¿Cómo conquistar al retador profundo usando la máquina de vapor?

Descripción general

Uno de los principales problemas de un submarino a vapor que llega a grandes profundidades es que la energía a vapor requiere un exceso de oxígeno para arder. Los sistemas de aire comprimido se estaban desarrollando como tecnología de vanguardia en ese momento, pero solo mejoraron marginalmente la situación.

Hasta que se desarrollaron baterías y motores eléctricos prácticos a principios de 1900, con una excepción, los submarinos podían viajar solo unas pocas docenas de pies bajo la superficie y tenían que ser impulsados ​​​​a mano (básicamente remar glorificado) porque no podían quemar combustible en las calderas. para mantener el barco en funcionamiento, o tenían que depender de un esnórquel sobre el nivel del mar y eran básicamente barcos de superficie con la mayor parte de su calado bajo el agua.

El otro gran problema era que ahora se había construido un submarino lo suficientemente fuerte como para soportar presiones marinas superiores a las que se encuentran a 500 metros de profundidad en ese período de tiempo.

Algunos de los desarrollos históricos notables a lo largo de esta línea se analizan a continuación, seguidos de un enfoque alternativo que sería más plausible. Pero, un híbrido de algunas de estas tecnologías adaptadas para eliminar algunas de las ideas prescindibles (por ejemplo, la iluminación eléctrica) que solo se desarrollaron más tarde, hace que el concepto sea al menos imaginable y posible.

Un sumergible cercano a vapor: el monitor USS

El USS Monitor (que se muestra arriba tal como apareció en el mar) era un buque de guerra a vapor que entró en servicio en 1861 y se usó durante la Guerra Civil de los EE. UU. que operaba con vapor con aire de un snorkle y estaba sumergido en su mayor parte, pero no del todo.

El primer submarino a vapor

El primer submarino a vapor jamás construido , el Ictíneo II, cuya reconstrucción se muestra arriba (basado en un predecesor de 1859), fue botado en 1867 y estuvo en funcionamiento durante unas veinte inmersiones durante dos años. Fue posible gracias al primer sistema de propulsión independiente del aire del mundo, una hazaña que no se repitió durante otros 70 años más o menos en la década de 1940. Tenía una profundidad máxima teórica de 500 metros, pero en realidad nunca se operó a más de 50 metros y, en teoría, podría permanecer sumergido hasta ocho horas.

Ictíneo (derivado de las palabras griegas pez y barco) fue botado en 1859 en el puerto de Barcelona. . . . El submarino, hecho de madera de olivo sostenido por anillos de roble y revestido en cobre de dos milímetros de espesor, medía solo 23 pies (7 metros) de largo y apenas ofrecía espacio suficiente para el capitán y los cuatro tripulantes que impulsaban el barco. . . .los pesos se pueden dejar caer inmediatamente a la superficie rápidamente en caso de una emergencia. Los puertos de vidrio en el costado, la parte superior y la nariz fueron diseñados para permitir que la presión del agua los empuje dentro del casco, lo que hace que las fugas sean prácticamente imposibles. . . . El interior del submarino estaba iluminado por una vela, que consumía el preciado oxígeno, aunque servía como indicador integral cuando el oxígeno comenzaba a agotarse. . . . La máquina podría permanecer sumergida durante 2 horas y sumergirse hasta una profundidad de 20 metros. . . . Robert Fulton, un estadounidense que vivía en Francia en ese momento, diseñó el exitoso "Nautilus", que comenzó a probarse en el Sena en 1800. Podía permanecer sumergido durante 5 horas mediante el uso de aire comprimido. El inventor alemán Wilhem Bauer lanzó su "Brandtaucher" en 1850 y su "Seeteufel" en 1856 (ambos se hundieron). El inventor estadounidense Horace Hunley lanzó "HLHunley", el primer submarino en hundir un buque de guerra enemigo (y el primero en hundirse 3 veces, matando a 25 personas) en 1863, unos años después[.] . . . No importa cuán avanzado fuera el Ictíneo en comparación con sus muchos contemporáneos, todavía tenía los mismos inconvenientes básicos que poseían muchos submarinos en ese momento: un alcance limitado como resultado del suministro de aire limitado y una velocidad muy baja. Todos los primeros submarinos fueron propulsados ​​por músculos humanos,

El Nautilus estaba equipado con una vela, pero obviamente solo podía usarse cuando navegaba en la superficie. Bajo el agua, el barco era propulsado por un tornillo helicoidal, girado a mano. El Ictíneo usaba pedales, necesitando 4 hombres para alcanzar una velocidad de 1 milla por hora (aproximadamente la misma velocidad del bote de remos submarino diseñado 3 siglos antes). Ese ritmo no siempre fue suficiente para vencer el efecto de las corrientes y mareas. . . .

Cuando el Ictíneo I fue aplastado por un carguero cuando estaba atracado en el puerto de Barcelona, ​​Monturiol decidió diseñar un submarino más grande que fuera propulsado por vapor. El Ictíneo II, de más del doble de longitud que el Ictíneo I, fue botado entre 1864 (con propulsión humana) y 1867 (con propulsión a vapor). Se convirtió en el primer submarino propulsado por un motor de combustión del mundo.

La idea en ese momento era que era casi imposible hacer funcionar una máquina de vapor bajo el agua porque consumiría todo el oxígeno y convertiría el interior del barco en un horno. Para superar esto, Monturiol inventó un horno químico basado en una reacción entre clorato de potasio, zinc y dióxido de manganeso, un proceso que producía suficiente calor para hervir agua para hacer funcionar la máquina de vapor. Para complementar este ingenio, la reacción desprendió oxígeno como subproducto.

Monturiol había resuelto con éxito los dos obstáculos básicos que se presentaban a los inventores de submarinos: el suministro de aire y la potencia mecánica. De hecho, ideó una forma temprana de propulsión anaeróbica (independiente del aire) que solo se repitió en la década de 1940 con la turbina Walter en Alemania y, finalmente, con el primer submarino atómico, el USS Nautilus.

El Ictíneo II fue el primero de su tipo que proporcionaba su propio oxígeno, sin salir a la superficie con regularidad ni utilizar un tubo respirador, como se ve en el Nautilus. . . . Con toda la maquinaria del buque, sólo cabían 2 hombres en el submarino originalmente diseñado para una tripulación de 20. El Ictíneo II realizó casi 20 maniobras de demostración sin problemas. Podría permanecer sumergido durante ocho horas y sumergirse a una profundidad de 50 metros. Monturiol calculó que la profundidad máxima posible era de 500 metros, pero optó por no correr el riesgo de sumergirse hasta esa profundidad.

En 1868, poco después de su botadura, el rompedor Ictíneo II fue incautado por el astillero y desguazado, junto con su antecesor. ¿La razón? Monturiol no pudo pagar las facturas.

El único otro famoso submarino a vapor

Los submarinos de vapor históricos más famosos fueron los submarinos británicos de clase K diseñados en 1913 y finalmente se consideraron un gran fracaso (la fotografía de arriba es de uno que encalló).

Los submarinos se hicieron más peligrosos porque los ocho mamparos internos se diseñaron y probaron durante el desarrollo para soportar una presión equivalente a solo 70 pies (21 m) , con el riesgo de colapsar si el casco se comprometía a una profundidad inferior a esta cifra. . . . Una inmersión desde una operación de superficie impulsada por vapor normalmente requería 30 minutos. Tiempo mínimo necesario para asegurar los motores principales, cambiar a motores de bateríay la inmersión en condiciones de emergencia fue de casi 5 minutos, lo que, aunque mejor que los 15 minutos del prototipo Swordfish, se consideró apenas adecuado. Los incendios de la caldera se extinguieron primero para evitar la acumulación sumergida de humos: una complicada serie de varillas y palancas hidráulicas y mecánicas bajaron los embudos gemelos uno del otro hasta una posición horizontal en los pozos de la superestructura y, al mismo tiempo, cerraron las escotillas sobre las tomas del embudo. . Asimismo, se cerraron los ventiladores de toma principal y las conexiones de agua de mar para condensadores y alimentación de calderas. Se consideró que con sus 24 nudos (44 km/h; 28 mph) de velocidad los submarinos podrían girar y dejar atrás casi cualquier amenaza si fueran atacados en la superficie, prescindiendo de la necesidad de un picado rápido. Esto fue quizás una ilusión,

La queja más citada sobre la clase era que los submarinos tenían 'Demasiados agujeros...' o aberturas en el casco presurizado que requerían ser aseguradas antes de que pudiera comenzar una inmersión, la mayoría de las cuales daban acceso aire/mar a partes del barco normalmente sin tripulación durante el buceo.

Un problema más grave eran las altas temperaturas en la sala de calderas, que se mitigó en cierta medida con la instalación de ventiladores más grandes. Navegar a gran velocidad tendía a empujar la proa hacia el agua, lo que empeoraba el ya deficiente comportamiento en la mar. Para solucionar esto, se agregó un arco de cisne bulboso, que también incorporó un tanque de lastre de "soplado rápido" para mejorar el manejo. Sin embargo, todavía había problemas; lo más vergonzoso es que en una fuerte tormenta, el agua de mar podría entrar en el barco a través de los cortos embudos gemelos y apagar el fuego de la caldera. . . . K3 mantuvo el récord no oficial de profundidad máxima de buceo (266 pies (81 m)) luego de un descenso incontrolado al fondo de Pentland Firth. El barco logró salir a la superficie sin más dificultades a pesar de pasar un período no registrado por debajo de la "profundidad de aplastamiento".

Una versión posterior mejorada alcanzó una profundidad máxima de buceo nominal de 250 pies (76 m).

Soluciones alternativas

Un enfoque alternativo habría sido construir una campana de buceo muy fuerte o batisfera (que se muestra arriba) que se elevaba y bajaba con un cabrestante desde un barco a vapor en la superficie.

La batisfera (en griego: βαθύς, bathus, "profundo" y σφαῖρα, sphaira, "esfera") era un sumergible esférico único en aguas profundas que no tenía motor y se bajaba al océano con un cable, y se usaba para realizar una serie de inmersiones. frente a la costa de las Bermudas de 1930 a 1934. La batisfera fue diseñada en 1928 y 1929 por el ingeniero estadounidense Otis Barton, para ser utilizada por el naturalista William Beebe para estudiar la vida silvestre submarina. Beebe y Barton realizaron inmersiones en la batisfera juntos, marcando la primera vez que un biólogo marino observó animales de aguas profundas en su entorno nativo. Sus inmersiones establecieron varios récords mundiales consecutivos para la inmersión más profunda jamás realizada por un ser humano. El récord establecido por el más profundo de estos, a una profundidad de 3,028 pies el 15 de agosto de 1934, duró hasta que Barton lo batió en 1949.

A fines de la década de 1920, la profundidad máxima que los humanos podían descender con seguridad con cascos de buceo era de 100 pies, ya que más allá de ese punto la presión se vuelve demasiado grande. Los submarinos de la época habían descendido a un máximo de 383 pies, pero no tenían ventanas, lo que los hacía inútiles para el objetivo de Beebe de observar animales de aguas profundas. Lo más profundo del océano que cualquier ser humano había descendido en este punto era de 525 pies con un traje blindado, pero estos trajes también dificultaban enormemente el movimiento y la observación. Lo que Beebe esperaba crear era una embarcación de aguas profundas que pudiera descender a una profundidad mucho mayor de la que cualquier ser humano había descendido hasta ahora, y que también le permitiera observar y documentar claramente la vida silvestre de las profundidades del océano.

El diseño de Barton requería un recipiente esférico, ya que una esfera es la mejor forma posible para resistir altas presiones. La esfera tenía aberturas para tres ventanas de 76 mm (3 pulgadas) de espesor hechas de cuarzo fundido, el material transparente más fuerte disponible en ese momento, así como una escotilla de entrada de 400 libras que debía cerrarse con pernos antes de un descenso. Inicialmente, solo se montaron dos de las ventanas en la esfera y se montó un tapón de acero en lugar de la tercera ventana. El oxígeno se suministró desde cilindros de alta presión llevados dentro de la esfera, mientras que se montaron recipientes de cal sodada y cloruro de calcio dentro de las paredes de la esfera para absorber el CO2 exhalado y la humedad. Los ocupantes de la batisfera debían hacer circular el aire a través de estas bandejas utilizando ventiladores de hojas de palma.

General Electric proporcionó una lámpara que se montaría justo dentro de una de las ventanas para iluminar a los animales fuera de la esfera, y Bell Laboratories proporcionó un sistema telefónico mediante el cual los buzos dentro de la esfera podrían comunicarse con la superficie. Los cables para el teléfono y para proporcionar electricidad a la lámpara estaban sellados dentro de una manguera de goma, que ingresaba al cuerpo de la batisfera a través de un prensaestopas. . . . Después de que se lanzó la versión inicial de la esfera en junio de 1929, se descubrió que era demasiado pesada para levantarla con el cabrestante que se usaría para bajarla al océano, lo que requirió que Barton fundiera la esfera y la volviera a lanzar. . El diseño final, más liviano, consistía en una esfera hueca de acero fundido de 25 mm (1 pulgada) de espesor que tenía 1,5 m (4,75 pies) de diámetro. Su peso era de 2,25 toneladas sobre el agua,

Si bien esto se desarrolló en realidad en 1928, según una publicación anterior de StackExchange sobre el tema , la tecnología necesaria existía a fines del siglo XIX.

Parece que la fuerza del cabrestante y no la capacidad de la estructura para superar la presión fue el factor limitante en la profundidad máxima de la batisfera, y ese es un problema que podría haberse superado en la era del vapor con una fuente de financiación más ambiciosa.

La presión en el fondo de la fosa de las Marianas es de unas 8 toneladas por pulgada cuadrada... unas 1000 atmósferas. No puede calentar el agua lo suficiente como para hervir a esa temperatura, por lo que su caldera debería estar dentro del recipiente a presión del submarino.

Una máquina de vapor necesita una fuente de calor... mucho calor. Es decir, debe sentarse junto a la cámara de combustión y la caldera dentro de una lata de acero sellada.

Así que te quedarías sin aire muy rápido, tienes un incendio allí, no solo unas pocas personas, las personas que lo intentan morirían de asfixia mucho antes de llegar tan profundo. Es peor que hacer funcionar un motor IC en un contenedor sellado... los submarinos nunca podrían funcionar bajo la superficie con motores diésel o de gasolina, necesitaban tubos de ventilación o funcionaban con baterías cuando estaban a más profundidad que justo debajo de la superficie antes de submarinos nucleares. Mire lo "mejor" que se podía hacer usando vapor y embarcaciones bajo el agua en la década de 1860... el USS Monitor, por ejemplo, se hundió porque entró agua a través de las rejillas de ventilación.

Si hace funcionar una máquina de vapor en un submarino, necesita impulsar las hélices fuera del recipiente a presión. Por lo tanto, necesita sellos giratorios que puedan sobrevivir a una presión de 1000 atmósferas sin fugas. Esa es una gran demanda de tecnología que solo está inventando la máquina de vapor.

Entonces, en una era temprana del vapor, debe tener una fuente de calor que no involucre un incendio (¿necesita una industria nuclear en funcionamiento?) Y necesita alguna forma de impulsar a través de un recipiente a presión (necesita generadores y motores eléctricos en funcionamiento ?). Estás pidiendo un ciclo de desarrollo muy desequilibrado, un mundo con reactores y generadores nucleares que aún no tiene tecnología de máquinas de vapor... eso es un poco como esperar que los caballeros medievales estén equipados con sables de luz.

Es imposible porque Challenger Deep no era muy conocido en la época de las máquinas de vapor.

Challenger Deep se encontró en 1875, pero es cierto que no se conoció hasta la década de 1950. Un hipotético submarino que intentara alcanzarlo en 1876 estaría diseñado para remontar sólo 8.000 metros. Pero es real profundo es 11.000.

En su libro Seven Miles Down , Jacques Piccard cuenta que solo diez años antes de su histórico viaje al fondo de las profundidades en 1960, creía que la Fosa de Filipinas era el lugar más profundo de la Tierra.