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», 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, которая показалась мне поводом для целой статьи. 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 по разработке мореходных машин) оснастила корабли Shin Aitoku Maru и Usuki Pioneer парусным вооружением, 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. 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, оснащённую гибкими солнечными панелями от британской компании Sailmakers SolarClothSystem. 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 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 ёмкостью 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 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 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, 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, где упоминаются аналогичные проекты. Особенный интерес к судам под солнечными парусами проявляют Франция и Норвегия. Кроме солнечного паруса в таких моделях отрабатываются другие и технологические новинки, в частности, роторные паруса (роторы Флеттнера) — вращающиеся цилиндры, преобразующие энергию ветра в полезную работу. Французская компания TransOceanic Wind Transport предполагает, что к 2050 году ёмкость 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.