Die Macht der Beharrlichkeit

Envoy AUV. Bildnachweis: Cellula Robotics

Envoy AUV. Bildnachweis: Cellula Robotics

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„Infanterie gewinnt Schlachten. Logistik gewinnt Kriege.“

Dieses Zitat, das dem US-General John Pershing im Kontext der Expeditionseinsätze des Ersten Weltkriegs zugeschrieben wird, ist heute, im Zeitalter autonomer Unterwassersysteme, ebenso relevant. Vom Zeitalter der Segelschiffe bis zum Atomzeitalter basierte die maritime Macht stets darauf, wie weit und wie lange Streitkräfte vorstoßen konnten. Während Logistik traditionell die Versorgung von Besatzungen und Plattformen mit Treibstoff, Nahrungsmitteln und Material umfasste, konzentriert sich die logistische Belastung autonomer Unterwasseroperationen zunehmend auf eine grundlegende Anforderung: Energie. Sie treibt jedes Bordsystem an – Antrieb, Navigation, Kommunikation und Autonomie – und ermöglicht letztlich die missionskritische Ausdauer, die für eine dauerhafte Präsenz unter Wasser unerlässlich ist.

Jahrelang dominierte die Energiespeicherung unter Wasser. Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion-Batterien) galten aufgrund ihrer hohen Energiedichte, Skalierbarkeit und ausgereiften Fertigungsgrundlage als Standard für Unterwassersysteme sowohl im Verteidigungs- als auch im kommerziellen Bereich. Doch die langjährige Vormachtstellung der Li-Ion-Batterien könnte bald schwinden, da die bordeigene Energieerzeugung in Form von Wasserstoff-Brennstoffzellen stetig an Bedeutung gewinnt.

Obwohl Wasserstoff-Brennstoffzellen für autonome Unterwasseroperationen eine relativ neue Innovation darstellen, werden sie von bemannten U-Booten bereits seit Jahren zur luftunabhängigen Propulsion (AIP; auch als luftunabhängige Energieversorgung bezeichnet) eingesetzt. Konventionelle dieselelektrische U-Boote müssen regelmäßig schnorcheln, um Sauerstoff für ihre Dieselmotoren anzusaugen, die wiederum Generatoren antreiben, welche die Batterien aufladen. Das Schnorcheln macht ein U-Boot jedoch anfällig für die Entdeckung durch Oberflächen- oder Luftplattformen, die darüber kreisen könnten. Brennstoffzellen lösen dieses Problem, indem sie es einem U-Boot ermöglichen, Strom ohne Verbrennung und ohne atmosphärischen Sauerstoff zu erzeugen. Gespeicherter Wasserstoff und flüssiger Sauerstoff speisen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM-Brennstoffzellen), die geräuschlos Strom erzeugen, wobei Wasser und Wärme als Nebenprodukte entstehen. Das Ergebnis ist eine unauffällige, vollständig unter Wasser betriebene Energieerzeugung und eine Reichweite von Wochen statt Tagen. Dieselben Eigenschaften, die Brennstoffzellen für konventionelle U-Boote attraktiv machen – leiser Betrieb, hohe Effizienz und lange Unterwasserreichweite – treiben nun ihre Verbreitung in autonomen Unterwasserfahrzeugen voran.

Anders als Lithium-Ionen-Akkus, die eine begrenzte Menge elektrischer Energie speichern, die sich während eines Einsatzes allmählich verbraucht, erzeugen Brennstoffzellen Strom, solange Reaktanten vorhanden sind. Obwohl sie in der Regel größer, komplexer und teurer als reine Akkusysteme sind, liefern Brennstoffzellen ein Vielfaches der nutzbaren Energie eines vergleichbar großen und schweren Akkusystems und verlängern die Einsatzdauer unter Wasser von Stunden oder Tagen auf Wochen oder sogar Monate. Neben der höheren Energiedichte entladen sich Brennstoffzellen in Ruhephasen nicht selbst, was Einsätze mit vorpositionierten Systemen in vorgeschobenen Gebieten ermöglicht. Die höhere Einsatzdauer solcher Systeme könnte zudem die Gesamtkosten für eine autonome Unterwasserpräsenz senken. Der Betrieb einer solchen Präsenz erfordert den Rotationsbetrieb einer Flotte von Plattformen – Aussetzen, Patrouillieren, Bergen, Auffüllen der Bordenergiespeicher und Wartungsarbeiten. Können Fahrzeuge länger im Einsatzgebiet verbleiben und ihre Energiesysteme innerhalb von Minuten statt Stunden aufgeladen werden, benötigen die Betreiber möglicherweise weniger Plattformen, um die gleiche Einsatzdauer und Gebietsabdeckung zu gewährleisten.

Die Reichweitenvorteile von Brennstoffzellen für konventionell angetriebene AUVs sind beträchtlich. Ihre Kombination mit einem unkonventionellen AUV, dessen einzigartiges Design bereits eine große Reichweite und lange Flugdauer ermöglicht, wäre jedoch ein bedeutender Fortschritt. General Atomics hat genau das mit dem G-Ray erreicht, einem Unterwassergleiter mit integrierten Tragflächen, der den Energieverbrauch durch sein hohes Gleitverhältnis und seinen Auftriebsantrieb minimiert. Der G-Ray, der kürzlich auf der Sea-Air-Space-Konferenz der Navy League im April dieses Jahres vorgestellt wurde, verfügt über ein Hybridsystem aus Batterie und Wasserstoff-Brennstoffzelle, das eine Reichweite und Flugdauer von mehreren Monaten ermöglicht – mit Potenzial für noch längere Zeiträume. Anstatt komprimierten Wasserstoff zu speichern, reagiert das System eine leichte Aluminiumlegierung mit Wasser, um Wasserstoff zu erzeugen. So entsteht ein innovatives, bedarfsgerechtes Energiesystem, das die Reichweitenbegrenzung von gespeicherter Energie auf die Bordkapazität für Reaktionsmittel verlagert.

G-Ray von General Atomics. Bildnachweis: General Atomics

Wasserstoff-Brennstoffzellen sind nicht länger auf Unterwasserfahrzeuge beschränkt; sie werden Teil der Unterwasserinfrastruktur, die dauerhafte autonome Operationen ermöglicht. Der Teledyne Marine Subsea Supercharger (SSC) ist ein Brennstoffzellen-Energiedepot am Meeresboden, das die Stromerzeugung vor Ort für Sensoren, Effektoren oder Fahrzeug-Andocksysteme ermöglicht und es autonomen Unterwasserfahrzeugen (AUVs) erlaubt, sich ohne Bergung an der Oberfläche aufzuladen und wieder einzusetzen. Prinzipiell funktioniert ein SSC ähnlich wie ein vorgeschobener Logistikknotenpunkt und liefert die kontinuierliche Energie, die es einer regionalen autonomen Unterwasserstreitmacht ermöglicht, ihren Einsatzort zu halten. Die Idee ist nicht ganz neu. Vor fast zehn Jahren schlug die US-Marine das Konzept des vorgeschobenen Energie- und Kommunikationsstützpunkts (FDECO) vor, um dauerhafte U-Boot-Jagd (ASW) und Aufklärungs-, Überwachungs- und Erkundungsoperationen (ISR) zu unterstützen.

Der Unterwasser-Kompressor von Teledyne Marine. Bildnachweis: Teledyne Marine

Für einige Unternehmen stellt die Unterwasser-Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie nicht nur ein bahnbrechendes Alleinstellungsmerkmal dar, sondern auch eine vielversprechende Marktchance. Im Juni dieses Jahres stellten Cellula Robotics und Infinity Fuel Cell and Hydrogen Inc. NautiGEN vor, ein Joint Venture, das sich ausschließlich auf Brennstoffzellenlösungen für autonome maritime Systeme konzentriert. Infinity mit Sitz in Windsor, Connecticut, entwickelt Brennstoffzellensysteme für die Luft- und Raumfahrt, die Verteidigungsindustrie und die Schifffahrt, während Cellula mit Sitz in British Columbia mit seiner Familie von Langstrecken-AUVs eine Vorreiterrolle bei der Kommerzialisierung von Brennstoffzellen einnimmt. Cellula und Infinity haben bereits in der Vergangenheit im Bereich der Brennstoffzellentechnologie zusammengearbeitet. Bei kürzlich durchgeführten Tests des Envoy LD-AUV von Cellula legte das Fahrzeug eine Strecke von über 2000 km unter Wasser zurück und absolvierte dabei eine Missionsdauer von 385 Stunden. Während dieser Zeit führte es über 4000 energieintensive Wendemanöver durch. Das Fahrzeug wurde vom Mystic 2000 AUV-Antriebssystem von Infinity angetrieben, das auf einer ursprünglich für die Luft- und Raumfahrt entwickelten und später für die Schifffahrt adaptierten Brennstoffzellentechnologie basiert. Die Gründung von NautiGEN spiegelt das wachsende Vertrauen wider, dass die Brennstoffzellentechnologie sich zu einem tragfähigen kommerziellen Markt entwickelt hat und nicht länger eine spezialisierte Schlüsseltechnologie bleibt.

NautiGEN ist ein Joint Venture von Cellula Robotics und Infinity Fuel Cell and Hydrogen Inc. und konzentriert sich auf die Bereitstellung von Brennstoffzellen-Energielösungen für autonome maritime Systeme. Bildnachweis: Cellula Robotics

Ausdauer ist der Dreh- und Angelpunkt autonomer Unterwasseroperationen. Sie bestimmt, wie lange eine Plattform im Einsatzgebiet verbleiben kann und wie groß der Bereich ist, den sie effektiv überwachen oder beeinflussen kann. Ob bei der Verfolgung feindlicher U-Boote, bei Angriffen auf den Meeresboden über große Entfernungen oder bei der Blockade strategischer Engpässe – autonome Unterwasserfahrzeuge (AUVs) benötigen für den Erfolg ihrer Missionen Zugang zu hochdichten Bordenergieressourcen. Wasserstoff-Brennstoffzellen stellen einen Paradigmenwechsel dar: von Unterwasserplattformen, die elektrische Energie speichern, hin zu Plattformen, die während einer gesamten Mission Strom erzeugen können. Auch wenn sie Lithium-Ionen-Batterien in Unterwasseroperationen wohl nicht vollständig ersetzen werden, könnten Brennstoffzellen in hybride Energiearchitekturen wie die des G-Ray integriert werden. Dabei würden Brennstoffzellen eine hochenergetische, lang anhaltende Grundversorgung gewährleisten, während Batterien schnelle Stromimpulse für Manöver, Auftriebskontrolle, Kommunikation und Nutzlastbetrieb liefern würden. Ob Brennstoffzellen sich als dominierende Energielösung für den gesamten autonomen maritimen Sektor durchsetzen werden, bleibt abzuwarten. Sie scheinen jedoch prädestiniert, eine zunehmend wichtige Rolle beim Aufbau und der Aufrechterhaltung einer glaubwürdigen und beständigen Unterwasserstreitmacht zu spielen.