Un submarino es un tipo especial de embarcación capaz de propulsarse tanto bajo el agua como en superficie. Esta es una capacidad única entre los buques de guerra, lo que hace que los submarinos sean bastante diferentes en diseño y apariencia a los buques de superficie.

Los submarinos se convirtieron por primera vez en un factor decisivo en la guerra naval durante la Primera Guerra Mundial (1914-1918), cuando Alemania los utilizó para destruir buques mercantes de superficie aliados.

FLOTABILIDAD

Un submarino (o cualquier otro barco) puede flotar porque el peso del agua que desplaza es igual al peso del barco. Este desplazamiento del agua crea una fuerza hacia arriba llamada fuerza de flotación, que actúa en sentido opuesto a la gravedad, que empujaría al barco hacia abajo. A diferencia de un barco convencional, un submarino puede controlar su flotabilidad, lo que le permite hundirse y emerger a voluntad.

Para controlar su flotabilidad, el submarino dispone de tanques de lastre y tanques auxiliares o trimados, que se pueden llenar alternativamente con agua o aire en función de que quiera sumergirse o ascender a la superficie. Cuando el submarino está en la superficie, los tanques de lastre se llenan de aire y la densidad total del submarino es menor que la del agua circundante. A medida que el submarino se sumerge, los tanques de lastre se inundan con agua y el aire en los tanques de lastre se expulsa del submarino hasta que su densidad total es mayor que el agua circundante y el submarino comienza a hundirse (flotabilidad negativa ). 

Se mantiene un suministro de aire comprimido a bordo del submarino para soporte vital y para usar en los tanques de lastre. Además, el submarino tiene conjuntos móviles de "alas" cortas en la popa (como alerones) que ayudan a controlar el ángulo de la inmersión.

Para mantener el nivel del submarino a la profundidad que se quiera, se mantiene un equilibrio de aire y agua en los tanques de compensación para que su densidad total sea igual a la del agua circundante (lo que se llama flotabilidad neutra). Cuando el submarino alcanza su profundidad de crucero, los "alerones" se nivelan para que el submarino viaje nivelado por el agua. 

El agua también es forzada entre los tanques de compensación de proa y popa para mantener el equilibro. El submarino puede navegar en el agua usando el timón de cola para girar a estribor (derecha) o babor (izquierda) y los "alerones" para controlar el ángulo de proa a popa del submarino. Además, algunos submarinos están equipados con un motor de propulsión secundario retráctil que puede girar 360 grados.

Cuando el submarino sale a la superficie, el aire comprimido fluye desde los depósitos de aire hacia los tanques de lastre y el agua sale del submarino hasta que su densidad total es menor que el agua circundante (lo que se llama flotabilidad positiva) y el submarino entonces asciende. Los "alerones" o "hidroplanos" están en ángulo, de modo que el agua se mueve hacia la popa, lo que fuerza la popa a ir hacia abajo; por lo tanto, el submarino se inclina hacia arriba. En caso de emergencia, los tanques de lastre se pueden llenar rápidamente con aire a alta presión para llevar el submarino a la superficie muy rápidamente.

EL SOPORTE VITAL

En un submarino, un entorno cerrado y hermético, se dan 3 problemas principales:

1. Mantenimiento de la calidad del aire
2. Mantener un suministro de agua dulce
3. Mantener la temperatura

¿Cómo se mantiene la calidad del aire en un submarino?

El aire que respiramos normalmente está compuesto por cantidades significativas de cuatro gases: nitrógeno, oxígeno, argón y dióxido de carbono.

Cuando respiramos aire, nuestros cuerpos consumen el oxígeno y lo convierten en dióxido de carbono. El aire exhalado contiene aproximadamente un 4,5% de dióxido de carbono. Nuestros cuerpos no hacen nada con el nitrógeno o el argón. Un submarino es un contenedor sellado que contiene personas y un suministro limitado de aire. Hay tres cosas que deben suceder para mantener el aire respirable en un submarino:

• El oxígeno debe reponerse a medida que se consume. Si el porcentaje de oxígeno en el aire cae demasiado bajo, una persona se asfixia.
• El dióxido de carbono debe eliminarse del aire. A medida que aumenta la concentración de dióxido de carbono, se convierte en una toxina.
• La humedad que exhalamos en nuestro aliento debe ser eliminada.

El oxígeno se suministra desde tanques presurizados, un generador de oxígeno (formado a partir de la electrólisis del agua) o mediante algún tipo de contenedor que libera oxígeno mediante una reacción química a elevada temperatura. El oxígeno se libera continuamente mediante un sistema automático que detecta el porcentaje de oxígeno en el aire, o se libera en lotes periódicamente durante el día.

El dióxido de carbono se puede eliminar del aire químicamente usando cal sodada (hidróxido de sodio e hidróxido de calcio) en dispositivos llamados depuradores. El dióxido de carbono queda atrapado en la cal sodada por una reacción química y se elimina del aire. Otras reacciones similares pueden lograr el mismo objetivo.

La humedad se puede eliminar con un deshumidificador o con productos químicos. Esto evita que se condense en las paredes y equipos dentro del barco y genere deterioros.

Además, otros gases como el monóxido de carbono o el hidrógeno, que generan los equipos y el humo de los cigarrillos, pueden eliminarse mediante quemadores. Finalmente, los filtros se utilizan para eliminar partículas, suciedad y polvo del aire.

¿Cómo se mantiene el suministro de agua dulce en un submarino?

La mayoría de los submarinos tienen un aparato de destilación que puede absorber agua de mar y generar agua dulce. La planta de destilación a bordo calienta el agua de mar hasta convertirla en vapor de agua, que elimina las sales y luego enfría el vapor de agua en un tanque colector de agua dulce. La planta de destilación de algunos submarinos puede producir de 38.000 a 150 000 litros de agua dulce al día. Esta agua se utiliza principalmente para enfriar equipos electrónicos (como computadoras y equipos de navegación) y para ayudar a la tripulación (por ejemplo, para beber, cocinar e higiene personal).

¿Cómo se mantiene la temperatura en un submarino?

La temperatura del océano que rodea al submarino suele ser de unos 4ºC. El metal del submarino transfiere el calor interno al agua circundante. Por lo tanto, los submarinos deben calentarse eléctricamente para mantener una temperatura agradable para la tripulación. La energía eléctrica para los calentadores proviene de reactores nucleares, motores diésel o baterías (en casos de emergencia).

FUENTES DE ENERGÍA

Los submarinos nucleares utilizan reactores nucleares, turbinas de vapor y engranajes reductores para impulsar el eje de la hélice principal, que proporciona el empuje hacia adelante y hacia atrás en el agua (un motor eléctrico impulsa el mismo eje al atracar o en una emergencia).

Los submarinos también necesitan energía eléctrica para operar el equipo a bordo. Para suministrar esta energía, los submarinos están equipados con motores diésel que queman combustible y/o reactores nucleares que usan fisión nuclear. Los submarinos también tienen baterías para suministrar energía eléctrica. El equipo eléctrico a menudo funciona con las baterías y la energía del motor diesel o del reactor nuclear se usa para cargar las baterías. En casos de emergencia, las baterías pueden ser la única fuente de energía eléctrica para hacer funcionar el submarino.

Un submarino diésel es un muy buen ejemplo de vehículo híbrido. La mayoría de los submarinos diesel tienen dos o más motores diesel. Los motores diesel pueden hacer funcionar hélices o pueden hacer funcionar generadores que recargan un banco de baterías muy grande. O pueden trabajar en combinación, un motor impulsando una hélice y el otro impulsando un generador. El submarino debe salir a la superficie (o navegar justo debajo de la superficie usando un snorkel) para hacer funcionar los motores diesel. Una vez que las baterías están completamente cargadas, el submarino puede navegar bajo el agua. Las baterías alimentan los motores eléctricos que impulsan las hélices. El funcionamiento con batería es la única forma en que un submarino diésel puede sumergirse. Los límites de la tecnología de baterías restringen severamente la cantidad de tiempo que un submarino diesel puede permanecer bajo el agua.

Debido a estas limitaciones de las baterías en los submarinos diésel, hace años se llegó a la conclusión de que la energía nuclear en un submarino era lo más eficiente. Los generadores nucleares no necesitan oxígeno, por lo que un submarino nuclear puede permanecer bajo el agua durante semanas. Además, debido a que el combustible nuclear dura mucho más que el diesel (años), un submarino nuclear no tiene que salir a la superficie o a un puerto para repostar y puede permanecer en el mar por mucho más tiempo.

Actualmente, los submarinos nucleares y los portaaviones funcionan con reactores nucleares que son casi idénticos a los reactores que se utilizan en las centrales eléctricas convencionales.

El funcionamiento de un reactor nuclear consiste en producir calor mediante la fisión nuclear para generar vapor para impulsar una turbina que es la que genera la electricidad. La turbina de un barco impulsa directamente las hélices, así como los generadores eléctricos. Las dos principales diferencias entre los reactores convencionales y los reactores en barcos nucleares son:

1. Por un lado, el reactor de un navío nuclear es más pequeño.
2. Por el otro, el reactor de una navío nuclear utiliza combustible altamente enriquecido para permitirle entregar una gran cantidad de energía desde un reactor más pequeño.

LA NAVEGACIÓN EN UN SUBMARINO

La luz no penetra muy profundo en el océano, por lo que los submarinos deben navegar por el agua prácticamente a ciegas, en completa oscuridad. Para ello, los submarinos están equipados con cartas de navegación y sofisticados equipos de navegación. 

Cuando el submarino está en la superficie, un sofisticado GPS (sistema de posicionamiento global) determina con precisión la latitud y la longitud, pero este sistema no funciona cuando el submarino está sumergido. 

Bajo el agua, el submarino utiliza lo que se conoce como sistemas de guía inercial (eléctricos y/o mecánicos) que siguen el movimiento del barco desde un punto de partida fijo mediante el uso de giroscopios . Los sistemas de guía inercial tienen una precisión de 150 horas de operación y deben ser realineados por otros sistemas de navegación dependientes de la superficie (GPS, radio, radar, satélite). Con estos sistemas a bordo, un submarino puede ser pilotado con precisión y estar dentro de los cien pies (+/-) de su rumbo previsto.

Para localizar un objetivo , un submarino utiliza el SONAR activo y pasivo (sonido, navegación y alcance).

• El sonar activo emite pulsos de ondas de sonido que viajan a través del agua, se reflejan en el objetivo y regresan al barco. Al conocer la velocidad del sonido en el agua y el tiempo que tarda la onda de sonido en viajar al objetivo y regresar, las computadoras pueden calcular rápidamente la distancia entre el submarino y el objetivo. Ballenas, delfines y murciélagos utilizan la misma técnica para localizar presas (es lo que se conoce como ecolocalización). 
• El sonar pasivo en cambio, consiste en escuchar los sonidos generados por el objetivo. Los sistemas de sonda también se pueden utilizar para realinear los sistemas de navegación inercial mediante la identificación de características conocidas del suelo oceánico.

¿CÓMO SE RESCATA UN SUBMARINO EN CASO DE ACCIDENTE O DAÑO?

Cuando un submarino se hunde debido a una colisión con algo (como otra embarcación, la pared de un cañón o una mina acuática) o bien una explosión a bordo, la tripulación emitirá una llamada de socorro por radio o lanzará una boya que transmitirá una llamada de socorro y la ubicación del submarino. Dependiendo de las circunstancias del desastre, los reactores nucleares se apagarán y el submarino puede funcionar solo con batería.

Si este es el caso, entonces la tripulación del submarino se enfrenta a cuatro peligros principales:

• La inundación del submarino debe ser contenida y minimizada.
• El uso de oxígeno debe minimizarse para que el suministro de oxígeno disponible pueda resistir el tiempo suficiente para posibles intentos de rescate.
• Los niveles de dióxido de carbono aumentarán y podrían producir efectos tóxicos y peligrosos.
• Si las baterías se agotan, los sistemas de calefacción fallarán y la temperatura del submarino bajará.

Los intentos de rescate desde la superficie deben producirse muy rápidamente, lo antes posible, generalmente dentro de las 48 horas posteriores al accidente. Los intentos generalmente implicarán intentar bajar algún tipo de vehículo de rescate para sacar a la tripulación, o conectar algún tipo de dispositivo para levantar el submarino del fondo del mar. Los vehículos de rescate incluyen minisubmarinos llamados vehículos de rescate de inmersión profunda (DSRV) y campanas de buceo. .

El DSRV puede engancharse al submarino sobre una escotilla, crear un sello hermético para que la escotilla se pueda abrir y llevar hasta a 24 miembros de la tripulación. Por lo general, se baja una campana de buceo desde un barco de apoyo hasta el submarino, donde ocurre una operación similar.

Para elevar el submarino dañado, generalmente después de que se haya extraído a la tripulación, se pueden colocar pontones alrededor del submarino e inflarlos para que flote hasta la superficie. 

Los factores más importantes en el éxito o el fracaso de una operación de rescate incluyen la profundidad del submarino accidentado o dañado, el terreno del fondo del mar, las corrientes oceánicas, el ángulo del submarino y el mar y las condiciones climáticas en la superficie.