Енергетична автономність солдата — живлення для розумної броні, AR-шоломів, сенсорів: експерт розповів про спорядження для «воїна майбутнього»

Сучасне поле бою стає дедалі більше цифровим: від AR-шоломів до систем моніторингу стану здоров’я та екзоскелетів, що підсилюють можливості бійця.

Однак за кожною інновацією стоїть критичне питання — де брати енергію, щоб усе це працювало годинами в умовах відриву від баз забезпечення? Сьогодні концепція «воїна майбутнього» — це не лише про зброю, а й про складну екосистему гаджетів, яка потребує компактних, легких та витривалих джерел живлення.

Як забезпечити енергетичну автономність солдата, які технології «розумної броні» вже є ефективними в екстремальних умовах? Про це та інше ми поспілкувалися з Богданом Долінце, кандидатом технічних наук та експертом з питань розвитку озброєння та новітніх технологій.

У нашому інтерв’ю він розкриває деталі того, як технологічний прогрес змінює спорядження сучасного захисника та які виклики стоять перед інженерами в гонитві за «нескінченною» батарейкою для фронту.

Концепція «Цифрового солдата» та енергетичний виклик

— Пане Богдане, сьогодні піхотинець поступово перетворюється на складний апаратний комплекс: AR-шоломи, нічна оптика, системи зв’язку, датчики стану здоров’я. Наскільки критично зараз стоїть питання саме енергозабезпечення цього обладнання?

— Розглядаючи питання енергозабезпечення індивідуального обладнання бійця на полі бою, то воно дійсно поступово «набирає» все більшої ваги. Адже сучасна війна переходить від парадигми солдата з механічною зброєю до певного такого воїна як інформаційної точки взаємодії і впливу на поле бою.

І якщо раніше відсутність енергетичного живлення, як правило, означала лише втрату зв’язку із командним центром чи з опорним пунктом, то в умовах поля бою наступного покоління мова вже йде про загалом втрату ситуаційної обізнаності, Здатності можливості координувати дії підрозділу, наводити безпілотні літальні апарати, коригувати дію засобів середнього та великого радіусу ураження, які можуть підтримувати бойові дії з віддалених захищених позицій.

І друга важлива складова — це те, що зі збільшенням кількості засобів, які кожен конкретний солдат використовує на полі бою, зростає і сама споживана потужність того обладнання і екіпіровки, якою він користується.

Якщо йдеться про пікові навантаження, то на сьогодні вони можуть становити від 10 до 50, іноді навіть до 100 ватт, коли застосовані індивідуальні засоби радіоелектронної боротьби. Тому питання енергоефективності солдата на полі бою фактично переходить в площину виживання, а не лише комфорту.

— Чи існує межа ваги, яку солдат може нести у вигляді акумуляторів, і чи не нівелює ця вага переваги від використання розумних гаджетів?

— Тут варто підкреслити, що фізіологічні обмеження лишаються для людини незмінними. Тобто оптимальне бойове навантаження на одного бійця не повинно перевищувати 30 відсотків від маси його тіла.

І проблема в тому, що елементи живлення можуть бути не тільки достатньо об’ємними, а й важкими. Разом з обладнанням, які від них живляться, вони можуть становити ту додаткову корисну вагу, яку здатен нести військовослужбовець. І якщо ця сумарна ноша буде збільшуватися, це, безпосередньо, впливатиме на втрату швидкості й мобільності самого бійця.

І головний тренд, який ми бачимо на сьогодні, якраз спрямований на досягнення декількох ключових характеристик. Це зниження енергоспоживання, що дозволяє зменшувати кількість та об’єм і ємність цих батарей та їхню вагу. Друге, це пошук і розвиток джерел живлення, які були мініатюрнішими, легшими та більш відповідали умовам експлуатації. Це критичні батареї, вони так само достатньо вразливі до зниження зовнішньої температури, що впливає на зменшення ємності.

Тому пошук нових альтернативних засобів накопичення і збереження енергії лишається актуальним.

Присутній певний тренд у появі і таких засобів, які дозволяють генерувати електричну енергію за рахунок руху самої людини. За аналогією з електромобілями: коли необхідно прискоритись, використовуються батареї. А коли пригальмувати, то використовуюються, як правило, не гальмівні колодки, а здійснюється підзарядка елементів живлення для того, щоб відновити хоча б частину заряду.

І не останню роль у цих процесах відіграватиме поява такого нового виду екіпіровки для військовослужбовця на полі бою, як екзоскелети, які ще декілька років тому були чимось фантастичним і нереальним.

А нині ми бачимо вже не тільки їхню появу, наприклад, на промислових підприємствах, на складах. Там вони дозволяють працівникам безпечніше переміщувати вантажі більшої ваги, ніж людина здатна транспортувати власноруч без таких засобів.

Звісно, це спорядження, поки що не з дешевих і коштує десятки тисяч гривень. Але воно вже з’являється і в українському війську. Такі екзоскелети поки що застосовуються в експериментальному режимі і не безпосередньо на полі бою. Йдеться про прифронтову та тилову логістику та роботи, пов’язані з ремонтом та обслуговуванням важкої техніки.

— Які основні вимоги висуваються до «мілітарі-павербанків» сьогодні, якщо порівняти із цивільними аналогами (ударостійкість, температурні режими, захист від виявлення)?

— Прилади та пристрої армійського призначення достатньо суттєво відрізняються від цивільних аналогів. Це і про відповідність військовим стандартам, якщо ми говоримо про країни НАТО, то це STANAG 810G, який вимагає високої стійкості таких приладів до вібрації, падінь, контакту з водою.

Друга важлива умова — це  діапазони роботи. Це робота в температурних межах від −40°C до +70°C. Тобто це і холод, і жара, та ще й помножені на можливість роботи на різних висотах.

Але найважливіше — це так звана низька теплова сигнатура. Адже, якщо ми розглядаємо цивільні павербанки, то під час швидкої зарядки вони віддають достатньо велику кількість тепла. В умовах військових завдань такі батарейки перетворюються на яскраві мішені для відображення на ворожих тепловізорах, і можуть призвести до демаскування військовослужбовців. Як наслідок — створюється додаткова загроза.

Тому сучасні засоби накопичення енергії оборонного призначення, як правило, мають спеціальні термоізолюючі та радіопоглинаючі матеріали, ключовим завданням яких є уникнути демаскування військовослужбовця, як в інфрачервоному спектрі, так і для засобів радіоелектронної розвідки.

Новітні технології акумуляції: від літію до мікрорішень

— Ми звикли до літій-іонних батарей, але вони мають певні обмеження. Які альтернативи (наприклад, літій-сірчані, твердотільні акумулятори або паливні елементи) ви бачите найбільш перспективними для індивідуального спорядження?

— Номенклатура різних типів батарей залежить від умов та завдань експлуатації. І вона продовжує розширюватись. Майбутнє належить саме твердотільним акумуляторам.

Головна їхня перевага — це  безпека. Тобто, якщо осколок чи куля пробивають або пошкоджують літієвий акумулятор, то від цього, як мінімум, може статися теплове загорання. А в деяких випадках можливий навіть невеликий вибух, який може призвести до травмування самого військовослужбовця.

Твердотільні елементи використовуються в багатьох сферах, зокрема і в лінійці засобів, які витримують великі перевантаження — балістичні ракети тощо.

З’являються і нові технології. З найбільш цікавих, напевно, на сьогодні є поява так званих натрієвих батарей, які демонструють достатньо широкий спектр застосування. І з високою ймовірністю можуть стати наступним поколінням саме військових джерел живлення для використання як солдатами, так і в різних безпілотних платформах.

— Мікроакумулятори: наскільки реально інтегрувати елементи живлення безпосередньо в тканину уніформи або в окремі пластини «розумної броні»?

— Якщо говорити про інтегровані або так звані структурні батареї, то сама така ідея не є новою. Але її впровадження в реальні вироби тільки починається.

Такі засоби живлення, зокрема, вже використовують автовиробники, вбудовуючи такі елементи в сам корпус автомобіля. У стійки, в різні елементи конструкції, заповнюючи їх для того, щоб зменшувати загальну вагу автомобіля. Це дозволяє збільшувати як дистанцію, яку транспортний засіб може пройти без підзарядки, так і підвищувати надійність самої його конструкції.

Тобто, якщо говорити вже про умовне екіпірування військовослужбовця, то, звісно, що нести окремо акумулятор в підсумку чи в рюкзаку — це додатковий об’єм, це вага, яка додається до маси бронежилета та шолома.

І можливість перенесення цих елементів живлення в саму броню або в якісь елементи екіпірування є достатньо цікавою. Адже дозволяє практично без суттєвої зміни загальної маси використовувати дані елементи як певне джерело живлення.

З іншого боку, поки що ми не бачимо якихось технології або матеріалів, які б дозволили робити це безпечно. Без втрати тактико-технічних характеристик самих бронежилетів та касок. Тому, можливо, ці технології будуть розвинуті дещо пізніше.

Крім того, залишається питання безпосередньої передачі самої енергії. Необхідно створювати відповідні вуглецеві волокна, які можуть виступати електродами, або спеціальні тверді електроліти, які можуть бути сполучені в такому екіпірування.

Не виключаю, що перші тестові зразки таких рішень ми побачимо в найближчі 5–10 років. І вони зможуть слугувати як джерелом живлення, так одночасно, і балістичними пластинами, або елементами броні як для окремо взятих військовослужбовців, так і техніки.

— Чи розглядаються рішення на базі водневих паливних картриджів для тривалих автономних місій, де немає можливості підзарядки від мережі?

— Технологія водневих енергетичних елементів розвивається. І деякі українські виробники безпілотників її тестують і намагаються інтегрувати у свої вироби. Але ми поки що не бачимо якогось масового поширення таких рішень. Це пов’язано зі складною інфраструктурою виробництва, зберігання та використання таких водневих картриджів.

Дійсно, вони мають великий спектр переваг. Це і безшумна робота, і відсутність шкідливих викидів, адже побічним продуктом їхньої роботи є водяне випаровування і невелика кількість тепла.

Заміна теплового картриджу, залежно від платформи, може займати лише хвилини, що набагато швидше, ніж чекати підзарядки класичних типів батарей. Але найбільшим викликом залишається саме наявність та розбудова інфраструктури для роботи з такими елементами.

По-друге, все ж таки водень є достатньо небезпечним як вибухова речовина. Тому його виробництво, зберігання та транспортування подібних носіїв енергії має певні загрози, мінімізацію яких набагато складніше забезпечити для відповідності військовим стандартам.

— Технологія Energy Harvesting дозволяє отримувати енергію з навколишнього середовища. Які рішення для збору енергії з кінетики руху солдата (п’єзоелементи в підошвах, екзоскелетні генератори) вже проходять тестування?

— Розглядаючи питання засобів генерації або рекуперації енергії, яку виділяє або генерує військовослужбовець, то тут основною технологією на сьогодні є саме використання екзоскелетів як елементів посилення можливостей і розширення спектру завдань для військовослужбовця. Як фактичний елемент власної підзарядки.

Ajnj 8/ Енергозбирання (Energy Harvesting): електрика з руху та тепла. Візуалізація:

Тобто, після підняття важкого предмета, під час його опускання, такий екзоскелет виконує роль генератора і дозволяє повертати частину енергії. Однак об’єми такої генерації є насправді невеликими. І можуть становити десь від 10 до 15 ват.

Але це цілком достатньо для того, щоб утримувати заряд самої системи на ходу, причому без додаткових фізичних зусиль для військовослужбовця.

— Термоелектричні генератори: чи можливо ефективно перетворювати тепло людського тіла в електроенергію для живлення дрібних сенсорів?

— Розглядаючи питання живлення натільних засобів, зазначу, що нині вже існують такі рішення. Переважно це медичні вироби, певні спеціальні патчі або сенсори, які можуть контролювати тиск, рівень кисню, та інші фізіологічні показники бійця. Але коефіцієнт корисної дії таких термоелектричних матеріалів поки що залишається низьким.

Як правило, цієї енергії вистачає для живлення мініатюрних засобів, які мають низьке енергоспоживання. Для таких мікропристроїв можуть мати суттєвий вплив перепади температур між тілом і навколишнім середовищем, що і дозволяє живити ці системи.

Але це точно не про якісь потужні рішення. Наприклад, заживити від енергії тіла той же тепловізор або планшет військовослужбовця, то поки що ми не бачимо відповідних матеріалів, які б дозволили набрати необхідну кількість енергії.

— Чи існують розробки гнучких сонячних панелей, які можна інтегрувати в камуфляж без ризику демаскування солдата у ближньому інфрачервоному спектрі?

— Щодо гнучких сонячних панелей, фотоелектричних засобів накопичення, то у світі дані технології достатньо активно розвиваються. Вже є відповідні тонко-плівкові елементи, які можна наносити і на тканину, і вшивати їх у матеріал.

Але ключовим викликом для таких елементів залишається випромінювання. Бо сучасні сонячні панелі під час своєї роботи, збираючи теплову і сонячну енергію, при цьому є і достатньо демаскуючими та помітними на відповідних приладах тепловізійного виявлення.

Тому такі засоби наразі створюють більше ризиків, ніж достатньої цінності для бійця. Далі, вони, поглинаючи тепло і розсіюючи його, створюють певну відмінність від природного рельєфу місцевості. А поява якихось нових матеріалів та підходів профільного збору енергії, яка створювала б менший контраст з навколишнім середовищем, це, напевно, наступне покоління таких фотоелектричних елементів, яке може з’явитися, напевно, у найближче десятиліття.

Живлення для AR-систем та розумної броні

— AR-шоломи (доповнена реальність) споживають величезну кількість енергії через обробку відео в реальному часі. Як вирішується питання автономності таких систем, щоб вони не «гасли» посеред бою?

— Шоломи доповненої реальності та схожі технології представляють собою не що інше, як достатньо потужні обчислювальні центри, вбудовані в сам такий захисний виріб. Крім того, це ще і засоби зв’язку, комунікації з бійцями в мережі або з дата-центром. Це і певні додаткові засоби відображення з окулярів.

Такі рішення, навіть найбільш енергоефективні, можуть вимагати значного рівня живлення для мобільних девайсів, який  декілька десятків ватт. Якщо мова йде про 10 або більше годин активних бойових дій, бійцю необхідно забезпечити щонайменше 400 ватт, що вже є достатньо складним викликом.

І без використання спеціальних матеріалів, додаткових джерел компенсацій енергії такий шолом не буде автономним. Він зможе працювати не більш ніж пару годин, що в цілому є недостатнім. Тому головний підхід тут якраз у так званій розділеній архітектурі. Тобто, коли частина обчислювальних потужностей і процесорів можуть бути вбудовані у сам шолом.

Це призводить до надмірної ваги, що позначається на передчасній втомі військовослужбовця. Такі пристрої можуть нагріватися, створюючи певний дискомфорт. Тому обчислювальні блоки та основний акумулятор можуть бути винесені за межі самого шолому, для того щоб розвантажити спину.

А в самій системі, в шоломі, залишити лише ключові елементи без яких неможливо працювати. Маю на увазі дисплеї та камери, з’єднані захищеними мікрокабелями, або відповідним каналом зв’язку.

А більш складні компоненти, які виділяють тепло та вимагають більше енергії, можуть бути розміщені або на самому екіпіруванні військовослужбовця або на якихось додаткових автономних системах, які можуть працювати разом з бійцем.

Маю на увазі ті ж наземні безпілотні системи, такий собі мобільний пункт перевезення вантажу. І при цьому військовослужбовець може використовувати такі НРК ще й для доставки боєкомплекту або заміни зброї у разі зміни завдань на полі бою.

— Розумна броня: якщо ми говоримо про рідку броню або сенсорні панелі, що фіксують влучання, чи потребують вони постійного активного живлення, чи працюють за пасивним принципом?

— Деталізуємо щодо так званої рідкої броні. Тобто такої, яка може густішати, наприклад, при зовнішньому тиску або впливі при влучанні ворожого набою. Такі системи є переважно пасивними: а якщо не потребують надвеликого живлення, то мова може йти про дуже-дуже низькі його рівні, які не перевищують декількох Ватт.

Далі, такі рідкі бронеелементи можуть твердішати суто від зовнішнього впливу — кінетичної енергії. Тобто вони здійснюють поглинання енергії від влучання кулі чи снаряду під час зіткнення з ними. І перетворювати її в опір, створюючи достатньо міцну зону для підвищення в’язкості. Щоб набої застрягали в ній.

Якщо розглядати сенсорні сітки, що фіксують місце ураженням на броні, то вони працюють за принципом мікроживлення. А саме — перебувають в режимі «глибокого сну» і генерують електричні імпульси безпосередньо тільки в момент механічної деформації або контакту зі стороннім предметом, подаючи додаткову інформацію в тактичній системі. Наприклад, тому ж самому медику, у разі поранених бійця.

Логістика та майбутнє

— Бездротова передача енергії: чи побачимо ми в майбутньому «зарядні станції» в бронетехніці або бліндажах, які дистанційно підживлюватимуть екіпірування бійця?

— Розглядаючи дистанційні засоби підживлення, то нині є різні рішення у вигляді прототипів. Зокрема, використовуються бездротові системи. Наприклад, засоби з магнітним резонансом, інтегровані в обладнання або техніку. Наприклад, бронетранспортери або гелікоптери.

Бійцю достатньо просто сісти в таку техніку, і його індивідуальні засоби живлення почнуть перезаряджатися, поповнювати свої енергетичні запаси. Військовослужбовець навіть не буде звертати уваги або знати про те, що це відбувається, за аналогією з тими ж сучасними мобільними телефонами або годинниками, які використовують бездротові зарядки.

Ще одним варіантом можуть бути так звані локальні розподілені системи енергопередачі. Тобто, коли військовик зі своїми батареями перебуває на невеликій відстані від самої техніки, чи джерела такого живлення, його відповідні девайси можуть почати отримувати хоч і невелику, але достатнью для підзарядки енергію. Але поки такі системи перебувають радше на рівні прототипів. І чи дійсно вони отримують якісь перспективи на майбутньому полі бою, питання залишається відкритим.

— Як ви оцінюєте розвиток технологій швидкої зарядки для військових потреб? Чи реально зарядити весь «комплект солдата» за 5–10 хвилин?

— Щодо швидкісні «зарядок», то навіть найжвавіші наявні нині рішення щодо відновлення батарей з тими технологіями, які є, то вони вимагають щонайменше 30 і більше хвилин до поповнення енергоресурсу.

Дійсно, цей час може бути теоретично скорочений, але не більше ніж удвічі. І все одно час підживлення становитиме десятки хвилин. І при цьому буде достатньо велике теплове виділення. Розробники сучасних акумуляторів намагаються рухатись в напрямку використання тих самих графенових полімерів, або суперконденсаторів, які здатні приймати величезні струми за лічені хвилини.

Але основна проблема нині полягає у надвисокій вартості таких джерел енергії. Адже для того, щоб передали таку потужність за 5–10 хвилин, необхідні надпотужні джерела генерації енергії. Тобто якась польова електростанція або можливість підключення до лінії високовольтних передач, що в цілому не завжди може бути доступним.

І, як наслідок, ми бачимо, що все ж таки час зарядки навряд чи в продовжиться скорочуватись. Єдиним ефективно працюючим і відносно недорогим з точки зору інфраструктури рішенням все ж таки залишається можливість фізичної заміни батареї або якогось основного джерела живлення. Фактично як заміна магазину для зброї на новий заряджений.

— Яке ваше бачення образу солдата через 10 років: це людина, обвішана дротами, чи повністю інтегрована система, де кожна деталь спорядження є одночасно і накопичувачем енергії?

— Якщо ми говоримо про питання, які досліджували в цьому інтерв’ю вище, то це про перехід до бездротових технологій. Це означає, що кількість всіляких струмопроводів та дротів на обмундируванні та одязі військовослужбовця ставати все меншим.

В якийсь момент шнурів не буде взагалі, або вони будуть повністю інтегровані в екіпіруванні. І військовослужбовець не буде відчувати їх наявність. Друге, це поява так званої концепції електричного текстилю, який дозволяє вбудовувати струмопровідні нитки як для передачі самої енергії до різних пристроїв, так і керуючих сигналів.

Тобто за 10 років екіпірування військовослужбовця функціонуватиме як єдиний інтегрований організм за аналогією з тими самими екзоскелетами. Це буде додатковий цифровий шар шкіри, який виконуватиме набагато більше завдань. Він буде і сенсором, і джерелом живлення, і джерелом захисту.

А такі елементи екіпірування, як каска, броня, взуття, вони будуть частиною або ж окремими вузлами цієї єдиної персональної енергомережі військовослужбовця. Спорядження ставатиме одночасно і бронею, і антеною, і акумулятором, роблячи солдатам максимально автономним, непомітним для ворожих сенсорів, і більш загрозливим.

Источник: armyinform.com.ua