DOSSIÊ

Sistemas AIP ou Nucleares. Qual o melhor caminho para a MB?

n Guilherme Poggio

Introdução

Segundo a propulsão, os submarinos atuais são classificados como nucleares (reator nuclear) ou como convencionais (baterias e motor de combustão interna). Por gerarem energia própria, independente da atmosfera, os submarinos nucleares podem permanecer submersos por muito mais tempo, além de serem extremamente rápidos. Por este motivo, as vantagens táticas dos submarinos nucleares são muito amplas se comparadas com os submarinos convencionais. Como forma de reduzir o "gap" entre os dois tipos, diversas nações pesquisaram alternativas ao reator nuclear que permitissem aumentar o tempo de imersão dos submarinos convencionais. Estes sistemas foram denominados AIP (Air Independent Propulsion - Propulsão Independente da Atmosfera). A princípio os reatores nucleares embarcados em submarinos também representam um sistema de propulsão independente da atmosfera. Porém neste artigo procurou-se separar os reatores nucleares dos demais sistemas AIP.

Há alguns anos os sistemas AIP não são mais coisas apenas de palestras promissoras e projetos experimentais. Algumas marinhas já possuem submarinos em operação e outras estão aguardando os mesmos saírem do estaleiro.

Os sistemas AIP possuem uma outra grande vantagem. Eles podem ser introduzidos em diversos submarinos convencionais já existentes em diversas marinhas. Ou seja, por um custo de algumas dezenas de milhões de dólares (alguns estimam pouco mais de 15% do valor de um submarino novo) é possível converter um submarino convencional em AIP. A conversão de unidades (antes tratada como uma possibilidade e hoje vista como uma necessidade) será a grande vedete da indústria submarina mundial na próxima década. Estima-se que até uma centena deles possam ser convertidos. A MB, com quatro unidades operacionais e mais uma em construção, pode ser um dos futuros clientes. A questão da conversão resolveria o problema no médio prazo. A longo prazo a MB pretende operar submarnos nucleares. Mas frente ao desenvolvimento das técnicas AIP seria esta a melhor alternativa?

A evolução dos sistemas AIP

Ao longo de toda a história da construção submarina, os projetitas sempre tiveram como meta o aumento do alcance e do tempo submerso. Na Alemanha da década de 1930, o professor Helmut Water desenvolveu um sistema baseado no uso de peróxido de hidrogênio concentrado para produzir vapor e girar uma turbina. O objetivo principal de Walter era aumentar a velocidade submersa, na época restrita a 10 nós ou até menos. Um submarino protótipo foi construído para testar o invento. Designado V80, o pequeno submarino deslocava 76 toneladas e possuía 22 metros de comprimento. Durante os testes em 1940, ele atingiu a fantástica velocidade de 28,1 nós submersos. Durante o curso da II Guerra Mundial, sete submarinos costeiros Tipo XVIIB (300 toneladas de deslocamento) foram modificados, mas nenhum deles participou de ações de combate. Projetos mais ambiciosos como a modificação de submarinos oceânicos Tipo XXVI (800 toneladas) e Tipo  XVIII (1.600 toneladas), já no final da guerra, esbarraram em problemas técnicos e de suprimento de peróxido de hidrogênio.

Com a vitória dos aliados em 1945, norte-americanos e britânicos demonstraram grande interesse nos estudos do professor Walter. Os primeiros desenvolveram um sistema semelhante ao alemão, porém mais compacto, e o instalaram no submarino protótipo X-1. Já os britânicos levaram para casa o próprio professor Walter e sua equipe de trabalho. Os trabalhos resultaram em dois submarinos muito parecidos com os Tipo XXVI, denominados HMS Excalibur e HMS Explorer. Embora fossem estremamente velozes, os submarinos eram tão perigosos que foram apelidados de "HMS Excruciator" e "HMS Exploder". O desenvolvimento da propulsão nuclear enterrou em definitivo os estudos com tecnologia AIP nestes países. Em janeiro de1955, o USS Nautilus anunciaria a famosa frase "navegando com energia nuclear". 

Os soviéticos, ainda durante a guerra, desenvolveram estudos com sistemas AIP baseados no uso de oxigênio líquido e diesel (tecnologia conhecida hoje como CCD - ver texto abaixo). O sistema foi instalado no submarino M-401 e os testes realizados entre 1940 e 1945. Testes com este sistema prosseguiram no pós guerra e trinta submarinos classe Quebec foram construídos utilizando tecnologia CCD. Os Quebec nunca foram populares na marinha soviética e vários acidentes e problemas técnicos ocorreram. Experimentos com o ciclo de Walter também foram executados. Em 1958 entrou em serviço o submarino denominado Projeto 617. Uma explosão a bordo colocou fim ao projeto em 1959. Assim como os britânicos e norte-americanos, os soviéticos deram prioridade à propulsão nuclear. Mas os estudos com sistemas AIP nunca foram encerrados.

Tipos de sistemas AIP

Atualmente as linhas de pesquisa com sistemas AIP seguem basicamente quatro rumos: Motores a diesel em circuito fechado (CCD), Turbina a vapor em circuito fechado, Motor Stirling e células de combustível  tipo PEM.

 Motor a diesel em circuito fechado - Também conhecido pela sigla CCD (closed-cycle diesel), este tipo de sistema funciona com um motor a diesel comum trabalhando numa atmosfera artificialmente gerada pelo próprio submarino em circuito fechado. Para a criação dessa atmosfera artificial, o submarino carrega oxigênio líquido (geralmente estocado em tanques criogênicos) e gás inerte (comumente argônio). Antes de ser absorvido pelo motor o oxigênio é misturado com o argônio para controlar a taxa de combustão. O argônio, assim como o excesso de oxigênio, é reciclado e retorna para o sistema. Os demais compostos são descartados para o oceano. O sistema é projetado para funcionar até uma profundidade de 500m, um valor generoso uma vez que muitos dos submarinos convencionais de hoje não mergulham a mais de 300m. Em relação ao período submerso, o sistema CCD aumenta em até  cinco vezes o tempo de patrulha de um submarino convencional.

Uma das grandes vantagens desse sistema é a própria utilização dos motores a diesel existentes no mercado (manutenção simples, motores confiáveis, combustível comumente encontrado) e a capacidade de converter facilmente submarinos já construídos. Como desvantagem, o sistema necessita regularmente substituir o oxigênio criogênico e o gás inerte. Além disso, a eficiência do sistema é baixa e o descarte de gases para o oceano reduz muito a discrição do submarino (embora existam especialistas que acreditam no contrário).

O sistema foi largamente estudado por vários países (incluindo Alemanha, Holanda e Grã Bretanha), principalmente no pós guerra, tendo como base os estudos da Marinha da Alemanha nazista. Mais recentemente, a Thyssen Nordseewerke da Alemanha desenvolveu e colocou em atividade um sistema tipo CCD que gera 300 KW de potência conhecido como SPECTRE (Submarine Power for Extended Contact Trailing and Range Enhancement). Os estudos demonstraram que o sistema é técnica e economicamente viável. Porém, as tentativas de colocar o sistema no mercado e atrair clientes não deram resultados. Entre os países que foram sondados estão a Alemanha, a Holanda, a Argentina e a Coréia da Sul.

DCN
O Khalid, primeiro Agosta 90B da marinha paquistanesa equipado com um sistema MESMA francês.

Turbina a vapor em circuito fechado – Basicamente é um turbo-alternador movido por vapor produzido a partir da combustão de etanol e oxigênio sob pressão. O dióxido de carbono dos gases de exaustão é descartado para o oceano. Em relação aos demais sistemas AIP, a turbina a vapor em circuito fechado gera uma potência considerável (cerca de 200 KW). Por outro lado, sua eficiência é baixa (cerca de 20%). A assinatura acústica é muito menor quando comparada ao sistema CCD. Estima-se que o sistema permita um aumento no tempo submerso de três a cinco vezes o convencional. Atualmente, só a França (através da DCNI) desenvolve este sistema em escala industrial com o nome MESMA (Module d'Energie Sous-Marin Autonome - módulo de energia submarina autônomo). A DCNI oferece o sistema MESMA como opção para as classes Agosta e Scorpène. Mas o mesmo também pode ser instalado em submarinos existes apenas com a adição de uma nova seção no casco.

Kockums
Unidade Stirling sendo introduzida no casco de um submarino Gotland.

Motor Stirling – Neste caso, utiliza-se o conceito do “Ciclo de Stirling”. Num motor Stirling, oxigênio e combustível são queimados numa câmara de combustão pressurizada. A energia produzida movimenta um gerador que fornece eletricidade tanto para propulsão como para alimentar as baterias do submarino.

A empresa Kockums Naval Systems, da Suécia, desenvolveu um motor de Stirling para submarinos que queima diesel e oxigênio (este último estocado na forma líquida em tanques de criogênio). Cada um desses motores fornece 75 KW de potência. Segundo a empresa, duas unidades são suficientes para impulsionar um submarino com cerca de 1.500 toneladas por 14 dias mantendo uma velocidade de cinco nós.Com a experiência adquirida, os suecos incorporaram o sistema Stirling na nova classe de submarinos Gotland, em construção no início dos anos noventa. Atualmente a Marinha da Suécia possui três submarinos desta classe.

Siemens
Uma unidade de célula de combustível PEM utilizada nos submarinos IKL 212 alemães e italianos.

Células de combustível – As células de combustível são dispositivos eletroquímicos que combinam oxigênio e hidrogênio para produzir eletricidade, calor e água. Existem várias configurações de células de combustível, mas para propulsão submarina utiliza-se a chamada PEM (Polymer Electrolyte Membrane). Cada célula produz uma quantidade muito baixa de corrente (algo como 0,7 volts) e, portanto, um grupo de células são colocadas em série para gerar um valor considerável.

A classe 212, atualmente em construção para a Marinha da Itália e da Alemanha, foi projetada para utilizar nove células de combustível PEM (cada uma gerando 34 KW). O sistema instalado é suficiente para manter o submarino por três semanas oculto no fundo do mar sem precisar voltar a superfície. A geração mais nova de células de combustível já é capaz de fornecer 120 KW por unidade.

Programas semelhantes ao alemão foram desenvolvidos na Rússia e no Canadá. Conhecido localmente como Kristall 27E, o sistema russo foi desenvolvido para a nova classe de SSK Lada/Amur. O sistema canadense Ballard é mais interessante pois adquire o hidrogênio a partir de tanques contendo etanol. O etanol é uma fonte de baixo custo e renovável, mas a eficiência do sistema é menor pois existe uma etapa a mais no processo.

Grosso modo, pode-se dizer que os sistemas AIP descritos acima estão restritos à quantidade de oxigênio que os submarinos podem levar. Além disso, os gases de exaustão descartados para o oceano limitam a profundidade e reduzem a discrição. Neste último caso, o sistema de células de combustível representa uma exceção e por este motivo leva uma pequena vantagem técnica em relação aos demais (porém com um custo mais elevado). Mas somente o uso contínuo dos sistemas nas diferentes marinhas poderá fornecer maiores informações para futuras comparações.

Panorama atual dos países com sistemas AIP

A seguir, são descritos os programas em andamento nos diversos países que desenvolvem ou constroem submarinos com tecnologia AIP. Observar que um número bastante significativo de unidades dotadas de AIP entrará em serviço ao longo do ano de 2005.

Coube aos suecos a honra de serem os primeiros a possuirem um submarino com AIP realmente funcional. Lançado em 1978, o HMS Näcken foi escolhido para realizar os testes com o novo sistema Stirling. O submarino foi docado e o seu casco foi dividido em dois. Uma seção central foi introduzida com o sistema AIP. Em 1988 o Näcken voltou ao mar, servindo de bancada de testes. Com a experiência adquirida, os suecos incorporaram o sistema Stirling na nova classe de submarinos Gotland, em construção no início dos anos noventa. Atualmente a Marinha da Suécia possui três submarinos desta classe. Outros dois de seus submarinos classe Södermanland (HMS Södermanland e HMS Östergötland) estão passando por modificações para incorporarem o sistema Stirling.

A Dinamarca adquiriu o HMS Näcken da Suécia em 2001 e o renomeou Kronborg, tornando-se assim o segundo país a possuir um sistema AIP operacional. A transferência envolveu uma operação de leasing no valor de 35,4 milhões de dólares e vence em 2005 (com opção de compra). Além disso, a Dinamarca, assim como a Noruega, era participante do projeto Viking, mas acabou desistindo da parceria.

O desenvolvimento de uma nova geração de submarinos alemães começou em 1988, antes mesmo do primeiro IKL brasileiro entrar em atividade. O contrato foi assinado em 1994 com um consórcio alemão para a construção de quatro unidades (e mais duas eventuais opções). O modelo, denominado IKL-212, possui um conjunto de nove células de combustível PEM. Cada uma fornece entre 30 e 50 Kw de potência. A primeira unidade entrou em serviço em 2004 e as últimas duas deverão estar completas neste ano.

Os dois IKL-212 italianos são baseados no modelo alemão e possuem poucas diferenças. Construídos pelo estaleiro Fincantieri, o primeiro (Salvatore Todaro) foi lançado em novembro de 2003 e deve entrar em atividade este ano. O segundo, lançado em dezembro de 2004, ficará pronto em 2006.

O projeto grego está entre os melhores e mais avançados na área de AIP atualmente. A marinha da Grécia encomendou três submarinos IKL-214, uma versão aprimorada do IKL-212 alemão e italiano. O acordo foi anunciado em 1998 e efetivamente assinado em 2000. Ao custo de 1,26 bilhão de dólares, três submarinos serão construídos sendo dois em território grego. Os submarinos já incorporam as modernas células de 120 Kw para o sistema AIP. O primeiro deles foi lançado ao mar em abril de 2004 e deverá entrar em atividade neste ano. Uma quarta unidade já foi autorizada.

A França desenvolveu e produziu o sistema AIP MESMA. No entanto, sua força submarina (tanto de ataque como estratégica) é totalmente baseada na propulsão nuclear. A primeira aplicação do sistema em escala real é o projeto de construção de submarinos paquistanês classe Agosta 90B.

O programa de reequipamento da força submarina do Paquistão teve início em 1994, com a assinatura de um contrato para a construção de três submarinos Agosta 90B com o estaleiro francês DCN. O primeiro foi construído na França e os dois últimos no Paquistão (o terceiro está em fase final de construção). Durante o andamento do programa, o Governo do Paquistão decidiu  incluir o sistema AIP MESMA nas suas unidades. A terceira unidade sairá do estaleiro já com o sistema instalado. As outras duas anteriores receberão "kits"  AIP no futuro.

O programa de construção de submarinos da China continental é uma verdadeira incógnita. Muito mais sigiloso são os estudos com sistemas AIP (se é que estes realmente existem). Recentemente foi lançado ao mar um novo submarino (denominado Yuan pelo serviço de inteligência dos EUA, mas alguns preferem chamá-lo de Tipo 039A) que possui algumas similaridades com o Tipo 636 russo (classe Kilo). Especula-se a possibilidade dele possuir algum sistema AIP.

Os soviéticos trabalharam com sistemas tipo CCD na década de 1950. Submarinos da classe Quebec foram modificados e receberam este tipo de AIP. O sistema nunca foi um sucesso e vários acidentes ocorreram. Os últimos submarinos desse tipo foram retirados de serviço nos anos setenta. Mais recentemente, os russos trabalharam num projeto de sistema AIP baseado em células de combustível oxigênio-hidrogênio. O projeto mais recente de submarinos convencionais russos (Projeto 677 ou classe Lada) inclui a instalação deste sistema AIP. Porém, o único submarino em construção nunca chegou a ser completado. O Projeto 677 é  oferecido ao mercado externo com o nome de Amur. A Índia apresentou interesse no projeto mas ainda não concluiu nenhuma negociação. A versão de exportação do projeto 636 ou classe Kilo é oferecida ao mercado externo com sistema AIP num casco ligeiramente maior que o comum. Não há, até o momento, notícias de possíveis interessados. Sabe-se apenas que uma versão do projeto foi apresentada aos sul-coreanos em 1999.  

A Coréia do Sul selecionou o estaleiro alemão HDW como o vencedor da disputa pelo projeto KSS-II com o modelo IKL-214 e suas células de combustível PEM.  São três unidades que serão construídas nos estaleiros coreanos da Hyundai. A decisão foi uma surpresa pois até então o estaleiro Daewoo detinha o monopólio da construção de submarinos no país. Das nove unidades da classe Tipo 209/1200, oito foram construídas pela Daewoo.

Outros países como Japão, Formosa (Taiwan), Espanha e Canadá também estudam a possibilidade de adotar sistemas AIP em seus submarinos atuais. 

A US Navy e os sistemas AIP 

A questão sobre sistemas AIP já está em discussão nas altas esferas do Pentágono, nos EUA. Algumas vozes dentro da US Navy começam a surgir em favor de unidades convencionais dotadas de sistemas AIP ao lado de SSN, aumentando a frota e reduzindo o custo. Obviamente a grande justificativa é o custo. Para a construção de 18 unidades da classe Virgina, a última palavra em tecnologia submarina de propulsão nuclear, deverão ser desembolsados pelo contribuinte norte-americano cerca de 29 bilhões de dólares. Com aproximadamente um terço deste valor (algo perto de 9 bilhões) é possível construir uma frota de 30 submarinos convencionais dotados de sistema AIP. Mesmo que a frota dos EUA permaneça totalmente nuclear, existem preocupações em relação à "ameaça AIP". A USN já está resolvendo esse problema. No final do ano passado, as marinhas dos EUA e da Suécia firmaram um acordo de treinamento anti-submarino. Pelo que foi acordado, os suecos estarão disponibilizando um de seus Gotland com AIP para exercícios navais com as frotas do Pacífico e do Atlântico. O submarino será comandado e tripulado por suecos. Apenas alguns observadores norte-americanos estarão a bordo. 

Programa Nuclear da Marinha Brasileira - custos e prazos

A possibilidade do Brasil desenvolver e construir um reator nuclear para ser utilizado em submarinos começou a ser cogitada pela Marinha na década de setenta e evoluiu de forma mais prática entre 1976 e 1978. Associando-se ao IPEN-SP (Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares de São Paulo), a Marinha passou a trabalhar a partir de 1979 no desenvolvimento do ciclo do combustível e do reator, tendo sido adotada a técnica de ultracentrifugação para o enriquecimento. Após dominar a tecnologia do hexafluoreto de urânio a partir do minério de Poços de Caldas, a Marinha obteve o seu primeiro grande sucesso no ano de 1982. Em escala laboratorial, o grupo conseguiu o enriquecimento isotópico de urânio com centrífugas construídas totalmente no Brasil. Com o crescimento da pesquisa e do interesse por parte de Marinha, em 1986 surgia a Coordenadoria para Projetos Especiais (COPESP), posteriormente renomeada Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo (CTMSP).

Para para dar suporte às atividades experimentais do programa de pesquisa e desenvolvimento do ciclo do combustível e de reatores nucleares, foi construído no município de Iperó (estado de São Paulo) o Centro Experimental Aramar (CEA). Este Centro abriga instalações de testes, laboratórios de validação experimental e algumas oficinas especiais. Ali já se enriquece urânio numa escala industrial pequena, mas suficiente para alimentar os reatores nucleares de pesquisa existentes no país. A produção em escala maior deve ocorrer em breve.

Segundo informações divulgadas pela própria Marinha, já foram investidos um bilhão de dólares no projeto do submarino nuclear nacional nos últimos 25 anos. Para a conclusão do programa, incluindo o protótipo da embarcação, são necessários mais 450 milhões de dólares. A questão principal é a contingência de verbas ocorrida nos últimos anos. Numa palestra proferida em 2004 no Clube Naval do Rio de Janeiro, o vice-almirante Alan Paes Leme, diretor do CTMSP (Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo), afirmou que a Marinha levará "cem anos para concluir o programa" do projeto do submarino nuclear caso seja mantido o ritmo atual de fluxo de recursos. Mas mesmo que os recursos estivessem disponíveis, duas etapas que não poderiam ser abreviadas. A primeira consiste na construção do reator nuclear RENAP 50 de 48 MW, a ser concluído entre 2007 e 2011 com investimentos da ordem de 120 milhões de dólares. A segunda etapa refere-se à construção do casco do submarino nuclear propriamente dito.

Primeiramente, o pais precisaria dominar o ciclo de desenvolvimento de um submarino convencional totalmente nacional, desde a sua concepção até o lançamento. Isto seria conseguido com o programa SMB-10 (antigo SNAC-I). Mas um projeto como este levaria mais de 13 anos (a tabela 1 apresenta as principais fases e o tempo estimado de cada uma). Esta previsão é extremamente razoável e está dentro dos padrões mundiais de desenvolvimento e construção de novos projetos de submarinos. Para um projeto de submarino nuclear totalmente nacional esse tempo seria maior, mesmo porque existem várias etapas de pesquisa básica que ainda não foram vencidas. Portanto, estimar que um protótipo de submarino nuclear nacional estivesse concluído por volta de 2025-2030, não é exagero. Até lá qual será o estágio de desenvolvimento que os sistemas AIP atingirão?

Conclusão 

Atualmente, o submarino de propulsão nuclear representa uma arma de grande poderio e alto grau de sobrevivência. E no curto e médio prazo isto não será modificado. A MB, quando optou por seguir o caminho do desenvolvimento do submarino nuclear, sabia que um grande desafio estava por vir, mas que também estava diante da mais fantástica arma até então existente no ambiente naval. Vinte e cinco anos depois, atravessando crises econômicas e contingenciamento de verbas, os objetivos principais do programa estão longe de serem atingidos. Além disso, são necessários, pelo menos, mais 20 anos de trabalhos  até que o primeiro protótipo saia navegando.

Nos últimos 25 anos os sistemas AIP evoluíram e ganharam credibilidade, sendo uma realidade em algumas marinhas do mundo. A médio prazo, os submarinos convencionais que não forem adaptados para este novo sistema perderão valor tático. E isto vale também para os recém lançados O'Higgins (classe Scorpène) chileno, Collins australiano e Tikuna (classe IKL 209 mod.) brasileiro.

AP
Lançamento do submarino Tikuna no AMRJ. Num futuro não muito distante, a classe Tupi terá que voltar para o dique seco para a colocação de um sistema AIP.

Alguns especialistas dão conta que nos próximos anos a potência de uma célula de combustível pode dobrar ou mesmo triplicar. É possível que em menos de 20 anos estes sistemas evoluam muito mais, diminuindo as desvantagens em relação aos reatores nucleares. A longo prazo, os submarinos dotados de AIP mais avançados podem estar tecnicamente muito próximos das características de autonomia e velocidade dos submarinos nucleares por um preço quatro vezes inferior e sem os custos políticos e ambientais. A questão está lançada e as respostas definitivas virão nas próximas duas décadas. Obviamente as marinhas intermediárias vão migrar para estes sistemas AIP. E o qual será a posição do Brasil? O ideal seria possuir duas linhas de pesquisa, sendo uma concentrada em estudos AIP e outra no desenvolvimento da propulsão nuclear. China, Rússia e França são países que atuam nestas duas áreas. Mas no caso brasileiro, a dificuldade no prosseguimento das pesquisas nucleares mostra que investir também em sistemas AIP é praticamente impossível.

Com o cancelamento da segunda unidade IKL-209 mod. (o Tapuia), a Marinha do Brasil dificilmente incorporará uma nova unidade (após a conclusão do Tikuna) construída no país nos próximos dez ou quinze anos. Neste período, as instalações do AMRJ estarão parcialmente ociosas pois não existe ainda uma data para iniciar a construção do SMB-10. O AMRJ apenas receberá os submarinos da classe Tupi para o PMG e outros eventuais reparos/atualizações. Uma alternativa para o médio prazo seria estudar e avaliar os sistemas AIP existentes no mercado externo e introduzi-los nos Tupi durante esse período de baixa atividade no AMRJ. Enquanto isso, o programa nuclear deve ser revisto. Insistiremos no programa atual, aceitando os prazos dilatados como a realidade atual nos apresenta, ou passaremos para o estudo de uma classe moderna de submarinos convencionais dotados de sistemas AIP e acompanharemos a evolução dessa tecnologia? O assunto merece atualmene muita reflexão, pois as decisões que serão tomadas agora terão grandes implicações no futuro.