I have a passing interest for Air-Independent Propulsion (AIP) systems that allow a non-nuclear submarine to stay underwater for longer periods without need for snorkeling. The first AIP submarine was the Ictineo II (launched in 1864 almost 80 years before the next successful attempt) which used a reaction between zinc and potassium chlorate to produce heat for the steam engine and oxygen for the crew.

This AIP system uses a hydrogen fuel cell with a closed H2-H2O cycle, made possible by the reaction of reaction of water with an aluminum-gallium alloy to produce hydrogen. The oxygen needed comes either from surface air compressed into the hollow hull (similar to the italian GST submarines) or extracted from dissolved gases in seawater with a super-hydrophobic porous membrane.

J'ai un intérêt récurrent pour les systèmes AIP (Air-Independent Propulsion) qui permettent à un sous-marin non-nucléaire de rester sous l'eau plus longtemps sans besoin de faire surface. Le premier sous-marin à AIP est l'Ictinéo II (lancé en 1864 presque 80 ans avant le prochain sous-marin de ce type) qui utilisait une réaction entre le zinc et le chlorate de potassium pour produire chaleur et oxygène.

Ce système AIP emploie une pile à combustible avec un cycle fermé H2-H2O, rendu possible par la réaction de l'eau avec un alliage aluminium-gallium pour produire de l'hydrogène. L'oxygène nécessaire provient soit de la surface via un snorkel (puis est comprimé dans une coque creuse similaire à celle des sous-marins italiens GST) soit des gaz dissous dans l'eau de mer grâce à une membrane poreuse super-hydrophobique.

This idea originates from a drawing by Renaissance engineer Taccola of an early paddle boat where the current of the river helps moving the boat upstream. I wanted to improve on the concept by combining the mechanism of medieval floating mill ships with the continuous traction of the more modern cable-towing trolley boats (see section 2).

Cette idée provient d'un dessin de l'ingénieur de la Renaissance Taccola présentant un bateau à roues à aubes où le courant de la rivière sert à tirer le bateau vers l'amont. J'ai voulu améliorer le concept en combinant le mécanisme des moulins flottants médiévaux avec la traction continue des bateaux à treuillage de câble (voir la section 2).

Years ago, I was browsing a forum about personal submarines when I found a long thread about a submarine built from concrete. The participants were skeptical about the claims from the inventor : the one-piece submarime was large and heavy, making it difficult to built safely and cumbersome to transport.

I was spurned to design a concrete sumbersible with more modest specifications (service depth of 50 m and safety factor of 3) and modular elements that could be transported inside a 20ft intermodal container. This expanded to systems useful for a seafloor-based submarine base. I submitted my calculations on the same forum and received mostly positive responses.

Il y a des années, je parcourais un forum sur les sous-marins personnels lorsque j'ai trouvé un long fil de discussion à propos d'un sous-marin construit en béton. Les participants étaient sceptiques vis-à-vis des affirmations de l'inventeur : le sous-marin construit en une pièce était large et lourd, rendant difficile à construire de manière sûre et encombrant à transporter.

Cela m'a incité à concevoir un submersible en béton avec des spécifications plus modestes (profondeur de service de 50 m et facteur de sécurité de 3) et des éléments modulaires pouvant être transporté à l'intérieur d'un container maritime de 20ft. Cela s'est étendu à des systèmes utiles pour une base sous-marine ancrée au sol. j'ai soumis mes calculs sur le même forum et reçu des réponses généralement positives.

While reading the furry serial novel "Extracts from a Diary" by Barber Simon, the author mentions that the German colony in Antarctica is supplied in food by fishing submarines. This spurned me to imagine how underwater fishing could work. My first idea required significant external modifications, so I settled on a more modest internal design using the stern torpedo tube to deploy then retract a net. This allows the submarine to stay submerged while fishing.

En lisant le roman-feuilleton furry "Extracts from a Diary" by Barber Simon, l'auteur mentionne que la colonie allemande en Antarctique est ravitaillé en nourriture par des sous-marins pêcheurs. Cela m'a poussé à imaginer comment une telle pêche sous-marine pourrait être réalisée. Ma première idée nécessitait des modifications externes significatives, donc je me suis tourné vers un design interne plus modeste utilisant le tube lance-torpille arrière pour déployer puis rétracter un filet. Cela permet au sous-marin de rester submergé durant la pêche.

I read an article on the earliest wheeled submarines and the contender is the 1894 Argonaut Jr, a jury-rigged submersible using air hoses running to the surface to get air for its gasoline engine. This reminded me of the AquaSub, a DIY personal submersible where the cockpit is suspended between two articulated pontoons, so I combined the two designs.

By placing the generators and cable drums on the surface catamaran, the useful volume inside the submersible is increased and achievable depth is not limited by the rigidity of the air hoses. Nowadays this kind of hybrid vehicle would be replaced by an unmanned ROV, but the nuclear-powered wheeled submarine NR-1 was built in the 1960s to conduct spy missions on the seafloor...

J'ai lu un article sur les plus anciens sous-marins à roues et le meilleur candidat est le Argonaut Jr de 1894, un submersible bricolé employant de longs tuyaux pour envoyer de l'air depuis la surface pour le moteur à essence. Cela m'a rappelé l'AquaSub, un submersible personnel à construire soi-même où le cockpit est suspendu entre deux pontons articulés, donc j'ai combiné les deux designs.

En plaçant les générateurs et bobines de câbles à la surface, le volume utile dans le submersible est accru et la profondeur possible n'est pas limité par la rigidité des tuyaux d'air. Aujourd’hui ce type de véhicule hybride serait replacé par un ROV non-habité, mais le sous-marin à roues et propulsion nucléaire NR-1 a été construit dans les années 1960 pour conduire des missions d'espionnage sur le fond marin...

Outside of the semi-submersible 'narco subs', there have been few cargo-oriented submarines. The main ones were made by Germany during WWI or Japan during WWII (notably the Maru Yu class) and all had a conventional format with diesel/electric propulsion. I think that underwater gliding, which uses wings and variable buoyancy to glide up and down in a saw-tooth pattern, could greatly reduce the energy needed for cruising.

I thought about enlarging an underwater glider like the Sea Wing but the repeated pitching motion might damage the cargo or make it shift in the hull, with catastrophic results. A possible solution is to use variable-incidence wings in order to keep the cargo hull horizontal, but this requires the outer hull to be streamlined in both the horizontal and vertical directions, like an oarfish.

There is at least one project of unmanned submarine aiming to transport valuable cargo in the Irish Sea, but it seems to be a collection of startup-style grant-seeking buzzwords. My proposal would be much larger, with a pressure hull diameter comparable to that of a jet airliner in order to accommodate unit load devices and shipping containers, and designed to allow front-loading from the upper hull. I updated the 3-view plans with a catamaran configuration, which is more stable on the surface and gives twice the useful volume for the same width as the outrigger configuration.

En dehors des 'narco subs' semi-submersibles, peu de sous-marins de transport de marchandises ont existé. Les principaux ont été construits par l'Allemagne durant la première guerre mondiale et le Japon durant la deuxième (notamment la classe Maru Yu) et tous avaient une allure conventionnelle avec une propulsion diesel/électrique. Je pense que le vol plané sous-marin, qui utilise des ailes et une flottabilité variable pour planer selon un profile en dents de scie, pourrait grandement reduire l'énergie nécessaire pour le régime de croisière.

J'ai envisagé d'élargir un planeur sous-marin comme le Sea Wing mais le mouvement de tangage répété pourrait endommager la cargaison ou la faire bouger dans la soute, avec des résultats catastrophiques. Une solution possible est d'utiliser des ailes à incidence variable de manière à garder la soute horizontale, mais cela demande que la coque extérieure soit hydrodynamique à la fois dans les directions horizontales et verticales, comme un poisson-ruban.

Il existe au moins un projet de sous-marin autonome visant à transporter des marchandises de forte valeur dans la mer d’Irlande, mais cela semble plus être une collection de buzzwords utilisés par une startup pour mieux récolter des fonds. Ma proposition serait beaucoup plus large (avec une coque pressurisée d'un diamètre comparable à celui d'un avion de ligne afin d'accommoder des containers aéronautiques ou maritimes) et conçu pour être chargé par l'avant de la coque supérieure.

This is the people-carrying variant of my gliding cargo submarine. The method of motion is the same, but sustaining passengers for a long time underwater requires robust life support systems. The main innovation here is the use of hydrophobic porous membranes to extract dissolved oxygen from water, which can considerably reduce to need for snorkeling. As these membranes cannot stand a high pressure differential, a pressure exchanger is needed to reduce the pressure of the water then increase it back up before discharging it outside. Using oil instead of air for vacuum distillation desalination is more energy-efficient but requires a good water/oil separator.

Voici la version de transport de passagers de mon sous-marin planeur de transport de marchandises. Le moyen de locomotion est le même, mais subvenir à des passagers pendant une longue durée sous l'eau nécessite des système de support de vie robustes. La principale innovation ici est l'emploi de membranes poreuses hydrophobes pour extraire l'oxygène dissous dans l'eau, ce qui peut réduire considérablement l'emploi d'un snorkel. Comme ces membranes ne supportent pas une forte différence de pression, un échangeur de pression est nécessaire pour réduire la pression de l'eau entrante puis de la remonter avant de décharger l'eau à l'extérieur. Utiliser de l'huile plutôt que de l'air pour une désalinisation par distillation sous vide est more énergivore mais nécessite une bon séparateur eau/huile.

I got the seed for this concept after watching an episode of the 'Time Team' documentary series where they were excavating the remains of a watermill which could go back to William the Conqueror. This reminded me of an article on boat mills, which were the run-of-the river hydro-power factories of their times.

The paddle boat uses methods from the Free Stream Energy Convertor to increase the efficiency of the waterwheel in stationary mode.

Le germe de ce concept m'est venu après avoir regardé un épisode de la série documentaire 'Time Team' où ils ont fouillé les restes d'un moulin à eau qui pourrait remonter à Guillaume le Conquerant. Cela m'a rappelé un article sur les moulins flottants, qui étaient les centrales hydrauliques de leur époque.

La bateau à roues à aubes emploie des méthodes issues du Free Stream Energy Convertor pour améliorer l'éfficacité de la roues à aubes en mode stationnaire.

One of my favourite adventure video games is 'Amerzone', based on a comic book by Benoit Sokal. In it, you pilot a multi-purpose exploration vehicle called the Hydrafloat which can transform into an plane, a helicopter, a submarine, a sailboat...

The original vehicle in the game was not really realistic, especially in helicopter mode, but could be improved upon. I decided to use a 'cold jet' propulsion method rather than a helicogyre system because it can work with air and water while eliminating the need for an anti-torque rotor in helicopter mode.

Un de mes jeux vidéos d'aventure favoris est "L'Amerzone", basé sur une bande dessinée de Benoit Sokal. On y pilote un véhicule d'exploration polyvalent appelé Hydraflot, qui peut se transformer en avion, hélicoptère, sous-marin, voilier ...

La version originale du véhicule dans le jeu n'est pas franchement réaliste, surtout en mode hélicoptère, mais il peut être amélioré. J'ai décidé d'utiliser une méthode de propulsion à jets froids plutôt qu'un système de type helicogyre, parce qu'il peut fonctionner avec de l'air comme de l'eau et que cela élimine la nécessité d'un rotor anti-couple en mode hélicoptère.

This is inspired by articles examining the physics behind the SHIELD Helicarrier and trying to determine if it could fly. The conventional ducted fans used in the Marvel Cinematic Universe are rather inelegant, so I searched for another mode of propulsion. I use two ideas from my talk on low-tech methods for renewable energy generation (the EWEC in page 14 and the WAFIC in page 19) to generate the high voltage needed for the electrostatic thrusters used in flight mode.

Ce concept est inspiré par des articles de vulgarisation scientifique qui examinent la physique derrière l'Helicarrier du SHIELD et cherchent à déterminer s'il peut voler. Les hélices carénées présentes dans la version des films sont plutôt inélégantes, donc j'ai cherché un mode de propulsion alternatif. Ici, j'utilise deux idées issues de ma conférence sur les méthodes low-tech de génération d'énergie renouvelable, le EWEC (page 14) et le WAFIC (page 19), pour générer la haute tension nécessaire pour les propulseurs electrostatiques employés en vol.

This idea of a artificial floating island is not new, since it is the backdrop for Jules Verne's novel "L'Ile à Hélice". I was inspired by beautiful illustrations from Jean-Pierre Bouvet concerning this novel, but said images have disappeared from the web and were not saved by the Internet Archive.

To limit the considerable difficulties linked with seasteading (see this article on libertarian utopias for failed attempts) I opted for a modular construction and reliance on wind/solar power. Each hexagonal module is linked to the others with dampened connections, to reduce the effects of waves.

L'idée d'une île flottante artificielle n'est pas nouvelle, puisque c'est la base pour le roman de Jules Verne "L'Ile à Hélice". J'étais inspiré par les magnifiques illustrations de Jean-Pierre Bouvet pour ce roman, mais ces images ont disparues du net et n'ont pas été sauvegardées l'Internet Archive.

Pour limiter les difficultées considérables liées au seasteading (voir cet article sur les utopies libertariennes pour une liste de tentatives ratées) j'ai opté pour une construction modulaire et l'emploi d'énergies renouvelables. Chaque module hexagonal est relié aux autres par des connexions amorties, pour réduire les effets des vagues.

The inspiration for this came from an article on a pedal-powered smuggling submarine found in Switzerland during WWII. So I imagined an underwater version of the velomobile (enclosed recumbent tricycle or quadricycle) using either conventional or cycloidal propellers. Since human power is limited, such submarines would be restricted to lakes and atolls with slow currents just like pedalos.

L'inspiration pour ce concept provient d'un article sur un sous-marin de transport de contrebande à pédales trouvé en Suisse durant le seconde guerre mondiale. Donc j'ai imaginé une versions sous-marine d'un vélomobile (un tricycle ou quadricycle incliné et carrossé) employant des hélices conventionnelles ou des propulseurs cycloidals. Puisque la puissance humaine est limitée, de tels sous-marins seraient restreints aux lacs et atolls avec de faibles courants tout comme les pédalos.

In the movie "The Hunt for Red October", the propulsion system of the titular submarine is described as a magneto-hydrodynamic (MHD) drive. I wondered how you could implement such a drive without modifying the pressure hull of the boat, stumbling upon the idea of using two halbach magnet arrays face-to-face to create alternating magnetic fields. Coupled with electrodes having alternating polarities, this allows to stack numerous spiral-shaped drive channels in parallel.

Dans le film "À la poursuite d'Octobre rouge", le système propulsif du sous-marine éponyme est décrit comme un engin magnétohydrodynamique (MHD). Je ne suis demandé comment on pourrait implémenter un tel système sans modifier la coque pressurisée du navire, en tombant sur l'idée d'employer deux réseaux de Halbach face-à-face pour créer des champs magnétiques alternés. Couplés avec des électrodes ayant des polarités alternées, cela permet d'empiler en parallèle de nombreux canaux propulsifs en forme de spirale.

This is the second installement in the Methane Caravan story : Once the refugees arrive on the coast, they decide not to pay smugglers for the journey. Instead, they pool their funds and resources to buy a derelict bulk carrier ship and retrofit it for a probably long journey without resupply. A ruling triumvirate is formed, with the Captain (responsible for navigation and propulsion) the Arbiter (assigns work duties and solves disputes between passengers) and the Chief Engineer (maintains life support systems)

The modified biodigesters and leaf concentrate process are reused and combined with small gardens on the deck to provide food and water to the passengers. A crude form of fractional distillation allows to convert plastic waste into fuel for the main engine.

Ce concept est le second dans la série sur la Caravane du Méthane : Plutôt que de payer des passeurs pour effectuer le voyage une fois arrivés sur la côte, les réfugiés décident de mettre en commun leur fonds et ressources pour racheter un navire vraquier délabré et le modifier pour un long voyage sans ravitaillement. Un triumvirat est formé, avec le Capitaine (responsable de la navigation et de la propulsion) l’Arbitre (répartit la charge de travail et résout les disputes entre passagers) et l’Ingénieur (maintient les systèmes de support de vie).

Les biodigesteurs modifiés et le processus du concentré foliaire sont réemployés et combinés avec des petits jardins sur le pont pour produire l'eau et la nourriture pour les passagers. Une forme rudimentaire de distillation fractionnée permet de convertir des déchets plastiques en carburant pour le moteur principal.

The impetus for this concept came from a worldbuilding drawing about an humanitarian navy : I wondered why a non-military navy would use a military-style aircraft carrier, since most aid operations are centered on transport aircraft and oriented towards food/medicine airlift and search/rescue. But an NGO cannot afford to field an aircraft carrier, so how could they do air delivery without a dedicated ship ?

So I imagined a civilian version of the Shipboard Containerised Air Defence System (SCADS) capable of launching a variety of drones ranging from small ones made from cardboard to large fixed-wing ones. The whole system is stored in about 120 standard 20ft shipping containers and can be installed on top of any container ship large enough to accommodate it.

L'impulsion pour ce concept provient d'un dessin de construction d'univers à propos d'un marine humanitaire : je me suis demandé pourquoi un marine non-militaire utiliserait un porte-avions de format militaire puisque la plupart des opérations d'aide sont basés sur des avions de transport et orientés vers l'envoi de nourriture/médecine et le sauvetage. Mais une ONG ne peut pas se payer un porte-avion, donc comment pourrait-elle réaliser de la livraison d'aide par les airs sans un navire dédié ?

j'ai donc imaginé une version civile du Shipboard Containerised Air Defence System (SCADS) capable de lancer une variété de drones allant de petits modèles fabriqués en carton jusqu'aux grands modèles de 5m d'envergure. Le système complet est stocké dans environ 120 conteneurs standards de 6m et peut être installé au sommet de n'importe quel porte-conteneur assez large pour le contenir.

This concept comes from a spontaneous question : Does modern sailboats have hollow masts, to save weight and lower the center of gravity ? It was quickly followed by another : If the mast is hollow, could it be used as a snorkel ? I ended up drawing a submersible sailboat which takes some elements from drug-smuggling 'snorkel subs' and ressembles Robert Fulton's 1806 submarine project.

Ce concept provient d'une question spontanée : Est-ce que les bateaux à voiles modernes ont des mats creux, pour réduire le poids et baisser le centre de gravité ?. Elle fut suivie rapidement par une autre : Si le mat est creux, est-ce qu'il peut être employé comme un snorkel ?. J'ai fini par dessiner un bateau à voile submersible sailboat qui reprend certains éléments des 'snorkel subs' pour la contrebande de drogues et ressemble au projet de sous-marin de 1806 par Robert Fulton.

One day I wondered if a Vendée-Globe race could be done with marine vehicles other than sailboats, like submarines... But recharging batteries requires running a diesel generator with a snorkel and fuel capacity aboard small private submarines would be limited.

Then I remembered a photo of a military submarine plainly visible in clear shallow waters of the Caribbean Sea and imagined deploying solar panels at periscope depth. Sunlight is partially absorbed by water, but it is possible to improve the output of a solar cell by putting a fluorescent layer on top and such layer can be made with household materials.

Un jour, je me suis demandé si une course de type Vendée-Globe pourrait être réalisée avec des véhicules marins autres que des voiliers, comme des sous-marins... Mais recharger les batteries nécessite de faire tourner un générateur diesel avec un snorkel, alors que la capacité en carburant dans des petits sous-marins privés serait limitée.

Puis je me suis souvenu d'une photo d'un sous-marin military pleinement visible dans les eaux claires des Caraïbes et j'ai imaginé déployer des panneaux solaire à une profondeur périscopique. La lumière solaire est partiellement absorbée par l'eau, mais il est possible d'améliorer le rendement d'une cellule solaire en plaçant une couche fluorescente par dessus et un tel matériau peut être créé avec des matériaux domestiques.

Most Air-Independent Propulsion (AIP) systems for submarines use an oxygen-containing compound (liquid/compressed oxygen or hydrogen peroxide) as the reactant for the fuel, with the associated risks of fire and explosion.

There is research on cycle strain compounds (which can change the conformation of their covalent bonds without changing their chemical formula) to store solar energy and then release it as heat. I use them here to get a combustion-less process where the energy storage fluid is reusable.

La majorité des systèmes de Propulsion Indépendante de l'Air (AIP) pour sous-marins emploient un composé contenant de l'oxygène (oxygène liquide/comprimé ou péroxide d'hydrogène) comme réactif pour le carburant, avec les risques associés d'incendie et d'explosion.

Il existent des recherches sur les composés à tension de cycle (qui changent la configuration de leurs liaisons covalentes sans changer leur formule chimique) pour stocker l'énergie solaire et la restituer sous forme de chaleur. je les utilise ici pour obtenir un processus sans combustion où le fluide de stockage d'énergie est réutilisable.

This is the aquatic equivalent of the Heliox floating habitat, but this time the modules are immersed at a depth sufficient to minimize the mechanical effects of waves but shallow enough to get useful sunlight for food and power. The habitat atmosphere is as the same pressure as the water around, so the walls can be thin and angular without deformations.

Voici le pendant aquatique du village flottant gonflé à l'Héliox, mais cette fois ci les modules sont immergés à une profondeur suffisante pour minimiser l'effet des vagues tout en récupérant assez de lumière solaire pour la nourriture et l'énergie. L'atmosphère dans l'habitat est à la même pression que l'eau environnante, donc les murs des modules peuvent être fins et angulaires sans déformations.

This idea is a bit of alternative history : what if some ships-of-the-line (16-18th century) were powered by vertical axis windmills and propellers rather than conventional sails ? Their main advantage would be the ability to sail in any wind direction, even in reserve. However, the mechanical power transmission would have been complex and difficult to maintain with the technological level of the time.

Cette idée est un concept d'histoire alternative : et si certains navires de ligne du 16-18ème siècle étaient propulsés par des éoliennes à axe vertical et des hélices plutôt que par des voiles ? Le principal avantage aurait été la capacité de naviguer par tout vent, même en marche arrière. En revanche, le système de transmission aurait été compliqué à construire et maintenir avec les technologies de l'époque.