Posibilitatea de a crea un material cu un unghi negativ de refracție a fost prezisă în 1967 de către fizicianul sovietic Viktor Veselago, dar abia acum apar primele mostre de structuri reale cu astfel de proprietăți. Datorită unghiului negativ de refracție, razele de lumină se îndoaie în jurul obiectului, făcându-l invizibil. Astfel, observatorul observă doar ceea ce se întâmplă în spatele persoanei care poartă mantia „minunată”.
Pentru a câștiga un avantaj pe câmpul de luptă, forțele militare moderne se îndreaptă spre capacități potențial perturbatoare, cum ar fi armura avansată a corpului și armura vehiculului și nanotehnologia. camuflaj inovator, dispozitive electrice noi, superacumulatoare și protecție „inteligentă” sau reactivă a platformelor și a personalului. Sistemele militare devin din ce în ce mai complexe, sunt dezvoltate și fabricate noi materiale avansate multifuncționale și cu dublă utilizare, iar miniaturizarea electronice de mare capacitate și flexibile are loc cu pași mari.
Exemplele includ materiale promițătoare de auto-vindecare, materiale compozite avansate, ceramică funcțională, materiale electrocromice, materiale de „protecție cibernetică” care reacționează la interferența electromagnetică. Se așteaptă să devină coloana vertebrală a tehnologiilor perturbatoare care vor schimba irevocabil câmpul de luptă și natura viitoarelor ostilități.
Materiale avansate de generație următoare, cum ar fi metamateriale, grafen și nanotuburi de carbon, generează un interes și investiții deosebite, deoarece au proprietăți și funcționalități care nu se găsesc în natură și sunt potrivite pentru aplicații de apărare și sarcini efectuate în spații extreme sau ostile. Nanotehnologia utilizează materiale la scară nanometrică (10-9) pentru a putea modifica structurile la nivel atomic și molecular și a crea diverse țesuturi, dispozitive sau sisteme. Aceste materiale sunt o zonă foarte promițătoare și, în viitor, pot avea un impact serios asupra eficacității luptei.
Metamateriale
Înainte de a continua, să definim metamaterialele. Metamaterialul este un material compozit, ale cărui proprietăți sunt determinate nu atât de proprietățile elementelor sale constitutive, cât de o structură periodică creată artificial. Sunt medii formate artificial și special structurate, cu proprietăți electromagnetice sau acustice care sunt dificil de realizat din punct de vedere tehnologic sau nu se găsesc în natură.
Kymeta Corporation, o filială a Intellectual Ventures, a intrat pe piața apărării în 2016 cu antena metamaterială mTenna. Potrivit directorului companiei Nathan Kundz, o antenă portabilă sub formă de antenă transceiver cântărește aproximativ 18 kg și consumă 10 wați. Echipamentele pentru antenele metamateriale sunt de dimensiunea unei cărți sau a unui netbook, nu au piese în mișcare și sunt fabricate în același mod ca monitoarele LCD sau ecranele smartphone-urilor folosind tehnologia TFT.
Metamaterialele sunt compuse din microstructuri de lungime de undă, adică structuri ale căror dimensiuni sunt mai mici decât lungimea de undă a radiației pe care trebuie să o controleze. Aceste structuri pot fi realizate din materiale nemagnetice precum cuprul și gravate pe un substrat din fibră de sticlă PCB.
Metamaterialele pot fi create pentru a interacționa cu principalele componente ale undelor electromagnetice - constanta dielectrică și permeabilitatea magnetică. Potrivit lui Pablos Holman, un inventator la Intellectual Ventures, antenele create folosind tehnologia metamaterială ar putea înlocui în cele din urmă turnurile celulare, liniile telefonice fixe și cablurile coaxiale și de fibră optică.
Antenele tradiționale sunt reglate pentru a intercepta energia controlată de o anumită lungime de undă, care excită electronii din antenă pentru a genera curenți electrici. La rândul lor, aceste semnale codificate pot fi interpretate ca informații.
Sistemele moderne de antene sunt greoaie, deoarece frecvențele diferite necesită un alt tip de antenă. În cazul antenelor din metamateriale, stratul de suprafață vă permite să schimbați direcția de îndoire a undelor electromagnetice. Metamaterialele prezintă permeabilități negative atât dielectrice cât și negative și, prin urmare, au un indice de refracție negativ. Acest indice de refracție negativ, care nu se găsește în niciun material natural, determină schimbarea undelor electromagnetice la trecerea frontierei a două medii diferite. Astfel, receptorul unei antene metamateriale poate fi reglat electronic pentru a primi diferite frecvențe, ceea ce face posibilă dezvoltatorilor să realizeze bandă largă și să reducă dimensiunea elementelor antenei.
Metamaterialele din interiorul acestor antene sunt asamblate într-o matrice plană de celule individuale dens ambalate (foarte asemănătoare cu plasarea pixelilor pe un ecran TV) cu o altă matrice plană de ghiduri de undă dreptunghiulare paralele, precum și un modul care controlează emisia de unde prin intermediul software-ului și permite antenei să determine direcția radiației.
Holman a explicat că cel mai simplu mod de a înțelege meritele antenelor metamateriale este să aruncăm o privire mai atentă asupra deschiderilor fizice ale antenei și a fiabilității conexiunilor la internet de pe nave, avioane, drone și alte sisteme în mișcare.
„Fiecare satelit de comunicații nou lansat pe orbită în aceste zile”, a continuat Holman, „are o capacitate mai mare decât avea constelația de sateliți în urmă cu doar câțiva ani. Avem un potențial imens pentru comunicațiile fără fir în aceste rețele de satelit, dar singurul mod de a comunica cu acestea este să luați o antenă satelit, care este mare, grea și costisitoare de instalat și întreținut. Cu o antenă bazată pe metamateriale, putem realiza un panou plat care poate direcționa fasciculul și poate viza direct satelitul.
„Cincizeci la sută din timp antena orientabilă fizic nu este orientată spre satelit și sunteți efectiv offline”, a spus Holman. "Prin urmare, o antenă metamaterială poate fi utilă mai ales într-un context maritim, deoarece antena este controlată fizic pentru a o direcționa către satelit, deoarece nava își schimbă adesea cursul și se leagănă constant pe valuri."
Bionica
Dezvoltarea de noi materiale se îndreaptă, de asemenea, către crearea de sisteme multifuncționale flexibile cu forme complexe. Aici un rol important îl joacă știința aplicată asupra aplicării principiilor de organizare, proprietăți, funcții și structuri ale naturii vii în dispozitivele și sistemele tehnice. Bionica (în biomimetica literaturii occidentale) ajută o persoană să creeze sisteme tehnice originale și procese tehnologice bazate pe idei găsite și împrumutate din natură.
Centrul de cercetare pentru războiul submarin al US Navy testează un aparat autonom de căutare a minelor (APU) care utilizează principii bionice. imitând mișcările vieții marine. Aparatul de ras are o lungime de 3 metri și poate fi transportat de două persoane. Componentele sale electronice coordonează munca a patru aripi batătoare și a două elice din spate. Mișcările de batere imită mișcările unor animale, cum ar fi păsările și broaștele țestoase. Acest lucru permite APU să plutească, să efectueze manevre precise la viteze mici și să atingă viteze mari. Această manevrabilitate permite și Razor să se repoziționeze cu ușurință și să plutească în jurul obiectelor pentru imagistica 3D.
Agenția de cercetare a US Navy finanțează dezvoltarea unui prototip Pliant Energy Systems pentru un submersibil Velox, opțional autonom, care înlocuiește elicele cu un sistem de aripioare multistabile, neliniare, asemănătoare hârtiei, care generează mișcări ondulate repetitive, de tip rampă. Dispozitivul convertește mișcările aripioarelor polimerice electroactive, ondulate, flexibile cu o geometrie hiperbolică plană în mișcare de translație, mișcându-se liber sub apă, în valurile surfului, în nisip, peste vegetația maritimă și terestră, pe roci alunecoase sau gheață.
Potrivit unui purtător de cuvânt al Pliant Energy Systems, mișcarea ondulată înainte previne încurcarea în vegetația densă, deoarece nu există părți rotative, reducând în același timp daunele plantelor și sedimentelor. Nava cu zgomot redus, alimentată de o baterie litiu-ion, își poate îmbunătăți flotabilitatea pentru a-și menține poziția sub gheață, în timp ce poate fi controlată de la distanță. Sarcinile sale principale sunt: comunicarea, inclusiv GPS, WiFi, canale radio sau satelit; colectarea de informații și informații; cauta si salveaza; și scanarea și identificarea min.
Dezvoltarea nanotehnologiei și microstructurilor este, de asemenea, foarte importantă în tehnologiile bionice, a căror inspirație este luată din natură pentru a simula procesele fizice sau pentru a optimiza producția de noi materiale.
Laboratorul de Cercetare al Marinei SUA dezvoltă un scut transparent din polimer care are o microstructură stratificată similară cojii chitinoase a crustaceelor, dar realizată din materiale plastice. Acest lucru permite materialului să rămână conform pe o gamă largă de temperaturi și sarcini, ceea ce permite utilizarea acestuia pentru a proteja personalul, platformele staționare, vehiculele și aeronavele.
Potrivit lui Yas Sanghera, șeful materialelor și dispozitivelor optice din acest laborator, protecția disponibilă pe piață este de obicei realizată din trei tipuri de plastic și nu poate rezista sută la sută unui glonț de 9 mm lansat de la 1-2 metri și care zboară de la viteză 335 m / s.
Armura transparentă dezvoltată de acest laborator permite o reducere a masei cu 40%, menținând în același timp integritatea balistică și absoarbe cu 68% mai multă energie a glonțului. Sanghera a explicat că armura ar putea fi perfectă pentru mai multe aplicații militare, cum ar fi vehiculele protejate împotriva minelor, vehiculele blindate amfibii, vehiculele de aprovizionare și ferestrele cabinei aeronavelor.
Potrivit Sanghera, laboratorul său intenționează, pe baza dezvoltărilor existente, să creeze o armură transparentă conformă ușoară, cu caracteristici multi-impact și să obțină o reducere a greutății de peste 20%, care să ofere protecție împotriva gloanțelor de puști de calibru 7, 62x39 mm.
DARPA dezvoltă și o armură transparentă Spinel cu proprietăți unice. Acest material are caracteristici excelente de impact multiplu, duritate ridicată și rezistență la eroziune, rezistență crescută la factori externi; transmite radiații infraroșii cu unde medii mai largi, care măresc capacitățile dispozitivelor de vizionare nocturnă (capacitatea de a vedea obiecte în spatele suprafețelor de sticlă) și, de asemenea, cântărește jumătate din greutatea sticlei antiglonț tradiționale.
Această activitate face parte din programul DARPA Atoms to Product (A2P), care „dezvoltă tehnologiile și procesele necesare pentru asamblarea particulelor la scară nanomatică (apropiate de dimensiunile atomice) în sisteme, componente sau materiale cel puțin la scară milimetrică”.
În ultimii opt ani, agenția a realizat o reducere a grosimii armurii transparente de bază de la aproximativ 18 cm la 6 cm, menținând în același timp caracteristicile sale de rezistență, potrivit șefului programului A2P de la DARPA, John Maine. Este alcătuit din mai multe straturi diferite, „nu toate din ceramică și nu toate din plastic sau sticlă”, care sunt lipite de materialul suport pentru a preveni crăparea. „Ar trebui să te gândești la el ca la un sistem de apărare, nu ca la o bucată de material monolitic”.
Sticla Spinel a fost fabricată pentru instalarea pe prototipurile camioanelor Armatei Americane FMTV (Family of Medium Tactical Vehicles) pentru evaluare de către Centrul de Cercetare Blindată.
În cadrul programului A2P, DARPA a acordat Voxtel, un institut din Nanomateriale și Microelectronică din Oregon, un contract de 5,59 milioane USD pentru cercetarea proceselor de fabricație care variază de la nano la macro. Acest proiect bionic implică dezvoltarea unui adeziv sintetic care imită capacitățile șopârlei gecko.
„Pe tălpile gecko-ului, există ceva ca niște fire de păr mici … de aproximativ 100 de microni lungime, care se ramifică violent. La capătul fiecărei ramuri mici se află o mică nanoplacă de aproximativ 10 nanometri. Când sunt în contact cu un perete sau tavan, aceste plăci permit gecko-ului să adere la perete sau tavan."
Maine a spus că producătorii nu ar putea reproduce niciodată aceste capabilități, deoarece nu ar putea crea nanostructuri ramificate.
„Voxtel dezvoltă tehnologii de producție care reproduc această structură biologică și captează aceste calități biologice. Folosește nanotuburi de carbon într-un mod cu adevărat nou, vă permite să creați structuri 3D complexe și să le utilizați în moduri foarte originale, nu neapărat ca structuri, ci în alte moduri mai inventive."
Voxtel dorește să dezvolte tehnici avansate de fabricație aditivă care vor produce „materiale care sunt ele însele asamblate în blocuri funcționale complete, apoi asamblate în sisteme eterogene complexe”. Aceste tehnici se vor baza pe simularea codurilor genetice simple și a reacțiilor chimice generale găsite în natură, care permit moleculelor să se auto-asambleze de la nivel atomic în structuri mari capabile să se aprovizioneze cu energie.
„Vrem să dezvoltăm un adeziv reutilizabil avansat. Am dori să obținem un material cu proprietățile unui adeziv epoxidic, dar fără eliminarea acestuia și contaminarea suprafeței, - a spus Main. "Frumusețea unui material în stil gecko este că nu lasă reziduuri și funcționează instantaneu."
Alte materiale avansate cu avans rapid includ materiale ultra-subțiri, cum ar fi grafenul și nanotuburile de carbon, care au proprietăți structurale, termice, electrice și optice care vor revoluționa spațiul de luptă de astăzi.
Grafen
În timp ce nanotuburile de carbon au un potențial bun pentru aplicații în sistemele electronice și de camuflaj, precum și în domeniul biomedical, grafenul este „mai interesant, deoarece oferă, cel puțin pe hârtie, mai multe posibilități”, a declarat Giuseppe Dakvino, un purtător de cuvânt al Apărării Europene Agenția (EOA).
Grafenul este un nanomaterial ultra-subțire format dintr-un strat de atomi de carbon cu grosimea unui atom. Grafenul ușor și durabil are o conductivitate termică și electrică record. Industria de apărare studiază cu atenție posibilitatea utilizării grafenului în aplicații care necesită rezistență, flexibilitate și rezistență la temperaturi ridicate, de exemplu, în misiuni de luptă efectuate în condiții extreme.
Dakvino a spus că grafenul „este, cel puțin teoretic, materialul viitorului. Motivul pentru care există atât de multe dezbateri interesante acum este că, după atât de mulți ani de cercetări în sectorul civil, a devenit clar că va schimba de fapt scenariile de luptă”.
„Pentru a enumera doar câteva dintre posibilități: electronică flexibilă, sisteme de putere, protecție balistică, camuflaj, filtre / membrane, materiale cu disipare ridicată a căldurii, aplicații biomedicale și senzori. Acestea sunt, de fapt, principalele direcții tehnologice."
În decembrie 2017, EAO a început un studiu de un an asupra posibilelor aplicații militare promițătoare ale grafenului și impactul acestuia asupra industriei europene de apărare. Această lucrare a fost condusă de Fundația Spaniolă pentru Cercetare și Inovare Tehnică, cu care Universitatea din Cartagena și compania britanică Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. În mai 2018, a avut loc un seminar de cercetători și experți pe grafen, unde a fost stabilită o foaie de parcurs pentru utilizarea sa în sectorul de apărare.
Potrivit EOA, „Printre materialele care au potențialul de a revoluționa capacitățile de apărare în următorul deceniu, grafenul se află pe listă. Ușor, flexibil, de 200 de ori mai puternic decât oțelul, iar conductivitatea sa electrică este incredibilă (mai bună decât siliciu), la fel și conductivitatea sa termică."
EOA a menționat, de asemenea, că grafenul are proprietăți remarcabile în domeniul „gestionării semnăturilor”. Adică, poate fi folosit pentru a produce „acoperiri radioabsorbante, care vor transforma vehiculele militare, avioanele, submarinele și navele de suprafață în obiecte aproape nedetectabile”. Toate acestea fac din grafen un material extrem de atractiv nu numai pentru industria civilă, ci și pentru aplicații militare, terestre, aeriene și maritime."
În acest scop, armata SUA studiază utilizarea grafenului pentru vehicule și îmbrăcăminte de protecție. Potrivit inginerului Emil Sandoz-Rosado de la US Army Military Research Laboratory (ARL), acest material are proprietăți mecanice excelente, un strat atomic de grafen este de 10 ori mai rigid și de peste 30 de ori mai puternic decât același strat de fibră balistică comercială. „Plafonul pentru grafen este foarte înalt. Acesta este unul dintre motivele pentru care mai multe grupuri de lucru din ARL și-au arătat interesul, deoarece caracteristicile sale de proiectare sunt foarte promițătoare în ceea ce privește rezervarea.
Cu toate acestea, există și dificultăți destul de mari. Una dintre ele este scalarea materialului; armata are nevoie de materiale de protecție care pot acoperi tancuri, vehicule și soldați. „Avem nevoie de mult mai mult. În general, vorbim despre aproximativ un milion sau mai multe straturi de care avem nevoie în acest moment”.
Sandoz-Rosado a spus că grafenul poate fi produs într-unul sau două moduri, fie printr-un proces de peeling în care grafitul de înaltă calitate este separat în straturi atomice separate, fie prin cultivarea unui singur strat atomic de grafen pe folie de cupru. Acest proces este bine stabilit de laboratoarele care produc grafen de înaltă calitate. „Nu este perfect, dar este aproape de el. Cu toate acestea, astăzi este timpul să vorbim despre mai mult de un strat atomic, avem nevoie de un produs cu drepturi depline”. În consecință, a fost lansat recent un program pentru a dezvolta procese continue de producție a grafenului la scară industrială.
„Fie că este vorba de nanotuburi de carbon sau grafen, trebuie să țineți cont de cerințele specifice care trebuie îndeplinite”, a avertizat Dakvino, menționând că descrierea formală a caracteristicilor noilor materiale avansate, standardizarea proceselor precise pentru crearea de noi materiale, reproductibilitatea acestor procese, fabricabilitatea întregului lanț (de la cercetarea de bază până la producția de demonstrații și prototipuri) necesită un studiu și o justificare atentă atunci când vine vorba de utilizarea unor materiale avansate precum grafenul și nanotuburile de carbon în platformele militare.
„Nu este vorba doar de cercetare, pentru că la urma urmei trebuie să fii sigur că un anumit material este descris oficial și atunci trebuie să fii sigur că poate fi produs într-un anumit proces. Nu este atât de ușor, deoarece procesul de fabricație se poate schimba, calitatea produsului produs poate varia în funcție de proces, astfel încât procesul trebuie repetat de mai multe ori."
Potrivit Sandoz-Rosado, ARL a lucrat cu producătorii de grafen pentru a evalua clasa de calitate a produsului și scalabilitatea acestuia. Deși nu este încă clar dacă procesele continue, care sunt la începutul formării lor, au un model de afaceri, o capacitate adecvată și dacă pot oferi calitatea necesară.
Dakvino a menționat că progresele în modelarea computerelor și în calculul cuantic ar putea accelera cercetarea și dezvoltarea, precum și dezvoltarea metodelor pentru producerea de materiale avansate în viitorul apropiat. „Cu proiectarea asistată de computer și modelarea materialelor, multe lucruri pot fi modelate: caracteristicile materialului și chiar procesele de fabricație pot fi modelate. Puteți chiar să creați realitate virtuală, unde puteți privi practic diferitele etape ale creării unui material."
Dakwino a mai spus că modelarea computerizată avansată și tehnicile de realitate virtuală oferă un avantaj prin crearea „unui sistem integrat în care puteți simula un anumit material și puteți vedea dacă acel material poate fi aplicat într-un anumit mediu”. Calculul cuantic ar putea schimba radical starea lucrurilor aici.
„În viitor, văd și mai mult interes pentru noi moduri de fabricație, noi modalități de a crea noi materiale și noi procese de fabricație prin simulare computerizată, deoarece puterea de calcul imensă poate fi obținută doar prin utilizarea computerelor cuantice.”
Potrivit lui Dakwino, unele aplicații ale grafenului sunt tehnologic mai avansate, în timp ce altele sunt mai puține. De exemplu, compozitele ceramice pe bază de matrice pot fi îmbunătățite prin integrarea plăcilor de grafen care întăresc materialul și îi cresc rezistența mecanică, reducând în același timp greutatea acestuia. „Dacă vorbim, de exemplu, despre compozite”, a continuat Dakvino, „sau, în termeni cei mai generali, despre materiale întărite prin adăugarea de grafen, atunci vom obține materiale reale și procese reale de producție în masă a acestora, dacă nu mâine, dar poate în următorii cinci ani”.
„De aceea, grafenul este atât de interesant pentru sistemele de protecție balistică. Nu pentru că grafenul poate fi folosit ca armură. Dar dacă utilizați grafen în armură ca material de întărire, atunci acesta poate deveni mai puternic decât chiar și Kevlar."
Domeniile prioritare, de exemplu, sistemele și senzorii autonomi, precum și zonele militare cu risc ridicat, cum ar fi subacvatic, spațiul și ciberneticul, depind mai ales de noile materiale avansate și de interfața nano- și microtehnologiei cu biotehnologia, „stealth” materiale, materiale reactive și sisteme de generare și stocare a energiei.
Metamaterialele și nanotehnologia, cum ar fi grafenul și nanotuburile de carbon, sunt în curs de dezvoltare rapidă astăzi. În aceste noi tehnologii, armata caută noi oportunități, explorând aplicațiile și barierele potențiale, deoarece sunt forțați să echilibreze între nevoile câmpului de luptă modern și obiectivele de cercetare pe termen lung.
