Червоподібні роботи встановлюють лінії електропередач під землею. Біотехнологічний підхід спрощує підземне будівництво
Після січневих лісових пожеж у Південній Каліфорнії питання про побудову підземних комунікацій енергетичної інфраструктури для запобігання майбутнім пожежам набуло нової актуальності в США. Хоча точна причина пожеж залишається предметом розслідування, комунальні підприємства Каліфорнії вже кілька років прокладають підземні лінії електропередач саме з метою зниження пожежної небезпеки. Підземне будівництво вимагає нових технологій
Представники компанії Pacific Gas & Electric, яка з 2021 року проклала понад 1287 км підземних ліній електропередач, заявляють, що такий метод прокладання комунікацій на 98% знижує ризик загоряння. Компанія Southern California Edison закопала понад 40% своїх розподільчих ліній високої напруги, а 63% регіональної розподільчої системи San Diego Gas & Electric тепер перебувають під землею.
Висока вартість підземного будівництва залишає значну частину енергосистеми США, а це 8,8 млн. км розподільних ліній та 180 млн. стовпів електропередач, вразливою для випадків, що призводять до займання та виникнення пожеж
Визнаючи необхідність економічно ефективних рішень для підземного прокладання, Міністерство енергетики США у січні 2025 року запустило програму GOPHURRS. У рамках цієї 3-річної програми буде виділено $34 млн. на 12 проектів з розробки більш ефективних технологій підземного прокладання енергетичної інфраструктури, які, на думку фахівців галузі, мінімізують випадки порушення поверхні комунікацій.
Одним із одержувачів грантів на технологічні розробки став Університет Кейс Вестерн Резерв у Клівленді (штат Огайо). Співробітники університету розробляють самохідну роботизовану систему, яка імітує характерний для людського кишечника перистальтичний рух, також схожий на рух дощових хробаків у грунті.
Концепція “перистальтичного трубопроводу” Кейса, що отримала $2 млн., спрямована на розробку більш точної навігації роботизованої системи під землею та зниження ризику ненавмисного ушкодження вже існуючих комунікацій, наприклад, ушкодження існуючої труби
Чому підземне будівництво таке дороге?
Незважаючи на свої переваги, підземне прокладання залишається дуже дорогим. Згідно з оцінками трьох найбільших комунальних підприємств Каліфорнії, на сьогодні воно становить від $1,1 до $3,7 млн. за км для розподільчих ліній та від $3,7 до $62 млн. за км для ліній електропередач. Це значно дорожче, ніж створювати надземну інфраструктуру, вартість якої становить: від $394 000 до $472 000 за км для розподільчих ліній та від $621 000 до $6,83 млн. за км для ліній електропередач.
Найпопулярніший метод підземної прокладки ліній електропередач, званий відкритою траншеєю, вимагає масштабних земляних робіт, встановлення трубопроводів та зворотного засипання, що робить його дорогим і складним з погляду як операційних витрат, так і логістики. До того ж, такий метод прокладання часто неможливий у густонаселених міських районах, де підземна інфраструктура вже перевантажена водопроводом, оптоволокном та іншими комунікаціями
Безтраншейні методи, такі як горизонтальне спрямоване буріння (ГСБ), забезпечують менш інвазивний (що впливає на навколишнє середовище) спосіб прокладання ліній електропередач під автомобільними дорогами та залізницями, створюючи контрольований шлях буріння, який починається під невеликим кутом входу, що поглиблюється для подолання перешкод у виході. Але ГСБ ще дорожче, ніж відкрита траншея, через спеціалізоване обладнання, складні робочі процеси та ризик пошкодження існуючої інфраструктури.
Враховуючи високі витрати, комунальні підприємства часто віддають перевагу дешевшим стратегіям протипожежного захисту, таким як обрізання довколишніх дерев та інших рослин, використання ізольованих провідників та збільшення кількості планових перевірок та ремонту. Хоча ці заходи не такі ефективні, як підземне прокладання, вони завжди були основним способом контролю, тому що ці методи більш швидкі та дешеві для контролю за підземною інфраструктурою.
Тед Курі, директор з енергетичних досліджень у Центрі досліджень комунальних підприємств Університету Флориди, який ретельно вивчив витрати і вигоди підземного прокладання, каже, що технології, які реалізують удосконалення спрямованого буріння можуть зробити підземне прокладання більш практичним в міських або густонаселених районах, де відкрита траншея та пов’язані з нею порушення навколишньої інфраструктури можуть призвести до непередбачуваного зростання витрат та непрогнозованих втрат в архітектурі інфраструктури
Робототехніка, натхненна дощовими хробаками, для ліній електропередач
У роботі над системою червоподібного буріння Кейса, секції, що чергуються, призначені для розширення і стиснення, щоб закріпити і просунути машину. Ця гнучкість і сила, що впливає на неї, підвищують точність буріння і знижують ризик зіткнення і пошкодження труб.
Традиційні методи вимагають великих радіусів повороту, що перевищують часом 300 м, але радіус повороту при бурінні за допомогою системи Кейса в 1,5-2 м дозволить пристрою гнучко маневрувати навколо існуючої інфраструктури.
“Ми використовуємо спеціальні приводи для зміни довжини та діаметра кожного сегмента”, – говорить Кетрін Далторіо, доцент інженерного факультету та співдиректор Лабораторії біологічно натхненної робототехніки Кейса. “Короткі та товсті сегменти притискаються до стінок нори, потім вони закріплюються, щоб тонкі сегменти могли просунутися вперед. Якщо два сегменти не торкаються землі, але вони одночасно змінюють довжину, ваші якорі не прослизають, і ви просуваєтеся вперед”
Далторіо та її колеги понад 10 років вивчали робототехніку, натхненну життям дощових черв’яків. Спочатку технологія була призначена для хірургічних операцій та операцій в обмеженому просторі. Все це було до того, як вчені та розробники змогли усвідомити потенціал такої системи для підземного прокладання ліній електропередач. Робот-хробак Університету Кейс Вестерн Резерв може рухатися і маневрувати швидше, ніж інші системи підземного буріння, що існують сьогодні. До того ж, такий підхід допомагає уникнути перешкод.
Традиційний метод ГСБ заснований на проштовхуванні бурової головки через ґрунт, що потребує великої сили тиску зі збільшенням довжини буріння. Концепція буріння від Университету Кейса сама генерує силу, необхідну наконечнику, з перистальтичних сегментів усередині свердловини. В міру подовження шляху лише передні сегменти заглиблюються. “Якщо робот на щось натикається, оператори можуть відступити та змінити напрямок, прокладаючи нору або обминаючи перешкоди, або шляхом поглиблення бурової машини, що допомагає досить оперативно завершити весь процес прокладання тунелю”, – говорить Далторіо.
Ще одна ключова відмінність такої системи від класичного ГСБ — інтегрована установка трубопроводу. У ГСБ спочатку бурять усю довжину, а потім протягюють силовий трубопровід. Перистальтичний робот Кейса прокладає трубопровід під час руху, скорочуючи загальний час встановлення та витрати
Досягнення точності буріння
Далторіо відзначає, що сучасні методи підземного прокладання включають заливку бетону навколо лінії перед зворотною засипкою, щоб захистити її від майбутніх розкопок, що є проблемою для існуючих безтраншейних методів. Але проект Кейса несе дві основні переваги. По-перше, завдяки кращому розумінню конструкції свердловини інженери мають більшу гнучкість у виборі матеріалів трубопроводу відповідно до стандартів для конкретних середовищ. Крім того, досягнення точності буріння можуть звести до мінімуму ймовірність майбутніх збоїв через діяльність людини.
“Перистальтичний підхід до прокладання трубопроводів цікавий і, схоже, вирішує масу проблем, пов’язаних з величезною різноманітністю підземних перешкод”, — говорить Курі з Університету Флориди. Однак він підкреслює більш серйозну проблему, пов’язану з інноваціями в галузі підземного прокладання — і не тільки з системою від Кейсу — она полягає у тому, що система повинна відповідати середовищу, що постійно змінюється. Сьогоднішнє підземне середовище сильно відрізнятиметься через 10 років, оскільки змінюються профілі ґрунту, ростуть дерева, тварини риють нори, а люди копають і будують. Підземні кабелі прослужать десятиліття, і стійкість цих технологій залежить від того, як вони адаптуються до цієї структури, що змінюється”, – додав Курі.
Команда Далторіо співпрацює з кількома партнерами одночасно: Університет Оберна в Алабамі надає геотехнічну експертизу, Університет Стоуні-Брук у Нью-Йорку проводить моделювання, а Техаський університет в Остіні вивчає взаємодію відкладень.
Мета проекту — скоротити вдвічі витрати на підземні роботи, хоча Далторіо попереджає, поки що занадто рано брати на себе зобов’язання щодо конкретної моделі витрат. Проте потенціал економії часу видається перспективним. “При традиційних підходах планування, отримання дозволів та складання графіків можуть зайняти місяці”, – говорить Далторіо.
Спростивши процес, можна буде провести кілька перевірок у кінцевих точках, кілька днів автономного копання з мінімальним порушенням руху нагорі, а потім кілька днів очищення, зрощування та перевірки. За словами розробників, необхідно розпочати випробування якомога раніше.
Автор: SHANNON CUTHRELL (https://spectrum.ieee.org/)
Підготовлено до публікації: Ua-Bud.Media
Також рекомендуємо прочитати:
Вкладена у будівництво житла гривня збільшує ВВП на 6,7 грн – експерти
Нове життя облицювальної цегли
Як ігри-симулятори будівництва можуть допомогти у розвитку інтересу до галузі молоді (з відео)
Як поділитися новинами та досягненнями, донести галузеву експертну інформацію до широкої аудиторії?
