התקדמות מחשמלת

מאת קורטניי אי. הווארד

ארגונים ותעשיות ביטחוניים משלבים מאמצים וניסיון כדי לספק מתח באופן בטוח, אמין, וזמין במקום ובזמן שבהם הוא נדרש.

לוחמים ואסטרונאוטים מסתמכים על הכמות ההולכת וגדלה של אלקטרוניקה שתסייע בידם בביצוע משימתם. להתקנים אלו, חדשניים, חדשים או המצאתיים ככל שיהיו, נדרשת אספקת חשמל מתאימה, אמינה ורציפה.

במחשבתו של כל מהנדס מצויה אספקת החשמל על כל צורותיה. ואכן, נוסף על הדרישות ההנדסיות האחרות, כל מהנדס מתעמת עם נושא אספקת החשמל. בעיה זו, אולי החשובה מכולן, עומדת כיום במוקד העניין של חברות וארגונים רבים.

צרכי אספקת המתח

הסביבות הצבאיות והאוויריות של ימינו דורשות מוצרי אספקת מתח קטנים, קלים ומעל לכל אמינים: כאלה שתמיד פועלים. לעומת זאת, הלקוחות מתפשרים על ביצועי רכיבים ומפרטיהם לטובת העלות. המוצרים שאינם אטומים משתפרים גם באמינות וקיימת מוכנות לאשר שימוש בהם או ברכיבים מסחריים מהמדף (COTS).

השוק הצבאי–אווירי עובר בהדרגה לארכיטקטורות של מודולי דחיפת אפיקים (bus) ונקודות חיבור עומס, עם דרישה למתחים נמוכים עבור מערכות ספרתיות המסופקים בנצילות גבוהה, עם רעש נמוך ובמארזים קטנים. לעומתו, שוק החלל עובר לשימוש במתח גבוה (120 וולט) כדי להקטין את הגודל והמשקל של הכבלים.

סיור בחלל

במשימת שידרוג טלסקופ החלל Hubble השתמשה NASA בספקי כוח ובממירי מתח ישר למתח ישר של Crane Aerospace and Electronics. ממירי המתח של Crane, שהותקנו בטלסקופ, מספקים 35 וואט בסביבה שיש בה רמות קרינה גבוהות ועומדים בדרישות האמינות, המשקל הקטן והגודל הצנוע. החברה שיתפה פעולה עם NASA בפיתוח ובאופטימיזציה של פתרון לאספקת מתח שהחליף את לוח האספקה לספקטרוגרף ההדמיה (STIS) בטלסקופ, באמינות ובנצילות גבוהות יותר וברעש ומשקל פחותים.

פתרונות ללוויינים

לווין התקשורת MEASAT–3a ששוגר ביוני מצויד בשתי סוללות VES 140 (סך הכל 72 תאים) תוצרת חברת Saft שמפעילות אותו במהלך ליקוי החמה המתרחש על פניו פעמיים בשנה. המשקל המופחת של סוללות Saft, איפשר ללווין לשאת מטען ייעודי גדול יותר ששיפר את יכולתו. כיום נמצאות סוללות תוצרת חברת Saft ב–33 לוויינים הנמצאים במסלול סביב כדור הארץ. החברה תספק לתוכנית הלוויינים הבלתי מאוישים של ארה”ב תאי סוללות דגם VL 48E המיועדים לעמוד בדרישות גודל האפיק וההספק של לוויינים והם בעלות קיבולת אנרגיה גבוהה של 150 קילו–וואט לק”ג. גם על סיפונו של הלוויין KOREASAT 6, שישוגר בשנת 2010, ישוגרו סוללות Li–ion של חברת Saft. הטכנולוגיה החללית של החברה נמצאת בשימוש ביישומי חלל נוספים כדוגמת כני שיגור, כלי רכב חלליים, גשושיות וכלי רכב לשימוש בכוכבי לכת.

בעניין החום

אספקת מתח בשדה הקרב אינה מבצע פשוט, במיוחד לא בתנאי החום שבהם עומדים הצבאות כיום. מטעני המצברים של חברת Micro Power Electronics עומדים בפני התחממות הנובעת מכמה מקורות: ממירי מתח או ספקי כוח פנימיים, מכלול המעגל המודפס והמצברים המתחממים כשהם בטעינה. מאחר שאין לטעון מצברים בטמפרטורה מעל 45 מעלות צלזיוס, המטענים של החברה מנטרים את טמפרטורת המצברים בתאי הטעינה, ומווסתים את זרם הטעינה כך שזה לא יעלה את טמפרטורת המצברים הנטענים מעל המותר. מאמצי המחקר והפיתוח של Micro Power מתמקדים במארזי מצברים להספק גבוה ובמטענים. טכנולוגיית ליתיום–ברזל–זרחן של החברה יכולה לאפשר אספקה של מאות אמפרים בפריקה ולקבל זרם גבוה בטעינה, כלומר לאפשר טעינה מהירה. טכנולוגיה חדשה זו ישימה ביישומים מונעים כגון כלי רכב בלתי מאוישים (כרב”מ).

בלתי מאויש ללא הפסקה

אספקת מתח לכלי טיס בלתי מאוישים (כטב”מ) הייתה מאז ומעולם אתגר קשה. מצברי Li–ion של חברת EaglePicher Technologies, המיועדים לשימוש בתעשיות הביטחון והחלל, נבחרו לשמש באב הטיפוס של מל”ט הממריא ונוחת אנכית של חברת Aurora. מצברי Li–ion מספקים אחסון אנרגיה בשליש המשקל לעומת מערכות מבוססות ניקל, והן בעלות מחזור חיים מצוין. מצברי החברה משלבים גם חלקי אלומיניום והאיטום מתבצע בהם בחומר אלסטומרי להקטנה נוספת של המשקל. מערכת ההנעה ההיברידית של המל”ט כוללת מניפות חשמליות המונעות במצברי EaglePicher ומוסיפות כוח דחף בעת ההמראה והנחיתה האנכיות.

תאי דלק

חברת BlueBird Aero Systems מישראל וחברת Horizon Furl Cell Technologies מסינגפור הכריזו על Boomerang, מערכת מטוס ללא טייס (כטב”מ) מופעל בתא דלק מימני מסחרי. חברת Horizon, המייצרת מערכות לאחסון אנרגיה חשמלית קומפקטיות וקלות, הכריזה גם על מערכת תאי דלק שמשקלה 2 ק”ג שמספקת 900 וואט–שעה, ומאפשרת להגדיל את הטווח של מל”ט ב–300 אחוזים. המל”ט המבצעי של BlueBird, שמשקלו 9 ק”ג, מונע חשמלית ויכול לטוס תשע שעות בעזרת מערכת אספקת המתח של Horizon. תאי הדלק פועלים בטכנולוגיה של ממברנת החלפת פרוטונים (PEM). היכולת של המל”ט לשהות זמן רב באוויר היא יתרון במשימות של סיורי גבולות, אבטחת תשתיות ונכסים חשובים ופיקוח על הסביבה.

אספקת מתח בים

ליישומי אלקטרוניקה צבאיים בים יש דרישות ייחודיות וצרכי אספקת מתח מיוחדים. חברת DRS Technologies בחרה בטכנולוגיית Li–ion של חברת Saft עבור מערכות IFTP שלה המיועדות להתקנה במשחתות העתיד של חיל הים האמריקאי, דגם DDG 1000. המצברים של חברת Saft יתמכו בפונקציות חשובות של המערכות. לצורך כך מפתחים בחברת Saft מערכות של 12 מצברים עם תאי VL 34P, בשילוב מערכת אלקטרונית, מארז ומטען משולב בהתאמה אישית. מערכות נוספות, של 22 מצברים המבוססות אף הן על תאי VL 34P, נמצאות בפיתוח וישמשו כגיבוי עד שאפשר יהיה לבצע כיבוי של מערכות העומס במשחתת. תאי VL34P משמשים ביישומי רכב חשמלי היברידי צבאיים לתמיכה במצבי פעולה במצבר בלבד, במעקב חרישי ובהינע מסייע. בחברת Saft פיתחו את האפשרות הטכנולוגית לפעולה בטמפרטורות גבוהות של עד 70 מעלות צלזיוס ולשמור על ביצועים גבוהים לאורך כל חיי המצבר.

אספקת מתח ניידת

טכנולוגיית תאי הדלק כבר משמשת להקלה על משקל הציוד האלקטרוני שמוטל על חיילים לשאת בשטח. החברות DuPont מארה”ב ו–SFC Fuel Cell מגרמניה מפתחות את תאי הדלק M–25 עבור צבא ארה”ב. תאים אלו קטנים וקלים ומספקים מתח כך שמשימת החייל יכולה להתארך עד 72 שעות ויותר. התאים הם חלק ממקור מתח ללבישה על הגוף המשלבים את טכנולוגיית המתנול הישירה של DuPont עם מערכת תאי הדלק של SFC.

מערכות נישאות על ידי חיילים

חברת UltraCell מפתחת עבור מרכז המחקר לאלקטרוניקה ותקשורת של צבא ארה”ב מערכות תאי דלק המבוססות על שיפור טכנולוגיית תאי הדלק–מתנול XX55 של החברה. התוצאה תהיה תאי דלק שיספקו באופן רציף יותר מ–50 וואט למשימות של 72 שעות. במשך זמן זה המערכות יפעילו ציוד אלקטרוני נייד כמכשירי קשר, התקני תקשורת לווייניים, מערכות מעקב מרחוק, מערכות מעקב ניידות ומחשבים ניידים וכן יטעינו סוללות בשטח. XX55 של חברת UltraCell הוא תא דלק קומפקטי ביותר מוקשח ונייד המצויד במערכת סוללה היברידית עם יכולת לספק 55 וואט באופן רציף ולספק הספק שיא של 80 וואט. החברה תפתח גם תאי דלק עבור יחידת הניסויים של הצבא (AIDE), המשמשת כמרכז שיתוף פעולה ומטרתו האצה של קבלת טכנולוגיות חדישות שיעמדו בדרישות הלוחם.

ניהול הספקים

בחברת Protonex Technology, המייצרת מערכות מתקדמות לאספקת מתח בתאי דלק ליישומים ניידים, מודעים היטב לצורך להפחית במידה רבה את העומס הלוגיסטי מעל חיילים על ידי הקטנת מספר הסוללות והסוגים של מקורות המתח שעליהם לשאת. מהנדסי החברה פיתחו את מערכות ניהול ההספקים
SPM–611 ו–SPM–612 המיועדות ללבישה על גוף החייל. המערכות מתוכננות כך שהן קטנות, קלות משקל וקלות להגדרת קונפיגורציה ובעלות יכולת לתאם כל עומס (מכשירי קשר, מחשבים וכד’) עם כל מקור כוח קיים (סוללות, תאי דלק, מערכת סולרית וכיו”ב) ובכך לאפשר לצבא להשתמש במקורות האנרגיה שברשותו לטווח רחב של יישומים. מערכות SPM מיועדות לשלב את ההתפתחויות במזעור רכיבים, בהמרת מתח בנצילות גבוהה ביותר ובניהול הספקים חכם עם הטכנולוגיה המתקדמת לטעינת סוללות. ההתקנים החדשים מבצעים ניטור של סוללות שהחייל נושא וקובעים את עדיפויות השימוש בהן, מנהלים את הטעינה ואת אספקת המתח למערכות וממחזרים אנרגיה ממקורות מזדמנים.

ללוחמים ולאסטרונאוטים כאחד נדרשות מערכות אלקטרוניות רבות להשלמת משימותיהם. למערכות אלו, שחיי החיילים והאסטרונאוטים תלויים בהן לעיתים, נדרשת אספקת מתח כדי שיפעלו מהרגע הראשון וללא הפסקה בכל רגע שהן נחוצות. ברור, אם כך, מדוע NASA, משרד ההגנה האמריקאי וחברות טכנולוגיה תעשייתיות ממשיכים להשקיע הרבה ושוקדים על ההתפתחות של אלקטרוניקה לאספקת מתח.