Корабли под солнечными парусами

Удивительно, к каким странным и оригинальным решениям на «выход из плоскости» иногда может прийти инженерная мысль. Не так давно я заинтересовался, как идёт разработка «солнечного паруса ^[1]», есть ли перспективы в ближайшем будущем увидеть такой двигатель хотя бы в качестве минимальной рабочей модели. Но в результате нашлись источники о совершенно иной технологии, немало меня удивившей. Оказывается, в рамках «борьбы за нулевые выбросы» в последние 9-10 лет разрабатываются исследовательские и даже круизные корабли, оснащённые солнечными панелями по аналогии парусов. Сегодня хочу рассказать вам о таких прототипах.

В 1980-е годы в Японии возобновилась эпоха гражданского парусного флота, поставленная на паузу на большую часть прошлого века. Из-за наступившего в 1970-е нефтяного кризиса и резкого роста цен на топливо JAMDA (Японская ассоциация ^[2] по разработке мореходных машин) оснастила корабли Shin Aitoku Maru и Usuki Pioneer парусным вооружением ^[3], так как оказалось, что жёсткие паруса являются эффективным дополнительным движителем, и при попутном ветре позволяют сэкономить 10-30% топлива.

Такие паруса обеспечивали медленный ход судна без отклонения от курса вообще без включения машины. Поэтому они могли использоваться не только для экономии горючего, но и в качестве резервного движителя, на котором корабль можно привести в порт. Также сообщалось, что паруса повышают устойчивость судна. Но вскоре после окончания топливного кризиса опыты по внедрению жёстких парусов также прекратились.

Здесь устанавливается интересная связь: источником ветра в буквальном смысле является солнечная энергия. Ветер – это конвекционные потоки, возникающие в результате перераспределения солнечной энергии в атмосфере. Если даже обычные паруса могут быть полезны на современном танкере, то тем более перспективной выглядит вариант с интеграцией солнечных батарей в традиционный парус. Получается действующий солнечный парус, а не вот это всё ^[4]. Но эффективность, автономность и компактность солнечных батарей лишь в середине 2010-х стали выходить на уровень, позволяющий рассматривать их в качестве серьёзного источника энергии для мореходства.

В настоящее время уже практикуется установка небольших солнечных батарей на туристических яхтах, паромах и экскурсионных судах. Это делается как для экономии топлива, которое тратится в основном на движение корабля, но почти не тратится на электроснабжение, так и в соответствии с нынешней модой на «озеленение» транспорта. Конечно, пока такая экономия топлива незначительна, и солнечная и/или ветровая энергия едва ли может стать основным источником питания для современного судна, учитывая нестабильность погоды и, следовательно, ненадёжность этих источников.  

J-88 OceanVolt

Перейдём к примерам. В 2016 году американская компания J88 представила инновационную яхту OceanVolt ^[5], оснащённую гибкими солнечными панелями от британской компании Sailmakers SolarClothSystem ^[6]. Они вшиты в грот и в бимини (тент от солнца). Поскольку в солнечную погоду OceanVolt одновременно использует электрический и дизельный двигатель, удаётся сильно снизить уровень шума. Сообщается, что при ходе на скорости 5 узлов на палубе двигатель не слышен, не ощущается и вибрация от него. В моторном отсеке прислушавшись, можно услышать работу гребного винта в воде. Сам двигатель выглядит вот так:

Сочетание солнечных батарей и дизельного двигателя

Работу этого двигателя обеспечивает интегрированная система, состоящая из литий-железо-фосфатных аккумуляторов Valence U24 и 600-ваттных солнечных панелей. Панели заламинированы прямо в главный парус (грот), изготовленный из майлара ^[7] и, как правило, заряжаются в ходе рейса. Ещё одна решётка солнечных панелей вшита в козырёк-бимини и накапливает заряд, когда судно стоит на якоре или пришвартовано в порту. В обычной модели J-88 в гроте установлено 9 солнечных панелей с каждой стороны, а в бимини — 6. Панели состоят из тонкой плёнки и не уступают в гибкости самому парусу. Секция с панелями может устанавливаться либо в нижней части паруса, если предполагается участие в гонках, либо в средней для крейсерского хода.

Ранее подобные технологии не находили применения из-за быстрой разрядки батарей, что осложняло длительные походы. Но аккумуляторы OceanVolt обладают достаточной ёмкостью, чтобы (при условии полного заряда) пройти без паруса расстояние до 20 морских миль, а при слабом ветре (когда парус развёрнут) — и ещё больше, при одновременной подзарядке. Теоретически, в солнечный день J-88 может целый день идти со скоростью 5 узлов с минимальным расходом топлива, в основном за счёт солнечной энергии. Это темп прогулочных рейсов, при условии, что судно не удаляется от берега, но в качестве proof-of-concept выглядит внушительно.

Электродвигатель также снабжён чувствительной системой мониторинга, отслеживающей расход энергии и предоставляющей экипажу другие данные. При этом решение о повышении или снижении скорости, а также о том, сколько времени и в какие часы тратить на подзарядку, должен принимать бортинженер.

Корабль Sea Zero от норвежского оператора Hurtigruten

Компания Hurtigruten обслуживает прибрежные пассажирские перевозки с 1893 года на отрезке примерно от Тромсё до Гётеборга. В 2023 году она объявила, что приступает к разработке высокотехнологичного судна «Sea Zero», которое рекламируется как первый круизный лайнер с нулевым углеродным следом. Длина Sea Zero составит 135 метров, на нём будет 270 кают, и на борту смогут одновременно находиться 500 пассажиров и 99 членов экипажа.

Корабль будет оснащён тремя складными «парусами», которые покрыты солнечными панелями, оборудован соосными гребными винтами и несколькими маневровыми двигателями. Каждый парус подключается к автономному электрогенератору, а общая площадь парусов составит 1500 квадратных метров. Когда паруса полностью раскрыты, их высота составляет 50 метров, а 750 метров площади занято солнечными панелями. По бортам корабля расположены батареи мощностью 60 мегаватт-часов. Подзарядка корабля от солнечной энергии происходит во время стоянки в порту, и при полной зарядке он может пройти 550-650 километров. По расчётам конструкторов, для 11-дневного плавания на одной только электрической тяге кораблю требуется 7-8 подзарядок. Кроме того, в бортах судна предусмотрены разъёмы для подзарядки от стационарных источников энергии. Примерно так он устроен:

Паруса спроектированы так, что могут одновременно выполнять функцию солнечных батарей и ветряков, но акцент делается на использовании солнечной энергии. В течение июня на западном побережье Норвегии стоят белые ночи, а в северных регионах страны — полярный день. Поэтому авторы проекта предполагают, что при использовании Sea Zero в прибрежных круизах подзаряжать его при хорошей погоде можно будет практически круглосуточно. Однако пуск корабля в эксплуатацию ожидается ^[8] только к 2030 году, так как батареи для него ещё не готовы. Трансатлантические переходы для такого судна неосуществимы, поскольку потребовались бы слишком массивные батареи.

При проектировании Sea Zero максимальное внимание ^[9] уделяется не только генерации и аккумулированию энергии, но и её экономии. Корпус отличается повышенной обтекаемостью для улучшения аэродинамических свойств, на него нанесено специальное покрытие, предотвращающее обрастание корпуса рачками. Предусмотрена «воздушная смазка» — дно корабля покрывается миниатюрными пузырьками, снижающими трение с водой. Наконец, маршруты прокладываются с участием искусственного интеллекта ^[10], что позволяет подбирать оптимальные переходы от порта к порту.

Капитан Арктика

В проекте «Sea Zero» особенно примечательны два аспекта: длительность светового дня (белые или полярные ночи) и рейсы вдоль берега с возможностью регулярного захода в порты. Учитывая продолжающееся глобальное потепление, такие условия в будущем могут сложиться на всём протяжении Северного Морского Пути и, шире — в Арктике.

В конце ноября 2024 года компания «Goltens», базирующаяся в Объединённых Арабских Эмиратах, объявила о закладке киля для нового электрического судна «Captain Arctic», которое строится по заказу французского оператора Selar. Это исследовательское судно, которое специально предназначается для полярных экспедиций.

В общем плане судно напоминает Sea Zero, является совместным проектом Goltens и Le Chantier Naval de l’Océan Indien (CNOI), расположенной на острове Маврикий.

Корабль будет гораздо меньше, чем Sea Zero – 69 метров в длину, рассчитан на 36 пассажиров и 24 члена экипажа. Несмотря на заявленное исследовательское назначение корабля, на рендерах его внутренние помещения выглядят подчёркнуто уютно. Вот кают-компания:

Корабль должен быть спущен на воду до конца 2026 года. Основная доля энергии как для хода, так и для жизнеобеспечения судна должна поступать из возобновляемых источников. Предполагается, что его углеродный след должен быть на 90% меньше, чем у традиционных судов такого водоизмещения.

Основная часть энергии должна поступать от солнечных панелей, которые также могут улавливать энергию ветра. Высота каждого паруса — 35 метров, паруса складные. Общая площадь солнечных панелей — 2000 м². Для большей прочности они оправлены в алюминий. В качестве резервных источников энергии корабль использует два собственных гребных винта, которые могут работать в режиме гидротурбин.

Ещё одна интересная особенность «Captain Arctic» — система для опреснения морской воды методом обратного осмоса. Впрочем, солёность арктических вод относительно невелика и составляет 28—33,5 ‰ против 36 ‰ в Индийском океане, где находится остров Маврикий и 37—41 ‰ в Персидском заливе.

Заключение

Для полноты картины также полистайте эту подборку ^[11], где упоминаются аналогичные проекты. Особенный интерес ^[12] к судам под солнечными парусами проявляют Франция и Норвегия. Кроме солнечного паруса в таких моделях отрабатываются другие и технологические новинки, в частности, роторные паруса ^[13] (роторы Флеттнера) — вращающиеся цилиндры, преобразующие энергию ветра в полезную работу. Французская компания TransOceanic Wind Transport предполагает, что к 2050 году мощность батарей на подобных кораблях станет достаточной, чтобы за 13 дней проделывать рейс из Гавра в Нью-Йорк, имея до 12 пассажиров на борту.

Сложно судить, насколько широкое применение найдут такие разработки и не превратятся ли они к концу нынешнего века в наивные отголоски модной в наше время зелёной повестки. Однако я решил рассказать вам об этих судах, поскольку меня заинтересовала их планируемая автономность, экономичность, а также прорабатываемые их авторами варианты сочетания различных источников энергии. Попутного им ветра и солнца на старых морских трассах. О космических солнечных парусах тоже как-нибудь напишу.