเตาปฏิกรณ์ขนาดเล็ก ซึ่งก่อนหน้านี้ฝรั่งเศสก็จับระบบขับเคลื่อนพลังงานนิวเคลียร์ยัดลงในเรือดำน้ำชั้น Rubis ระวางขับน้ำ 2,400 ตันของตัวเองมาแล้วถึง 6 ลำ

สำหรับระบบ MESMA เองก็เปลี่ยนจากพลังงานนิวเคลียร์มาเป็นการเผาไหม้ด้วยเอธานอล และอ๊อกซิเจนเหลวที่ความดัน 60 atmหรือเท่ากับ 881.757 PSI ด้วยกำลังดันขนาดนี้ทำให้แก๊สเสียที่ได้นั้นถูกขับออกนอกตัวเรือด้วยกำลังดันของมันเองได้ในทุกระดับความลึก โดยไม่ต้องมีปั๊มในการช่วยสูบออกแต่อย่างใด

MESMA นี้เป็นเครื่องยนต์สันดาปภายนอก โดยในระบบจะประกอบด้วยหม้อน้ำที่ใช้ความร้อนจากการเผาไหม้ของเอธานอลกับอ๊อกซิเจนเหลว ให้ความร้อนจนน้ำเดือดกลายเป็นไอ และนำไอน้ำนั้นไปเป่าปีกกังหัน ทำให้ได้พลังงานออกไปขับเพลาใบจักร และประจุไฟฟ้าลงในแบตเตอรี่

โมดูลของ AIP ระบบ MESMA ของบริษัท DCNS ฝรั่งเศส

แม้ว่า MESMA จะให้กำลังงานออกมามากที่สุดในบรรดาระบบ AIP ทั้งหมด แต่มันกลับมีประสิทธิภาพน้อยที่สุด และมีอัตราบริโภคอ๊อกซิเจนเหลวที่สูง สาเหตุก็เป็นเช่นเดียวกับระบบของหม้อน้ำ และเครื่องกังหันไอน้ำโดยทั่วไป ที่มักจะมีการสูญเสียความร้อนไปกับระบบท่อทางโดยการรั่วไหลบ้าง การถ่ายเทความร้อนบ้าง และความดันที่ไอน้ำจะนำไปขับกังหันได้จริงๆ ต้องเป็นไอกำลังดันสูง ไอที่หลงเหลือจากการเป่าปีกกังหัน ที่ยังมีความดันและความร้อนอยู่ไม่สามารถนำไปใช้ประโยชน์อื่นๆ ได้นอกจากจะต้องดับความร้อนให้กลายสถานะเป็นน้ำและนำไปผลิตให้เป็นไอใหม่แต่เพียงอย่างเดียว ดังนั้นจึงทำให้มันเป็นเครื่องยนต์ที่มีประสิทธิภาพต่ำกว่าเครื่องยนต์อื่นๆ ของระบบ AIP

MESMA ระบบแรกได้ทำการติดตั้งลงในเรือดำน้ำชั้น Agosta 90B ของกองทัพเรือปากีสถาน มีขนาด 200 kilowatts สามารถเพิ่มระยะเวลาในการปฏิบัติการใต้น้ำได้ราว 3-5 เท่า ที่ความเร็ว 4 น็อต แต่สำหรับรุ่นล่าสุดที่ติดตั้งบนเรือดำน้ำชั้น Scorpène นั้น จะสามารถทำให้ดำน้ำได้นานที่สุดถึง 21 วันเลยทีเดียว ว่ากันว่าโมดูลของระบบ MESMA ที่ติดตั้งในเรือดำน้ำชั้น Scorpèneนั้นมีมูลค่าสูงถึง 50-60 ล้านเหรียญสหรัฐฯ หรือประมาณ 1,550-1,860 ล้านบาท โดยตัวโมดูลนั้นจะมีความยาว 8.3 เมตร และหนักราว 305 ตัน 

ภาพวาดแสดงภายในของเรือดำน้ำชั้น Scorpène

2. เครื่องยนต์สเตอร์ลิง (Stirling Engines)

เครื่องยนต์สเตอร์ลิงนั้นเป็นเครื่องยนต์สันดาปภายนอก (External Combustion Engine) และเป็นเครื่องจักรความร้อน (Heat Engine) ในตัวเดียวกัน เช่นเดียวกับเครื่องจักรไอน้ำในวัฏจักรแรงคิน(Rankine Cycle) อธิบายง่ายๆ ว่าเป็นเครื่องยนต์ที่ใช้ความร้อนภายนอกมาทำให้เครื่องทำงาน โดยอาศัยการถ่ายเทความร้อนไปมาระหว่างก๊าซภายในเครื่องยนต์ และสิ่งแวดล้อมภายนอก ดังนั้นเครื่องยนต์ชนิดนี้จึงใช้พลังงานความร้อนจากแหล่งใดก็ได้มาทำให้มันทำงาน 

สารทำงานของเครื่องยนต์ชนิดนี้คือ อากาศหรือก๊าซที่บรรจุอยู่ในกระบอกสูบ โดยเครื่องยนต์ชนิดนี้มีหลายรูปแบบ แต่ที่นิยมก็คือแบบลูกสูบคู่  (Alpha Stirling) และลูกสูบเดี่ยว (Beta Stirling) หลักการทำงานก็คืออาศัยความร้อนจากภายนอกมาทำให้อากาศภายในกระบอกสูบขยายตัว เมื่ออากาศขยายตัวก็จะไปดันลูกสูบที่ต่อกับก้านสูบให้เคลื่อนที่ส่งกำลังออกไปยังเพลาข้อเหวี่ยง ในจังหวะถัดไปอากาศจะถูกระบายความร้อนออกจากลูกสูบ หรือทำให้เย็นตัวลงจนเกิดการหดตัว ลูกสูบก็จะถูกดันกลับ และอากาศก็จะถูกให้ความร้อนอีกครั้ง และเกิดการทำซ้ำวงจรนี้ไปเรื่อยๆ ซึ่งก็จะทำให้เพลาหมุนอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเพลาที่หมุนอยู่นี้ก็จะถูกนำไปต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพื่อผลิตพลังงานไฟฟ้าประจุลงในแบตเตอรี่ หรือต่อกับเพลาใบจักรโดยตรง หรือทั้งหมุนเพลาใบจักร และชาร์จแบตเตอรี่ไปด้วยก็ได้ แล้วแต่การออกแบบในส่วนของการส่งกำลังว่า ต้องการแบบไหน

ภาพพื้นฐานการทำงานของเครื่องยนต์สเตอร์ลิงแบบ Alpha

ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์สเตอร์ลิงนั้นถือว่าสูงที่สุดในบรรดาระบบ AIP ด้วยกัน เนื่องจากความร้อนที่ใส่ให้กับระบบนั้นจะถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์โดยมีการสูญเสียน้อยที่สุด เครื่องยนต์ Stirlingไม่มีท่อทางมากมายให้ความร้อนสูญเสีย มีการสูญเสียพลังงานไปกับแรงเสียดทานในกระบอกสูบน้อย และข้อดีของเครื่องยนต์ประเภทนี้ก็คือ มันมีความเงียบมาก มีความปลอดภัยต่อการใช้งาน และต้องการการบำรุงรักษาที่ต่ำ หรือเรียกได้ว่า เกือบจะไม่ต้องซ่อมบำรุงกันเลยทีเดียว

แม้ว่าเครื่องยนต์ชนิดนี้จะมีประวัติการสร้างมาอย่างยาวนานตั้งแต่ ปี ค.ศ. 1816 แล้วก็ตาม แต่ก็ไม่สามารถพัฒนาให้เป็นที่นิยมได้ เนื่องจากความก้าวหน้าทางวัสดุศาสตร์ในสมัยนั้น ยังไม่สามารถผลิตวัสดุที่ทนความร้อนสูง ซึ่งต้องใช้ในเครื่องยนต์ Stirlingที่ต้องการกำลังงานสูงๆ ได้ จนกระทั่งการมาถึงของเครื่องจักรไอน้ำ ได้สร้างความนิยมในหมู่ผู้ใช้มากกว่า จึงทำให้แวดวงอุตสาหกรรมสมัยนั้น เทใจไปให้เครื่องจักรไอน้ำเสียหมด ทำให้เครื่องยนต์ Stirlingหยุดพัฒนาไปเป็นเวลาถึง 1 ศตวรรษกว่าๆ เลยทีเดียว

สำหรับในแวดวงอุตสาหกรรมการต่อเรือ บริษัท Kockums ซึ่งเป็นอู่ต่อเรือของประเทศสวีเดน ได้ให้ความสนใจในเครื่องยนต์ Stirlingมาตั้งแต่ปี ค.ศ. 1960 โดยได้เริ่มต้นจากการสร้างเครื่องยนต์ Stirlingเพื่อขับเคลื่อนรถยนต์ ร่วมกับ บริษัท GM และ United Stirling ก่อน ต่อมาก็ได้นำไปทดลองใช้งานร่วมกับ โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ของบริษัท Ripasso Energy และใช้กับเรือดำน้ำวิจัยของฝรั่งเศสชื่อ SAGA(Submarine Assistance Great Autonomy) ก่อนที่จะนำเทคโนโลยีนี้มาใช้ในเรือดำน้ำของตนเอง โดยเริ่มจากการนำเรือดำน้ำดีเซลไฟฟ้า HMS Näcken มาตัดแบ่งครึ่งแล้วใส่โมดูลของ Stirling AIP เข้าไป และทำอย่างเดียวกันนี้กับเรือดำน้ำชั้น Väster-götland อีกสองลำ คือ เรือ HMS Södermanland และ HMS Östergötland รวมถึงการปรับปรุงระบบอื่นๆ อีกขนานใหญ่ จึงได้เปลี่ยนชั้นเรือเป็นชั้น Södermanlandหลังจากที่ทดลองใช้จนประสบความสำเร็จ และเชื่อถือได้ในเรือดำน้ำทั้งสามลำดังกล่าวแล้ว จึ่งได้สร้างเรือดำน้ำชั้น Gotland ออกมาแบบมีโมดูล Stirling AIP ตั้งแต่แรก และชั้นล่าสุดชั้น A-26 ก็จะนำระบบ Stirling AIP นี้มาใช้เช่นเดียวกัน

เครื่องยนต์สเตอร์ลิงของ Kockum

สำหรับเรือดำน้ำของสวีเดนที่ติดตั้งระบบ Stirling AIP เข้าไปนี้ จะทำให้เรือดำน้ำสามารถดำน้ำได้นาน 14 วัน ที่ความเร็ว 5 น็อต โดยไม่ต้องขึ้นมา Snort หรือ Surfacing เลย โดย Kockumsได้เลือกใช้เครื่องยนต์ดีเซลจาก MTU 2 เครื่อง ระบบ Stirling AIP แบบ  v4-275R จำนวน 2 เครื่อง เครื่องยนต์ดีเซลจะทำหน้าที่ในการขับเคลื่อนเรือและปั่นไฟประจุลงในแบตเตอรี่ในขณะที่เรือเดินอยู่บนผิวน้ำ ส่วนเครื่องยนต์สเตอร์ลิงจะทำหน้าที่เช่นเดียวกับเครื่องยนต์ดีเซลเมื่อเรือดำอยู่ใต้น้ำ โดยเครื่องยนต์จะรับความร้อนจากเครื่องกำเนิดความร้อนขนาด 75 kilowatts ที่ใช้น้ำมันดีเซลเผาไหม้กับอ๊อกซิเจนเหลวที่เก็บอยู่ในถังบรรจุ ที่ต้องควบคุมอุณหภูมิให้เย็นอยู่ตลอดเวลา

เรือดำน้ำชั้น Gotland

Kockumsได้ถ่ายทอดเทคโนโลยี AIP นี้ให้กับประเทศญี่ปุ่น โดยญี่ปุ่นได้นำไปใช้ในเรือดำน้ำชั้นโชริว(Sōryū) ซึ่งเป็นเรือดำน้ำที่พัฒนาต่อมาจากเรือดำน้ำชั้น Oyashio ซึ่งเรือในชั้นนี้จะสร้างทั้งหมด 7 ลำ ขณะนี้ (ปี ค.ศ. 2011) ขึ้นระวางประจำการไปแล้ว 3 ลำ กำลังสร้างอีก 2 ลำ และเข้าคิวรออยู่อีก 2 ลำ

3.  เซลล์เชื้อเพลิง (Fuel Cells)

เซลล์เชื้อเพลิง เป็นพลังงานทางเลือกในยุคสมัยใหม่ ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อใช้ในอุตสาหกรรมอวกาศ และเป็นที่สนใจในวงการอุตสาหกรรมรถยนต์เพื่อทดแทนเครื่องยนต์ที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลด้วย นอกจากมันจะเป็นความหวังของพลังงานเรือดำน้ำแล้ว มันยังเป็นความหวังของแหล่งพลังงานใหม่ของโลกอีกด้วย เนื่องจากไฮโดรเจนและอ๊อกซิเจนที่เป็นสารตั้งต้นหลักของกระบวนการผลิตกระแสไฟฟ้านี้ หาได้ง่ายๆ ในธรรมชาติ และมันยังเป็นพลังงานสะอาดที่ให้ผลผลิตเป็นน้ำบริสุทธิ์ และยังให้พลังงานความร้อนไปใช้ประโยชน์ทางอื่นได้อีกด้วย และที่สำคัญเลยคือ มันไม่มีการเผาไหม้ ดังนั้นมันจึงไม่มีมลภาวะทางอากาศ จึงเรียกได้ว่าเซลล์เชื้อเพลิงนั้นเป็นพลังงานสะอาด

เซลล์เชื้อเพลิงว่ากันตามตรงแล้วมันก็คือแบตเตอรี่ที่ต้องเติมสารตั้งต้นอยู่ตลอดเวลานั่นเอง หลักการของมันก็คล้ายๆ กับแบตเตอรี่ ที่จะต้องมีขั้วไฟฟ้าแอโนด (ขั้วลบ) และแคโทด (ขั้วบวก) และสารพาประจุ(Electrolyte) ในการทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนแล้วเกิดเป็นพลังงานไฟฟ้าขึ้น แต่สำหรับแบตเตอรี่แล้ว ทุกอย่างจะเกิดขึ้นในระบบปิด คือทุกอย่างเสร็จสรรพอยู่ในแบตเตอรี่หนึ่งลูก หรือก้อนแล้ว แต่เซลล์เชื้อเพลิงนั้นเป็นระบบเปิด ที่จะต้องมีการไหลเข้าของสารตั้งต้น และการไหลออกของผลิตภัณฑ์ที่ได้จากปฏิกิริยา

ภาพพื้นฐานการเกิดปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าของเซลล์เชื้อเพลิงแบบ PEM

เซลล์เชื้อเพลิงที่มีการคิดค้นขึ้นนั้น มีหลายชนิด หลายขนาด แล้วแต่ชนิดของสารตั้งต้น สำหรับเซลล์เชื้อเพลิงที่นิยมใช้ในระบบขับเคลื่อน รวมถึงเรือดำน้ำด้วยนั้นคือชนิด Proton exchange membrane หรือในอีกชื่อหนึ่งว่า Polymer Electrolyte Membrane (PEM) เซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้จะใช้ ไฮโดรเจน และอ๊อกซิเจนเป็นสารตั้งต้น ซึ่งข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้ก็คือ ให้ความร้อนต่ำ (ประมาณ 80^๐C) ซึ่งเซลล์เชื้อเพลิงชนิดอื่นอาจให้ความร้อนได้สูงตั้งแต่ 600 จนถึง 1,000^๐C เลยทีเดียว ซึ่งไม่จำเป็นสำหรับเรือดำน้ำแบบดั้งเดิม เพราะเซลล์เชื้อเพลิงให้พลังงานไฟฟ้าออกมาด้วยตัวเองอยู่แล้ว จึงไม่จำเป็นต้องนำความร้อนไปใช้กับเครื่องจักรกังหันไอน้ำ หรือเครื่องยนต์สเตอร์ลิงอีก แต่ก็ไม่แน่ว่า อาจจะใช้เซลล์เชื้อเพลิงที่ให้ความร้อนสูง เพื่อผลิตทั้งกระแสไฟฟ้า และนำความร้อนไปใช้กับเครื่องจักรไอน้ำ เพื่อทดแทนเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ก็ได้

เซลล์เชื้อเพลิงแบบ PEM นั้น จะใช้ก๊าซไฮโดรเจน 2 โมเลกุล (2H₂) ป้อนเข้าไปทางขั้วแอโนด (ขั้วลบ) ด้วยแรงดันสูง และ ก๊าซอ๊อกซิเจน (O₂) ทางขั้วแคโทด (ขั้วบวก) ซึ่งระหว่างขั้วทั้งสองจะมีสารเร่งปฏิกิริยา(Catalyst) ซึ่งเป็นลักษณะของผงแพลทินัม สำหรับทำให้ไฮโดรเจน แตกตัวเป็นอะตอมของไฮโดรเจน หรือว่า โปรตอน และอิเล็กตรอนอิสระ ตามสมการเคมี 2H₂ ==> 4H⁺ + 4e^- ซึ่งอะตอมของไฮโดรเจนจะเคลื่อนที่ผ่านเยื่อเมมเบรนที่ทำจากโพลีเมอร์ ซึ่งมันมีหน้าที่กั้นขั้วแอโนดและแคโทดออกจากกัน และจะยอมให้เฉพาะโปรตอนหรืออะตอมของไฮโดรเจนวิ่งผ่านไปยังขั้วแคโทดได้เท่านั้น แต่ว่าอิเล็กตรอนนั้นจะถูกกั้นเอาไว้ ไม่ให้ผ่าน ดังนั้นอิเล็กตรอนจึงต้องวิ่งไปตามวงจรไฟฟ้า ซึ่งเราต่อวงจรภายนอกเอาไว้ให้ผ่านภาระต่างๆ (Loads) ซึ่งในที่นี้ก็คือมอเตอร์ไฟฟ้า แผงวงจรไฟฟ้า หรืออาจจะเป็นแบตเตอรี่ก็ได้ หลังจากนั้นอิเล็กตรอนก็จะวิ่งเข้าสู่ขั้วแคโทด เพื่อให้ครบวงจร ซึ่งการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนนี้ก็คือการทำให้เกิดกระแสไฟฟ้านั่นเอง และเมื่อทั้งสามสิ่งมารวมกัน ด้วยความสามารถของตัวเร่งปฏิกิริยา และปฏิกิริยารีดักชั่น ก็จะทำให้ทั้งหมดรวมตัวกันเป็นน้ำบริสุทธิ์ตามสมการเคมี O₂ + 4H⁺ + 4e^- ==> 2H₂O และการรวมตัวกันของอะตอมก็จะให้พลังงานในรูปของความร้อนออกมาด้วย ตามสมการพลังงานมวลสารสัมพัทธ์ E=mc² ของไอน์สไตน์ ซึ่งในกรณีของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้จะให้ความร้อนอยู่ที่ประมาณ 80^๐C ซึ่งไม่ได้ใช้ประโยน์อะไร

เซลล์เชื้อเพลิงหนึ่งเซลล์ PEM นั้น สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้ราวๆ 0.7 โวลต์ ดีซี (Volt DC) คือเป็นไฟฟ้ากระแสตรง ซึ่งในการใช้งานจริงๆ ก็จะต้องมีการต่อวงจรของเซลล์เชื้อเพลิงหลายๆ เซลล์เข้าด้วยกันทั้งแบบตรง (Series) และแบบขนาน (Parallel) เพื่อเพิ่มกระแสและความต่างศักย์ (โวลต์) เพื่อที่จะนำกระแสไฟฟ้าที่ได้ไปใช้งานได้จริงๆ

ถึงแม้ในส่วนของเซลล์เชื้อเพลิงเองจะแทบไม่มีอันตรายอะไรเลย แต่กับไฮโดรเจน และอ๊อกซิเจนแล้ว มันมีความอันตรายเป็นอย่างยิ่ง เพราะว่ามันเป็นก๊าซไวไฟ และมีความเสถียรต่ำ โดนความร้อนถึงอุณหภูมิติดไฟ ก็ระเบิดตูมตาม เหมือนกับในยุคเรือดำน้ำพลังงาน High Test Peroxide (HTP) ดังนั้นปัญหาของระบบนี้จึงอยู่ที่การจัดเก็บก๊าซเหล่านี้อย่างไรให้ปลอดภัย สำหรับอ๊อกซิเจนนั้น ปัจจุบันได้มีถังเก็บอ๊อกซิเจน (cryogenic tank) ที่ทำให้อ๊อกซิเจนอยู่ในสถานะของเหลว (LOX) ซึ่งก็จะไม่ทำให้เกิดอันตรายใดๆ ขึ้นมาได้เมื่ออ๊อกซิเจนเก็บอยู่ในภาชนะบรรจุนี้

ส่วนไฮโดรเจนนั้น ไม่ว่าจะเก็บในสถานะก๊าซหรือของเหลว ก็ยังอันตรายพอกัน ดังนั้นจึงต้องมีวิธีการเก็บไฮโดรเจนแบบพิเศษ ซึ่งมีวิธีที่เป็นที่นิยมอยู่ 2 วิธี วิธีแรกคือการเก็บในถังบรรจุที่สร้างจากวัสดุ metal hydride ที่ความดันต่ำและอุณหภูมิน้ำทะเล metal hydride เป็นโลหะผสมที่ผสมระหว่างโลหะหลายชนิดกับไฮโดรเจน ซึ่งไฮโดรเจนที่ผสมอยู่นี้จะแทรกตัวอยู่ในช่องว่างของโครงสร้างโลหะ ที่มีการยึดเหนี่ยวของพันธะเคมีเป็นรูปตาข่าย ด้วยถังบรรจุนี้เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและความดันภายในถัง เนื่องจากการดำขึ้นดำลงของเรือดำน้ำ อะตอมของไฮโดรเจนก็จะถูกดูดซับด้วยตัวของถังเอง หรือปล่อยออกมาได้ตามต้องการ ซึ่งก็จะทำให้ไฮโดรเจนไม่เกิดระเบิดขึ้นมาได้

ภาพถัง metal hydride accumulator ที่ใช้เก็บไฮโดรเจนในเรือดำน้ำชั้น 212A ของเยอรมนี

ส่วนอีกวิธีหนึ่งเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพน้อยกว่าก็คือ การไม่เก็บไฮโดรเจนแบบเพียวๆ แต่จะเก็บในรูปของสารประกอบไฮโดรคาร์บอน เช่น น้ำมันดีเซล น้ำมันก๊าด (kerosene) เมธานอล (methanol) และน้ำ เมื่อต้องการจะใช้ก็นำมาแยกเอาไฮโดรเจนออกมา ด้วยอุปกรณ์ที่เรียกว่า Reformer เจ้าอุปกรณ์นี้จะทำการแยก อ๊อกซิเจนออกมาจากไอระเหยของสารประกอบไฮโดรคาร์บอน และน้ำ ดังนั้นในกระบวนการนี้ จึงต้องมีการให้ความร้อนเพื่อให้สารประกอบไฮโดรคาร์บอน และน้ำระเหยกลายเป็นไอ และต้องให้ความร้อนซ้ำ (กลายเป็นไอ Superheat) ภายใต้กำลังดันปริมาณหนึ่ง เพื่อแยกไฮโดรเจนออกมา ซึ่งนอกจากจะได้ไฮโดรเจนแล้ว ปฏิกริยานี้ยังให้ คาร์บอนไดอ๊อกไซด์ (CO₂)ออกมาด้วย ซึ่งก๊าซคาร์บอนไดอ๊อกไซด์ก็จะต้องถูกขับออกนอกตัวเรือ เพราะไม่มีประโยชน์ ด้วยกระบวนการทั้งหมดนี้จึงได้กล่าวว่า วิธีการนี้ไม่ค่อยมีประสิทธิภาพ เนื่องจากต้องมีการให้ความร้อน และได้ก๊าซที่ไม่มีประโยชน์ อีกทั้งยังสูญเสียอ๊อกซิเจนในรูปของคาร์บอนไดอ๊อกไซด์อีกด้วย

สำหรับบริษัทที่มีการนำเซลล์เชื้อเพลิง AIP มาใช้นั้น ปัจจุบันมีอยู่ 2 ค่าย คือเยอรมนี กับรัสเซีย โดยเยอรมนีนั้นมีบริษัท Siemens เป็นบริษัทที่ผลิตและพัฒนาระบบ AIP แบบเซลล์เชื้อเพลิงให้กับอู่ต่อเรือHowaldtswerke Deutsche Werft (HDW) ของเยอรมนี และบริษัท Fincantieri ของอิตาลี ซึ่งจะนำไปติดตั้งลงในเรือดำน้ำชั้น 212A ของ HDW เอง และเวอร์ชั่นส่งออกที่ร่วมทุนกับ Fincantieri Type 209 modและ Type 214

เรือดำน้ำ Type 212A

ในเรือชั้น 212A จะติดตั้งโมดูลของเซลล์เชื้อเพลิงแบบ PEM ทั้งหมด 9 โมดูล และใช้ถัง metal hydride accumulator ในการเก็บไฮโดรเจน แต่ละโมดูลให้กำลังงาน 34 Kilowatts และให้กำลังงานรวม 300 Kilowatts (400 แรงม้า) สามารถทำให้เรือดำน้ำได้นาน 14 วัน ที่ความเร็ว 8 น็อต และ HDW ยังวางแผนที่จะนำเซลล์เชื้อเพลิง PEM ขนาดโมดูลละ 120 Kilowatts จำนวน 2 โมดูล ติดตั้งลงในเรือดำน้ำชั้น 214 อีกด้วย

ส่วนรัสเซีย อู่ต่อเรือ Central Design Bureau for Marine Engineering “Rubin” เป็นผู้สร้างระบบ AIP แบบเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อใช้ในเรือดำน้ำของตนเอง ชั้น Lada หรือ Project 677 และชั้น Amur หรือProject 950 ซึ่งเป็นเรือดำน้ำรุ่นส่งออกของรัสเซีย ส่วนชั้น S1000 ซึ่งเป็นรุ่นแอดวานซ์ของชั้น Amur ที่เป็นการร่วมทุนระหว่าง Rubin กับ Fincantieriโดยรุ่นนี้จะใช้ระบบ AIP ของทาง Fincantieri (ซึ่งก็คือ Siemens นั่นเอง) 

บทสรุปและอนาคตของ AIP 

ในตอนนี้อาจจะยังสรุปอะไรไม่ได้ชัดเจนนักว่า ระบบ AIP แบบไหน จะกลายมาเป็นระบบหลักในอนาคต เพราะทุกระบบนั้นมีข้อดีข้อเสียพอๆ กันหมด อีกทั้งเทคโนโลยีเหล่านี้ยังมีราคาสูงมาก ที่ดูน่าจะพอมีแววก็คงจะเป็นระบบ Fuel Cell หรือเซลล์เชื้อเพลิง เพราะนอกจากจะมีการพัฒนาเพื่อใช้กับเรือดำน้ำแล้ว สถาบันวิจัยทั่วโลกต่างตื่นตัวกับเทคโนโลยีชนิดนี้มาก และมีความต้องการพัฒนาเพื่อนำไปใช้กับอุตสาหกรรมที่เป็นความต้องการพื้นฐานของคนส่วนใหญ่ (mass products) เช่น รถยนต์ รถไฟฟ้า และโรงไฟฟ้า ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่ Fuel Cell จะก้าวขึ้นมาเป็นระบบ AIP มาตรฐานสำหรับเรือดำน้ำ และอาจจะเป็นระบบหลัก ไม่ใช่ระบบเสริมอย่างเช่นทุกวันนี้ก็เป็นได้

อีกปัจจัยหนึ่งที่น่าจะเป็นพลังในการกำหนดทิศทางของเรือดำน้ำแบบ Conventional ว่าจะไปในทิศทางใดก็คือ การที่สหรัฐฯ จะสนใจเข้ามาร่วมสร้างเรือดำน้ำแบบ Conventional หรือไม่ เพราะเมื่อดูแนวโน้มจากเรือผิวน้ำที่ค่อยๆ ลดขนาดลงและเน้นพื้นที่ปฏิบัติการเป็นเขตชายฝั่งมากขึ้น ก็พอจะรู้ว่า สหรัฐฯ นั้นกลัวภัยคุกคามที่จะเข้ามาตามชายฝั่งทะเล และเขตน้ำตื้น ซึ่งสหรัฐฯ มีแต่เรือขนาดใหญ่ และไม่คล่องตัวต่อภัยแบบอสมมาตร และโดยเฉพาะเรื่องเรือดำน้ำด้วยแล้ว ตอนนี้สหรัฐฯ ไม่มีเรือดำน้ำขนาดเล็กเพื่อใช้ปฏิบัติการในเขตน้ำตื้นเลย มิหนำซ้ำในการซ้อมรบกับเรือดำน้ำ HMS Gotland ของสวีเดนในช่วง 2 ปีที่ผ่านมา สหรัฐฯ ก็ต้องพ่ายแพ้ต่อเรือดำน้ำลำนี้หลายต่อหลายครั้ง ดังนั้นเป็นไปได้ครับ ที่สหรัฐฯ จะหันมาสนใจการต่อเรือดำน้ำขนาดเล็ก ซึ่งนอกจากจะตอบโจทย์เรื่องการป้องกันประเทศแล้ว ยังเหมาะสมกับสภาพเศรษฐกิจที่ถดถอยของสหรัฐฯเองด้วย

แต่ทั้งนี้ทั้งนั้น โลกยังคงหมุนไป เทคโนโลยีมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ผมเองก็ไม่อาจสรุปแบบฟันธงลงไปได้ว่า ระบบ AIP แบบไหนจะคงอยู่ หรือแบบไหนจะเสื่อมความนิยมลง คงต้องรอดูกันต่อไปครับ เพราะเส้นทางสายนี้ยังอีกยาวไกล แต่ที่แน่ๆ AIP จะเป็นเทคโนโลยีที่ทำให้เรือดำน้ำแบบดั้งเดิม พลิกโฉมหน้า และเปลี่ยนแปลงไปตลอดกาล

อ้างอิง

1.     En.wikipedia.org

2.     Monturiol The Forgotten Submariner  by Thomas Holianwww.navy.mil/navydata/cno/n87/usw/issue_26/monturiol.html

3.     AIP Technology Creates a New Undersea Threat by Edward C. Whitmanwww.navy.mil/navydata/cno/n87/usw/issue_13/propulsion.htm

4.     Hydrogen Peroxide for Power and Propulsion by Eur. Ing. P. R. STOKES, CEng, FIMechE, MRAeS Read at the Science Museum, London on 14 January 1998

5.     The Ex Files by Gerald W. Sigrist , Legion Magazine , March 1, 2003

6.     www.kockums.com

7.     Snorting  by U3  VETERANS CREWhttp://www.u3.se/ENFolder/RunningModes/ENSnorting.aspx