Червеобразные роботы устанавливают линии электропередач под землей. Биотехнологический подход упрощает подземное строительство
После январских лесных пожаров в Южной Калифорнии вопрос о построении подземных коммуникаций энергетической инфраструктуры для предотвращения будущих пожаров приобрел новую актуальность в штате. Хотя точная причина пожаров остается предметом расследования, коммунальные предприятия Калифорнии уже несколько лет прокладывают подземные линии электропередач, именно с целью снижения пожароопасности. Подземное строительство требует новых технологий
Представители компании Pacific Gas & Electric, которая с 2021 года проложила более 1287 км подземных линий электропередач, заявляют, что такой метод прокладки коммуникаций на 98% снижает риска возгорания. Компания Southern California Edison закопала более 40% своих распределительных линий высокого напряжения, а 63% региональной распределительной системы San Diego Gas & Electric теперь находятся под землей.
Подземное строительство всегда отличалось высокой стоимостью, благодаря чему значительную часть энергосистемы США, а это 8,8 млн. км распределительных линий и 180 млн. столбов электропередач, по-прежнему уязвимы для случаев, которые приводят к возгоранию и возникновению пожаров
Признавая необходимость экономически эффективных решений для подземной прокладки, Министерство энергетики США в январе 2024 года запустило программу GOPHURRS. В рамках этой 3-летней программы будет выделено $34 млн. на 12 проектов по разработке более эффективных технологий подземной прокладки энергетической инфраструктуры, которые, по мнению специалистов отрасли, минимизируют случаи нарушения поверхности коммуникаций.
Одним из получателей грантов на технологические разработки стал Университет Кейс Вестерн Резерв в Кливленде (штат Огайо). Сотрудники университета разрабатывают самоходную роботизированную систему, которая имитирует характерное для человеческого кишечника перистальтическое движение, схожее на движение дождевых червей в почве.
Концепция “перистальтического трубопровода” Кейса, получившая $2 млн. направлена на разработку более точной навигации роботизированной системы под землей и снижение риска непреднамеренного повреждения уже существующих коммуникаций, например, повреждения существующей трубы
Почему подземное строительство так дорого?
Несмотря на свои преимущества, подземная прокладка остается очень дорогой. Согласно оценкам трех крупнейших коммунальных предприятий Калифорнии на сегодня она составляет от $1,1 до $3,7 млн. за км для распределительных линий и от $3,7 до $62 млн. за км для линий электропередач. Это значительно дороже, чем создавать надземную инфраструктуру, стоимость которой составляет: от $394 000 до $472 000 за км для распределительных линий и от $621 000 до $6,83 млн. за км для линий электропередач.
Самый популярный метод подземной прокладки линий электропередач, называемый открытой траншеей, требует масштабных земляных работ, установки трубопроводов и обратной засыпки, что делает его дорогим и сложным с точки зрения, как операционных затрат, так и логистики. К тому же такой метод прокладки часто невозможен в густонаселенных городских районах, где подземная инфраструктура уже перегружена водопроводом, оптоволокном и другими коммуникациями.
Бестраншейные методы, такие, как горизонтальное направленное бурение (ГНБ), обеспечивают менее инвазивный (влияющий на окружающую среду) способ прокладки линий электропередач под автомобильными и железными дорогами, создавая контролируемый путь бурения, который начинается под небольшим углом входа, углубляется для преодоления препятствий и выходит на поверхность в точно заданной точке выхода. Но ГНБ еще дороже, чем открытая траншея, из-за специализированного оборудования, сложных рабочих процессов и риска повреждения существующей инфраструктуры.
Учитывая высокие затраты, коммунальные предприятия часто отдают предпочтение более дешевым стратегиям противопожарной защиты, таким как обрезка близлежащих деревьев и других растений, использование изолированных проводников и увеличение количества плановых проверок и ремонта. Хотя эти меры не так эффективны, как подземная прокладка, они всегда были основным способом контроля потому, что эти методы более быстрые и дешевые для подземного строительства коммуникаций.
Тед Кури, директор по энергетическим исследованиям в Центре исследований коммунальных предприятий Университета Флориды, который тщательно изучил затраты и выгоды подземной прокладки, говорит, что технологии, реализующие усовершенствования направленного бурения могут сделать подземную прокладку более практичной в городских или густонаселенных районах, где открытая траншея и связанные с ней нарушения окружающей инфраструктуры могут привести к непредвиденному росту затрат и непрогнозируемым потерям в архитектуре инфраструктуры
Робототехника, вдохновленная дождевыми червями, для линий электропередач
В роботе над системой червеподобного бурения Кейса, чередующиеся секции предназначены для расширения и сжатия, чтобы закрепить и продвинуть машину. Эта гибкость и воздействующая на нее силовая установка повышают точность бурения и снижают риск столкновения и повреждения труб.
Традиционные методы требуют больших радиусов поворота, превышающих порой 300 м, но радиус поворота при бурении при помощи системы Кейса в 1,5-2 м позволит устройству гибко маневрировать вокруг существующей инфраструктуры.
“Мы используем специальные приводы для изменения длины и диаметра каждого сегмента”, — говорит Кэтрин Далторио, доцент инженерного факультета и содиректор Лаборатории биологически вдохновленной робототехники Кейса. “Короткие и толстые сегменты прижимаются к стенкам норы, затем они закрепляются, чтобы тонкие сегменты могли продвинуться вперед. Если два сегмента не касаются земли, но они одновременно меняют длину, ваши якоря не проскальзывают, и вы продвигаетесь вперед”
Далторио и ее коллеги более 10-и лет изучали робототехнику, вдохновленную жизнью дождевых червей. Первоначально технология была предназначена для хирургических операций и операций в ограниченном пространстве. Все это было до того, как ученные и разработчики смогли осознать потенциал такой системы для подземной прокладки линий электропередач. Робот-червь Университета Кейс Вестерн Резерв может двигаться и маневрировать быстрее, чем другие, существующие сегодня системы подземного бурения. К тому же такой подход помогает избежать препятствий.
Традиционный метод ГНБ основан на проталкивании буровой головки через почву, что требует большой силы давления по мере увеличения длины бурения. Концепция бурения Кейса сама генерирует силу, необходимую для наконечника, из перистальтических сегментов внутри скважины. По мере удлинения пути только передние сегменты углубляются. “Если робот на что-то натыкается, операторы могут отступить и изменить направление, прокладывая нору либо посредством обходя препятствия, либо путем углубления буровой машины, чтобы помогает достаточно оперативно завершить весь процесс прокладки тоннеля”, — говорит Далторио.
Еще одно ключевое отличие системы Кейса от классического ГНБ — это интегрированная установка трубопровода. В ГНБ сначала бурят всю длину, а затем протягивают силовой трубопровод. Перистальтический робот Кейса прокладывает трубопровод во время движения, сокращая общее время установки
Достижения в точности бурения
Далторио отмечает, что современные методы подземной прокладки включают заливку бетона вокруг линий перед обратной засыпкой, чтобы защитить их от будущих раскопок, что является проблемой для существующих бестраншейных методов. Но проект Кейса приносит два основных преимущества. Во-первых, благодаря лучшему пониманию конструкции скважины инженеры имеют большую гибкость в выборе материалов трубопровода в соответствии со стандартами для конкретных сред. Кроме того, достижения в точности бурения могут свести к минимуму вероятность будущих сбоев из-за деятельности человека.
“Перистальтический подход к прокладке трубопроводов увлекателен и похоже, решает массу проблем, связанных с огромным разнообразием подземных препятствий”, — говорит Кури из Университета Флориды. Однако он подчеркивает более серьезную проблему, связанную с инновациями в области подземной прокладки — не только с Кейсом, — в том, чтобы соответствовать постоянно меняющейся среде. Сегодняшняя подземная среда будет сильно отличаться через 10 лет, поскольку меняются профили почвы, растут деревья, животные роют норы, а люди копают и строят. “Подземные кабели прослужат десятилетия, и устойчивость этих технологий зависит от того, как они адаптируются к этой меняющейся структуре”, — добавил Кури.
Команда Далторио сотрудничает с несколькими партнерами одновременно: Университет Оберна в Алабаме предоставляет геотехническую экспертизу, Университет Стоуни-Брук в Нью-Йорке проводит моделирование, а Техасский университет в Остине изучает взаимодействие отложений.
Цель проекта — сократить вдвое затраты на подземные работы, хотя Далторио предупреждает, что пока еще слишком рано брать на себя обязательства по конкретной модели затрат. Тем не менее, потенциал экономии времени кажется многообещающим. «При традиционных подходах планирование, получение разрешений и составление графиков могут занять месяцы», — говорит Далторио.
Упростив процесс, можно будет провести несколько проверок в конечных точках, несколько дней автономного рытья с минимальным нарушением движения наверху, а затем несколько дней очистки, сращивания и проверки. По словам разработчиков необходимо начать испытания как можно раньше.
Автор: SHANNON CUTHRELL (https://spectrum.ieee.org/)
Подготовлено к публикации: Ua-Bud.Media
Также рекомендуем прочитать:
Вложенная в строительство жилья гривня увеличивает ВВП на 6,7 грн – эксперты
Новая жизнь облицовочного кирпича
Как игры-симуляторы строительства могут помочь в развитии интереса к отрасли у молодежи (с видео)
Как поделиться новостями и достижениями, донести отраслевую экспертную информацию до широкой аудитории?
