粘り強さの力
「歩兵は戦闘に勝利をもたらす。兵站は戦争に勝利をもたらす。」
第一次世界大戦の遠征作戦に関連して米陸軍のジョン・パーシング将軍が述べたとされるこの言葉は、自律型水中システムの時代へとさらに進む今日においても同様に当てはまる。帆船時代から核時代に至るまで、海上戦力は部隊がどれだけ遠くまで、どれだけ長く前進できるかによって支えられてきた。そして、従来、兵站とは乗組員とプラットフォームに燃料、食料、物資を供給することを意味していたが、自律型水中作戦の兵站上の負担は、ますます一つの根本的な要件、すなわちエネルギーに集中するようになっている。推進、航行、通信、自律性といったあらゆる搭載システムを動かすのはエネルギーであり、最終的には、持続的な海底プレゼンスを維持するために必要な任務遂行に不可欠な耐久性を可能にするのもエネルギーなのである。
長年にわたり、水中における電力供給の主流は蓄電方式でした。高いエネルギー密度、拡張性、そして成熟した製造基盤を持つリチウムイオン（Li-ion）電池は、防衛分野と商業分野の両方において、水中システムの標準となってきました。しかし、水素燃料電池という形での船上エネルギー生産が着実に普及しつつあるため、Li-ion電池の長年の優位性は崩れつつあります。
水素燃料電池は自律型水中作戦においては比較的新しい技術革新ですが、有人潜水艦では長年にわたり、非大気依存推進（AIP、非大気依存動力とも呼ばれる）を実現するために利用されてきました。従来のディーゼル電気潜水艦は、定期的にシュノーケルを上げてディーゼルエンジンに酸素を取り込み、そのエンジンで発電機を駆動してバッテリーを充電する必要があります。しかし、シュノーケルをすると、潜水艦は上空を徘徊している可能性のある水上または空中プラットフォームに探知されやすくなります。燃料電池は、潜水艦が燃焼や大気中の酸素なしで発電できるようにすることで、この問題を解決します。貯蔵された水素と液体酸素がプロトン交換膜（PEM）燃料電池に供給され、水と熱を副産物として静かに発電します。その結果、ステルス性を保ちながら完全に水中に潜った状態で発電でき、稼働時間は数日ではなく数週間になります。燃料電池が従来の潜水艦にとって魅力的な特性である静音性、高効率、長時間の水中稼働といった特性は、現在、自律型水中ビークルへの採用を促進しています。
リチウムイオン電池は、限られた量の電気エネルギーを蓄え、それが任務中に徐々に消費されるのに対し、燃料電池は反応物質が利用可能な限り発電し続けます。燃料電池は、一般的に電池のみのソリューションよりも大型で複雑かつ高価ですが、同サイズ・同重量の電池システムに比べて数倍のエネルギーを供給でき、水中での稼働時間を数時間や数日から数週間、あるいは数ヶ月にまで延ばすことができます。エネルギー密度が高いことに加え、燃料電池は非稼働期間中に自己放電しないため、前線地域に事前配置されたシステムを用いた任務が可能になります。また、このようなシステムが提供する高い稼働時間は、自律的な水中プレゼンスを維持するための総コストを削減できる可能性があります。そのプレゼンスを維持するには、プラットフォーム群をローテーションで運用し、展開、哨戒、回収、搭載エネルギー貯蔵の補充、およびメンテナンスを行う必要があります。車両がより長い期間定位置にとどまり、エネルギーシステムを数時間ではなく数分で補充できれば、運用者は同じレベルの持続性とエリアカバー率を維持するために必要なプラットフォームの数を減らすことができるかもしれません。
従来型の推進方式を採用した自律型水中ビークル（AUV）にとって、燃料電池の航続距離延長効果は大きいが、独自の設計により既に航続距離と航続距離が延長されている非従来型のAUVと組み合わせることは、大きな成果となるだろう。ゼネラル・アトミックス社は、高揚抗比と浮力駆動推進によりエネルギー消費を最小限に抑えたブレンデッドウィング水中グライダー「G-Ray」でまさにそれを実現した。今年4月に海軍協会主催の海上・航空・宇宙会議で発表されたG-Rayは、ハイブリッドバッテリー・水素燃料電池システムを搭載しており、数ヶ月に及ぶ航続距離と航続距離を実現し、さらに長期間の運用も可能だ。このシステムは、圧縮水素を貯蔵するのではなく、軽量アルミニウム合金と水を反応させて水素を生成する。これにより、航続距離の制約要因が貯蔵エネルギーから搭載反応物質容量へと移行する革新的なオンデマンドエネルギーシステムが実現する。
ゼネラル・アトミックス社のG-Ray。写真提供：ゼネラル・アトミックス社
水素燃料電池はもはや水中車両に限定されず、持続的な自律運用を支える海底インフラの一部になりつつあります。Teledyne Marine Subsea Supercharger (SSC) は、センサー、アクチュエータ、または車両ドッキングシステムへの現場での電力供給を可能にする燃料電池海底エネルギー貯蔵庫であり、AUV が水面回収なしで充電および再展開できるようにします。概念的には、SSC は前方ロジスティクスノードとよく似た機能を持ち、地域の自律型水中部隊が定位置にとどまるための持続的なエネルギーを提供します。このアイデアは全く新しいものではありません。約 10 年前、米国海軍は持続的な対潜水艦戦 (ASW) および情報、監視、偵察 (ISR) 作戦を支援するために前方展開型エネルギーおよび通信拠点 (FDECO) コンセプトを提案しました。
Teledyne Marine社の水中用スーパーチャージャー。写真提供：Teledyne Marine
一部の企業にとって、海底水素燃料電池電源は、画期的な製品差別化要因であるだけでなく、新たな市場機会でもあります。今年6月、Cellula RoboticsとInfinity Fuel Cell and Hydrogen Inc.は、海洋自律システム向け燃料電池電源ソリューションの提供に特化した合弁会社NautiGENを発表しました。コネチカット州ウィンザーに拠点を置くInfinityは、航空宇宙、防衛、海洋用途向けの燃料電池システムの開発企業であり、ブリティッシュコロンビア州に拠点を置くCellulaは、長寿命AUVシリーズを通じて燃料電池の商用化の最前線に立っています。CellulaとInfinityは以前にも燃料電池技術で提携しており、CellulaのEnvoy LD-AUVの最近の試験では、この車両は385時間のミッション期間中に2000kmを超える水中航行を完了し、その間に4000回以上のエネルギーを消費する旋回と操縦を実行しました。この車両は、インフィニティ社のMystic 2000 AUV電源システムを搭載しており、元々は航空宇宙用途向けに開発された燃料電池技術を海洋用途向けに改良したものです。NautiGENの設立は、燃料電池電源が特殊な基盤技術にとどまらず、実行可能な商業市場へと成熟したという確信の高まりを反映しています。
NautiGENは、Cellula RoboticsとInfinity Fuel Cell and Hydrogen Inc.の合弁会社で、海洋自律システム向け燃料電池電源ソリューションの提供に注力しています。写真提供：Cellula Robotics
自律型水中作業において、航続時間は極めて重要です。航続時間は、プラットフォームが定位置にとどまる時間や、効果的に監視または影響を与えることができる範囲の大きさを決定します。敵潜水艦の追跡、長距離海底攻撃任務の遂行、戦略的なチョークポイントの封鎖など、AUVは任務の成功を確実にするために高密度のオンボードエネルギーへのアクセスを必要とします。水素燃料電池は、電気エネルギーを蓄える水中プラットフォームから、任務全体を通して電力を生成できるプラットフォームへの転換を象徴しています。燃料電池が水中作業におけるリチウムイオン電池に取って代わることはないかもしれませんが、燃料電池はG-Rayのようなハイブリッド電力アーキテクチャに統合される可能性があります。燃料電池は高エネルギーで長時間の基本電力を供給し、電池は操縦、浮力制御、通信、ペイロード動作のための急速な電力供給を行います。燃料電池がより広範な自律型海洋分野における主要なエネルギーソリューションとなるかどうかはまだ未知数だが、信頼性が高く持続的な水中戦力を確立し維持する上で、ますます重要な役割を果たす態勢が整っているように見える。
