מקורות כוח ניידים משפיעים על מבצעים צבאיים

המאמץ להקטין את הגודל והמשקל של מערכות טקטיות ניידות במקביל לשיפור הביצועים שלהן, הפך לבעיה את נושא מקורות הכוח הראשיים ומקורות הכוח לגיבוי. בין אם בכלי טיס בלתי מאוישים (כטב”מ) או בפריטים של מטען הלוחם, מקורות כוח משמשים לתקשורת, לניווט, להדמיה, לתצוגות למחשוב, לחיישנים וכיו”ב.
הציוד הצבאי כיום חייב לפעול באמינות בתנאים קיצוניים, במדבריות חמים ויבשים, בג’ונגלים לחים ובאזורים ארקטיים קפואים. סוללות הפכו להיות הבחירה ההגיונית למערכות צבאיות בשל משקלן וגודלן הקטנים וההספק הגבוה ליחידת נפח. השימוש בסוללות מחייב ניהול הספקים שתלוי בסוג הסוללה ובמערכת המופעלת, ותכנון ניהול כזה נדרש כבר בשלב התכנון מאחר שיחסי הגומלין בין הסוללה והמערכת משפיעים על הביצועים.

סוללות ראשיות לעומת סוללות משניות
ראשית יש להחליט אם להשתמש בסוללות לא נטענות (ראשיות) או בסוללות נטענות (משניות). כשסוללות לא נטענות מפסיקות לפעול הן מושלכות לפח. לעומתן, את הסוללות הנטענות אפשר לטעון, לעתים בלי להסירן מהמערכת. סוללות ראשיות שימושיות כאשר נדרש לאחסן אותן לזמן ארוך מפני שפריקתן העצמית קטנה מזו של הסוללות המשניות. פריקה עצמית היא כמות המטען שהולכת לאיבוד כשסוללה לא בשימוש. סוללות ראשיות משמשות גם ביישומים עם זרם נמוך מפני שפריקה עצמית של סוללות משניות עלולה להיות גדולה מזרם העומס ולהגביל את זמן השימוש.
סוללות ראשיות משמשות לרוב במעגלי התרעה ותקשורת, כאשר מקור החשמל זמין רק לסירוגין. אין אפשרות לטעון אותן באופן אמין מאחר שהתגובה הכימית אינה הפיכה בקלות והחומרים הפעילים עלולים לא לחזור לצורתם המקורית.
לסוללות ראשיות יש צפיפות אנרגיה גבוהה יותר מסוללות משניות, אך הן לא פועלות היטב עם עומסי זרם גבוה (קטנים מ–75 אוהם). בהשוואה לתאי ליתיום נטענים, לסוללות ליתיום ראשיות יש קיבולת גבוהה יותר, פריקה עצמית נמוכה יותר ומתחים שונים. סוללות אלו פועלות מ––55 עד +125 מעלות צלזיוס. האלקטרוליט האורגני שלהן גורם להתנגדות פנימית גבוהה ולזרם מרבי נמוך מאלו של הסוללות הנטענות.
המאפיינים החשובים של סוללות ראשיות הם צפיפות אנרגיה, מתח מוצא ובטיחות. בשימוש בסוללות נטענות המאפיינים החשובים כוללים את זמני מחזורי הפריקה והטעינה, צפיפות האנרגיה, מתח המוצא והבטיחות.
קיימים כמה סוגים של סוללות נטענות שמשמשות לרוב במערכות האלקטרוניות הצבאיות:
*    מצברי עופרת אטומים היו בין הראשונים ששימשו במערכות צבאיות בזכות הקיבולת הגבוהה שלהם. חסרונם הוא במשקלם הרב.
*    סוללות ניקל קדמיום (NiCd) מצטיינות בחיים ארוכים, בקצב פריקה גבוה ובעלות חסכונית. חסרונן הוא בתופעת “זיכרון הטעינה”.
*    סוללות ניקל–מטאל–היידריד (NiMH) נפוצות בשימוש ו”סובלות” מקיצור אורך החיים לעומת NiCD. הן בעלות צפיפות אנרגיה גבוהה ב–30%–40%, משתמשות במתכות ידידותיות לסביבה ורגישות פחות לתופעת ה”זיכרון”.
*    סוללות יוני ליתיום (Li–ion) בעלות משקל קל וצפיפות אנרגיה גבוהה שנובעת מהעובדה שלמתכת הקלה מכולן יש פוטנציאל אלקטרו-כימי הגדול ביותר. הן מתאימות לשימוש בטמפרטורות חמות וקרות.
*    הכימיה של סוללות פולימר יוני ליתיום וצפיפות האנרגיה שלהן דומות לאלו של סוללות יוני ליתיום, אך הן נבדלות בייצור, בעמידות הפיסית, בבטיחות (אין סכנה לבעירה) ובפרופיל הדק.
סוללות יוני ליתיום משמשות במארזים מרובי סוללות וגם במארזי סוללה יחידה בזכות מתח התא הגבוה (4.2 וולט) שלהן. אורך חייהן מגיע ל–300 מחזורי טעינה–פריקה ול–500 מחזורים עם קיבולת של 50%. למארזיהן נדרש מעגל הגנה שמגביל את מתח הטעינה המרבי של כל תא ואת זרמי הטעינה והפריקה המרביים, וכן הוא מונע ירידה גדולה מדי של המתח בפריקה ומנטר את טמפרטורת התאים. הקיבולת של סוללות נטענות נמדדת באמפר–שעה ומסומנת באות C. כאשר זרם הפריקה שווה לקיבולת המוגדרת, הסוללה משמשת ב–1C.

אורך חיי הסוללה
מערכות המשתמשות בסוללות נטענות רגישות לזמן השימוש שנותר. כמו כן, טמפרטורת הפעולה משתנה בטווח רחב ומשפיעה על היעילות, קצב הטעינה והפריקה ועל אורך חיי הסוללה. במערכות מבוססות סוללות משולב “מד טעינה” המציין את מצב הסוללות בתצוגת הציוד. בגישה אחרת משולב התקן ניטור המודד את זרמי הפריקה והטעינה. התקנים אלו מכילים את כל הפונקציות הנחוצות למערכת ניהול סוללות מקיפה, ולמימושה הם פועלים בשילוב עם מעבד המערכת הניידת.
סוללות יוני ליתיום מבוססות כיום על חומרים לא יציבים. התפרקות כימית עלולה להוביל לכשל מוקדם, ואורך חיים גרוע יחסית מונע את השימוש בסוללות אלו ביישומים טקטיים. כיום נעשים מאמצים להקטין את גודל הסוללות ולמזער את התקלות החמורות בסוללות יוני ליתיום. ב–Seeo מפתחים סוללות עם אלקטרוליט פולימרי מוצק שיכול להעביר יוני ליתיום תוך תמיכה בטוחה ויציבה בתגובות כימיות באנרגיה גבוהה ביותר. לליתיום יש נטייה להתקשות על פני השטח ולגדל דנדריטים גבישיים שיכולים להגיע לקתודה ולקצר את הסוללה. כדי להוכיח שהפולימר יכול לחסום את הדנטריטים יש צורך לבצע ניסויים ארוכי טווח. עובדה נוספת שיש להתחשב בה היא שסוללות יוני ליתיום של המצב המוצק לא נטענות מהר כמו הסוללות מבוססות הנוזלים.

כטב”מים מופעלים בסוללות
אחד הכטב”מים הקטנים ביותר כיום מופעל בסוללות בלבד: WASP III של AeroVironment עם מוטת כנפיים של כ–75 ס”מ (איור 1). הכטב”מ, שמשקלו 450 גרם בלבד, נושא את כל החיישנים הנמצאים ברוב הכטב”מים המתקדמים ויכול לשאת מצלמות צבע או אינפרה–אדום המכוונות לפנים ולצדדים. ייצוב ספרתי מאפשר שמירה של מטרה בתוך קו הראייה.
WASP III – נארז בתיק גב וחייל יכול לשגר אותו ביד. מערכת בקרה נישאת מאפשרת שליטה בטיסתו וקליטת תמונות וידיאו ממנו. טווח הטיסה הוא 5 ק”מ והשהייה באוויר מגיעה עד ל-45 דקות בשליטה ידנית או בטייס אוטומטי.
Raven – (איור 2) הוא כטב”מ נוסף של AeroVironment. מוטת הכנפיים שלו היא כ-1.4 מ’ ומשקלו יותר מ–1.8 ק”ג. המדחף שלו מותקן בחלק האחורי של הגוף, ולכן אפשר להתקין מצלמות צבע ואינפרה אדום בחרטום ולצלם כלפי מטה. משקל העומס של כטב”מ זה הוא כ–200 גר’ וזמן טיסתו 45–60 דקות. השליטה בו יכולה להתבצע באמצעות אותה מערכת בקרה.
כשמתקבלת התרעת עוצמת סוללה נמוכה, אפשר להנחית את הכטב”מים, להחליף להם סוללות ולהחזירם לטיסה. הכטב”מים מספקים מבט מעודכן בזמן אמת מעבר לאופק ומאפשרים לבצע ביון ומעקב באזורי סכנה בלי לסכן חיילים.

תאי דלק
אחד הפתרונות האפשריים ליכולתן של הסוללות הרגילות לספק את דרישות האספקה הגוברות הוא תאי דלק. תאי דלק משתמשים במכל דלק ובתהליך אלקטרו-כימי להפקת מתח מוצא ישר. המתח נוצר בנוכחות אלקטרוליט על ידי תגובה בין הדלק בצד האנודה לבין חומר מחמצן בצד הקתודה. החומרים המגיבים זורמים לתוך התא והתוצרים זורמים החוצה ממנו בעוד האלקטרוליט נשאר בתוכו. התאים יכולים לפעול ברציפות כמעט, כל עוד נשמרות זרימת הדלק וזרימת התוצרים.
בניגוד לסוללות, תאי דלק צורכים חומרי תגובה ממקור חיצוני והם מערכות פתוחות מבחינה תרמו-דינמית. תאי דלק מימן משתמשים במימן כבדלק, ובחמצן (בדרך כלל מהאוויר) כחומר מחמצן. סוגים אחרים של דלק הם פחמימנים וחומרי אלכוהול וסוגים אחרים של מחמצנים הם כלור ודו–תחמוצת כלור.
תאי דלק מתנול ישיר (DMFC), הממירים מתנול ישירות לחשמל, הם מקור כוח אמין, מספקים מתח רק כשנדרש ואינם רגישים למזג אוויר קיצוני. הם פועלים ללא קול כמעט ולא פולטים חומרים. כפי שנראה באיור 3, הלב של תאי DMFC הוא תערובת של מתנול ומים בצד האנודה המחוברת לקתודה דרך מעגל חשמלי. מערכת ניהול מים מאפשרת שימוש במתנול נקי בצפיפות אנרגיה גבוהה. אוויר נשאב מהסביבה לצד הקתודה. במגע עם זרז פלטינה, המתנול משחרר את האלקטרונים שלו, שזורמים לכיוון הקתודה ומייצרים חשמל. פרוטונים שמשתחררים באותו זמן חודרים דרך הממברנה אל הקתודה, שם בתגובה עם החמצן נוצרים מים נקיים.
המערכת של SFC AG משלבת תאי דלק וסוללות המאפשרת פעולה רציפה של ציוד. המערכת (איור 4) כוללת תא דלק, מחסנית תא דלק וניהול הספקים חכם עם סוללת יוני ליתיום נטענת והיא תואמת לדרישות עכשוויות ועתידיות. תא הדלק הנייד המשמש במערכת נמצא בשימוש בארגונים צבאיים שונים, משקלו 1.67 ק”ג, גודלו 25.4×17.8×7.6 ס”מ והוא מספק 25 וואט ישירות להתקן חשמלי או לטעינת סוללות. מתח המוצא שלו 16.8 וולט ואפשר להתאים אותו בטווח של 10-30 וולט. צריכת הדלק ב–25 וואט היא פחות מ–1 מילי–ליטר ל–1 ואט–שעה. המערכת פועלת באופן אוטומטי כל עוד מוזן בה דלק, והתחזוקה היחידה הנדרשת לה לאורך כל חייה היא החלפת מחסנית הדלק. מערכת ניהול ההספקים מבטיחה פעולה רציפה ומאפשרת קביעת עדיפויות לטעינת כמה סוללות ולאספקת מתח לכמה התקנים. היא מתאימה באופן אוטומטי את אספקת המתח לפי דרישה ומספקת חיווי קבוע למצב הסוללות. השימוש במערכת תאי דלק בשילוב סוללות יכול להקטין משקל אספקת הכוח על החייל. לדוגמה במשימה בת 96 שעות עם מכשיר רדיו, מחשב נייד והתקן הדמיה אינפרה–אדום כצרכנים, המשקל יפחת כמעט ב–70% בהשוואה לסוללות רגילות.

אספקת כוח לכטב”מים
רוב הכטב”מים משתמשים כיום במנועי שריפה פנימית. יתרונות השימוש במנועים חשמליים, פעולה שקטה וקושי בגילוי, עומדים מול הצורך במקור קל משקל לאספקה למנוע ולציוד. אין אפשרות להגיע בעזרת סוללות לזמני השהיה באוויר שנחוצים לכטב”מים המשמשים למעקב. תאי דלק יכולים להיות מקור כוח מתאים ויאפשרו גם נשיאת מטען גדול יותר.
לאחרונה הושלמו שתי טיסות מבחן שבהן שימשה טכנולוגיית תאי הדלק של Protonex ומימן דחוס. דחיסת מימן אינה הדרך היעילה ביותר לאחסן מימן מבחינת המשקל. הכטב”מ ProCore משלב את הטכנולוגיה של Protonex עם פתרון תדלוק היידרידי להפקת מימן המבוסס על טכנולוגיה של Millennium Cell, והתוצאה מספקת צפיפות אנרגיה שמגיעה עד פי ארבעה יותר מסוללות רגילות.
EnergyOr, המפתחת תאי דלק עם ממברנת החלפת פרוטונים (PEM) (איור 5), הדגימה לאחרונה את הטכנולוגיה שלה ליישומי כטב”מ ארוכי טווח.
EO–210–LE ו–EO–210–XLE של EPOD הן מערכות קלות וקשיחות להנעת כטב”מים המתוכננות במיוחד לטיסות ארוכות במזג אוויר קשה. הן הותאמו במיוחד במשך ארבע השנים האחרונות בהתבסס על בדיקות מקיפות, והן מהוות פתרון “עד מפתח” לאספקת כוח לכטב”מים. המערכות כוללות גם ניהול הספקים שמאפשר טעינת סוללות תוך כדי טיסה, מבטיחות חתימות רעש וחום נמוכות ומספקות צפיפות אנרגיה של יותר מ–450 וואט לק”ג.

המערכות ההיידרידיות לכטב”מים תוכננו לנצל את צפיפות האנרגיה הגבוהה של תאי דלק עם סוללות LiFePo4 ולספק פרקי זמן קצרים בהספק גבוה בזמני המראה ונסיקה. כתוצאה מכך יש לכטב”מים המונעים בעזרת המערכות של EnergyOr טווח טיסה גדול פי שניים או שלושה מזה של כטב”מים המונעים בסוללות נטענות רגילות.
המאמר נמסר באדיבות מ-POWER ELECTRONICS TECHNOLOGY