Možnost ustvarjanja materiala z negativnim lomnim kotom je že leta 1967 napovedal sovjetski fizik Viktor Veselago, vendar se šele zdaj pojavljajo prvi vzorci resničnih struktur s takšnimi lastnostmi. Zaradi negativnega lomnega kota se svetlobni žarki upognejo okoli predmeta, zaradi česar je neviden. Tako opazovalec opazi le dogajanje za hrbtom osebe, ki nosi "čudovit" ogrinjalo.
Za pridobitev prednosti na bojišču se sodobne vojaške sile obračajo na potencialno moteče zmogljivosti, kot so napredni oklepniki in oklepi za vozila ter nanotehnologija. inovativna kamuflaža, nove električne naprave, superakumulatorji in "inteligentna" ali reaktivna zaščita platform in osebja. Vojaški sistemi postajajo vse bolj zapleteni, razvijajo se in izdelujejo novi napredni večnamenski materiali in materiali z dvojno rabo, miniaturizacija težke in prilagodljive elektronike pa se dogaja skokovito.
Primeri vključujejo obetavne materiale za samozdravljenje, napredne kompozitne materiale, funkcionalno keramiko, elektrokromne materiale, materiale za "kibernetsko zaščito", ki reagirajo na elektromagnetne motnje. Pričakuje se, da bodo postali hrbtenica motečih tehnologij, ki bodo nepreklicno spremenile bojišče in naravo prihodnjih sovražnosti.
Napredni materiali naslednje generacije, kot so metamateriali, grafenske in ogljikove nanocevke, ustvarjajo veliko zanimanje in naložbe, saj imajo lastnosti in funkcionalnosti, ki jih v naravi ne najdemo, in so primerni za obrambne aplikacije in naloge, ki se izvajajo v ekstremnih ali sovražnih prostorih. Nanotehnologija uporablja materiale v nanometrskem merilu (10-9), da bi lahko spreminjali strukture na atomski in molekularni ravni ter ustvarjali različna tkiva, naprave ali sisteme. Ti materiali so zelo obetavno področje in v prihodnosti lahko resno vplivajo na bojno učinkovitost.
Metamateriali
Preden nadaljujemo, opredelimo metamateriale. Metamaterial je sestavljen material, katerega lastnosti ne določajo toliko lastnosti njegovih sestavnih delov, kolikor umetno ustvarjena periodična struktura. So umetno oblikovani in posebej strukturirani mediji z elektromagnetnimi ali zvočnimi lastnostmi, ki jih je tehnološko težko doseči ali pa jih v naravi ne najdemo.
Kymeta Corporation, hčerinsko podjetje Intellectual Ventures, je leta 2016 vstopilo na obrambni trg z metamaterialno anteno mTenna. Po besedah direktorja podjetja Nathana Kundza prenosna antena v obliki oddajniške antene tehta približno 18 kg in porabi 10 vatov. Oprema za metamaterialne antene je velikosti knjige ali netbooka, nima gibljivih delov in je izdelana na enak način kot LCD monitorji ali zasloni pametnih telefonov s tehnologijo TFT.
Metamateriali so sestavljeni iz mikrostruktur podvalovne dolžine, to je struktur, katerih dimenzije so manjše od valovne dolžine sevanja, ki ga morajo nadzorovati. Te strukture so lahko izdelane iz nemagnetnih materialov, kot je baker, in jedkane na PCB podlago iz steklenih vlaken.
Metamateriali se lahko ustvarijo za interakcijo z glavnimi komponentami elektromagnetnih valov - dielektrično konstanto in magnetno prepustnostjo. Po besedah Pablosa Holmana, izumitelja podjetja Intellectual Ventures, bi lahko antene, ustvarjene s tehnologijo metamaterialov, sčasoma nadomestile celične stolpe, stacionarne telefonske linije ter koaksialne in optične kable.
Tradicionalne antene so nastavljene tako, da prestrežejo nadzorovano energijo določene valovne dolžine, ki vzbuja elektrone v anteni za ustvarjanje električnih tokov. Ti kodirani signali pa se lahko razlagajo kot informacije.
Sodobni antenski sistemi so okorni, ker različne frekvence zahtevajo drugačno vrsto antene. Pri antenah iz metamaterialov vam površinska plast omogoča spreminjanje smeri upogibanja elektromagnetnih valov. Metamateriali kažejo negativno dielektrično in negativno magnetno prepustnost in imajo zato negativen lomni količnik. Ta negativni lomni količnik, ki ga ne najdemo v nobenem naravnem materialu, določa spremembo elektromagnetnih valov pri prehodu meje dveh različnih medijev. Tako je sprejemnik metamaterialne antene lahko elektronsko nastavljen za sprejem različnih frekvenc, kar razvijalcem omogoča doseganje širokopasovnih povezav in zmanjšanje velikosti antenskih elementov.
Metamateriali znotraj takšnih anten so sestavljeni v ravno matriko iz gosto zapakiranih posameznih celic (zelo podobno postavitvi slikovnih pik na TV -zaslon) z drugo ravno matriko vzporednih pravokotnih valovodov ter modulom, ki nadzoruje oddajanje valov s programsko opremo in omogoča anteni, da določi smer sevanja.
Holman je pojasnil, da je najlažje razumeti prednosti metamaterialnih anten, če natančneje pogledamo fizične odprtine antene in zanesljivost internetnih povezav na ladjah, letalih, brezpilotnih letalih in drugih gibljivih sistemih.
"Vsak nov komunikacijski satelit, ki je bil v teh dneh izstreljen v orbito," je nadaljeval Holman, "ima večjo zmogljivost kot je ozvezdje satelitov pred nekaj leti. V teh satelitskih omrežjih imamo ogromen potencial za brezžično komunikacijo, vendar je edini način za komunikacijo z njimi, da vzamemo satelitsko anteno, ki je velika, težka in draga za namestitev in vzdrževanje. Z anteno, ki temelji na metamaterialih, lahko naredimo ravno ploščo, ki lahko usmerja žarek in cilja neposredno na satelit.
"Petdeset odstotkov časa fizično vodljiva antena ni satelitsko usmerjena in ste dejansko brez povezave," je dejal Holman. "Zato je lahko metamaterialna antena še posebej uporabna v pomorskem kontekstu, ker je posoda fizično nadzorovana, da jo usmeri na satelit, saj ladja pogosto spreminja smer in se nenehno ziba na valovih."
Bionika
Razvoj novih materialov se premika tudi k ustvarjanju prilagodljivih večnamenskih sistemov s kompleksnimi oblikami. Tu ima pomembno vlogo uporabna znanost o uporabi načel organizacije, lastnosti, funkcij in struktur žive narave v tehničnih napravah in sistemih. Bionika (v zahodni literaturi biomimetika) pomaga človeku ustvariti izvirne tehnične sisteme in tehnološke procese, ki temeljijo na idejah, najdenih in izposojenih iz narave.
Raziskovalno središče ameriške mornarice za podmornice testira avtonomni aparat za iskanje min (APU), ki uporablja bionička načela. posnemajo gibanje morskega življenja. Razor je dolg 3 metre in ga lahko nosita dve osebi. Njegova elektronika usklajuje delo štirih mahajočih kril in dveh krmnih propelerjev. Mahajoči gibi posnemajo gibanje nekaterih živali, na primer ptic in želv. To omogoča, da APU lebdi, izvede natančno manevriranje pri nizkih hitrostih in doseže visoke hitrosti. Ta okretnost omogoča tudi, da se Razor enostavno premesti in plava okoli predmetov za 3D slikanje.
Ameriška mornariška raziskovalna agencija financira razvoj prototipa Pliant Energy Systems za opcijsko avtonomno potopno napravo Velox, ki nadomešča propelerje s sistemom večstabilnih, nelinearnih, papirju podobnih plavuti, ki ustvarjajo ponavljajoča se gibanja, podobna rampi. Naprava pretvarja gibanje elektroaktivnih, valovitih, prožnih polimernih plavuti s plosko hiperbolično geometrijo v translacijsko gibanje, ki se prosto giblje pod vodo, v valovih deskanja, v pesku, nad morsko in kopensko vegetacijo, na spolzkih skalah ali ledu.
Po besedah predstavnika podjetja Pliant Energy Systems valovito gibanje naprej preprečuje zapletanje v gosto vegetacijo, saj ni vrtljivih delov, hkrati pa zmanjšuje škodo na rastlinah in usedlinah. Plovilo z nizkim šumom, ki ga poganja litij-ionska baterija, lahko izboljša svojo plovnost, da ohrani svoj položaj pod ledom, medtem ko ga je mogoče daljinsko upravljati. Njegove glavne naloge so: komunikacija, vključno z GPS, WiFi, radijskimi ali satelitskimi kanali; zbiranje obveščevalnih podatkov in informacij; iskanje in reševanje; ter skeniranje in identifikacija min.
Razvoj nanotehnologije in mikrostruktur je zelo pomemben tudi pri bionskih tehnologijah, za katere navdih črpajo iz narave, da bi simulirali fizikalne procese ali optimizirali proizvodnjo novih materialov.
Raziskovalni laboratorij ameriške mornarice razvija prozoren polimerni ščit, ki ima večplastno mikrostrukturo, podobno hitinski lupini rakov, vendar iz plastičnih materialov. To omogoča materialu, da ostane skladen v širokem razponu temperatur in obremenitev, kar omogoča uporabo za zaščito osebja, mirujočih ploščadi, vozil in letal.
Po besedah Yas Sanghera, vodje optičnih materialov in naprav v tem laboratoriju, je zaščita, ki je na voljo na trgu, običajno narejena iz treh vrst plastike in ne more stoodstotno prenesti 9-milimetrske krogle, ki je izstreljena z razdalje 1-2 metra in leti s hitrosti 335 m / s.
Prozorni oklep, ki ga je razvil ta laboratorij, omogoča 40 -odstotno zmanjšanje mase, hkrati pa ohranja balistično celovitost in absorbira 68% več energije krogle. Sanghera je pojasnil, da bi bil oklep lahko kot nalašč za več vojaških aplikacij, kot so vozila, zaščitena pred minami, oklepna oklepna vozila, oskrbovalna vozila in okna letalske kabine.
Po besedah Sanghere namerava njegov laboratorij na podlagi obstoječega razvoja ustvariti lahek konformni prozorni oklep z značilnostmi več udarcev in doseči zmanjšanje teže za več kot 20%, kar bo zagotovilo zaščito pred puškinimi naboji kalibra 7, 62x39 mm.
DARPA razvija tudi prozorni oklep Spinel z edinstvenimi lastnostmi. Ta material ima odlične lastnosti več udarcev, visoko trdoto in odpornost proti eroziji, povečano odpornost na zunanje dejavnike; prenaša širše srednjevalno infrardeče sevanje, kar povečuje zmogljivosti naprav za nočno opazovanje (sposobnost videnja predmetov za steklenimi površinami), tehta pa tudi polovico teže tradicionalnega neprebojnega stekla.
Ta dejavnost je del programa DARPA Atoms to Product (A2P), ki "razvija tehnologije in procese, potrebne za sestavljanje delcev na nanometru (blizu atomskih velikosti) v sisteme, komponente ali materiale vsaj v milimetrskem merilu."
V zadnjih osmih letih je agencija dosegla zmanjšanje debeline osnovnega prozornega oklepa s približno 18 cm na 6 cm, hkrati pa ohranila svoje trdnostne lastnosti, je povedal vodja programa A2P pri DARPA John Maine. Sestavljen je iz številnih različnih plasti, "niso vse keramične in niso vse plastične ali steklene", ki so pritrjene na podlago, da se prepreči razpokanje. "Na to bi morali gledati kot na obrambni sistem, ne kot na monolitni kos materiala."
Spinel steklo je bilo izdelano za vgradnjo v prototipe tovornjakov ameriške vojske FMTV (družina srednjih taktičnih vozil), ki jih je ocenilo Armored Research Center.
V okviru programa A2P je DARPA podelila Voxtelu, inštitutu za nanomateriale in mikroelektroniko v Oregonu, pogodbo v višini 5,59 milijona dolarjev za raziskovanje proizvodnih procesov, ki segajo od nano do makro. Ta bionični projekt vključuje razvoj sintetičnega lepila, ki posnema sposobnosti gekonskega kuščarja.
»Na podplatih gekona je nekaj podobnega majhnim dlakam … dolgim približno 100 mikronov, ki se močno vejo. Na koncu vsake majhne veje je majhna nano plošča, velika približno 10 nanometrov. V stiku s steno ali stropom te plošče omogočajo, da se gekon prilepi na steno ali strop."
Maine je dejal, da proizvajalci nikoli ne bi mogli ponoviti teh zmogljivosti, ker ne morejo ustvariti razvejanih nanostruktur.
»Voxtel razvija proizvodne tehnologije, ki ponavljajo to biološko strukturo in zajemajo te biološke lastnosti. Ogljikove nanocevke uporablja na resnično nov način, omogoča ustvarjanje kompleksnih 3D struktur in jih uporablja na zelo izviren način, ne nujno kot strukture, ampak na druge, bolj iznajdljive načine."
Voxtel želi razviti napredne aditivne proizvodne tehnike, ki bodo proizvajale "materiale, ki so sami sestavljeni v funkcionalno popolne bloke, nato pa sestavljeni v zapletene heterogene sisteme". Te tehnike bodo temeljile na simulaciji preprostih genetskih kod in splošnih kemijskih reakcij v naravi, ki molekulam omogočajo, da se z atomske ravni samosestavijo v velike strukture, ki se lahko oskrbujejo z energijo.
»Želimo razviti napredno lepilo za večkratno uporabo. Želeli bi dobiti material z lastnostmi epoksidnega lepila, vendar brez njegove uporabe za enkratno uporabo in površinske kontaminacije, - je dejal Main. "Lepota materiala v slogu gekona je, da ne pušča sledi in deluje takoj."
Drugi hitro napredujoči materiali vključujejo ultra tanke materiale, kot so grafenske in ogljikove nanocevke, ki imajo strukturne, toplotne, električne in optične lastnosti, ki bodo revolucionirale današnji bojni prostor.
Grafen
Medtem ko imajo ogljikove nanocevke dober potencial za uporabo v elektronskih in maskirnih sistemih ter na biomedicinskem področju, je grafen "bolj zanimiv, ker ponuja vsaj na papirju več možnosti," je povedal predstavnik evropske obrambe Giuseppe Dakvino Agencija (EOA).
Grafen je ultra tanek nanomaterial, ki ga tvori plast ogljikovih atomov debeline enega atoma. Lahek in trpežen grafen ima rekordno visoko toplotno in električno prevodnost. Obrambna industrija skrbno preučuje možnost uporabe grafena v aplikacijah, ki zahtevajo njegovo moč, prilagodljivost in odpornost na visoke temperature, na primer v bojnih misijah, ki se izvajajo v ekstremnih razmerah.
Dakvino je dejal, da je grafen "vsaj v teoriji material prihodnosti. Razlog, zakaj je zdaj toliko zanimivih razprav, je, ker je po toliko letih raziskav v civilnem sektorju postalo jasno, da bo to dejansko spremenilo bojne scenarije."
»Če naštejem le nekaj možnosti: prilagodljiva elektronika, energetski sistemi, balistična zaščita, kamuflaža, filtri / membrane, materiali za odvajanje visoke toplote, biomedicinske aplikacije in senzorji. To so pravzaprav glavne tehnološke smeri."
Decembra 2017 je EAO začel enoletno študijo možnih obetavnih vojaških aplikacij grafena in njihovega vpliva na evropsko obrambno industrijo. To delo je vodila španska fundacija za tehnične raziskave in inovacije, s katero sta Univerza v Cartageni in britansko podjetje Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. Maja 2018 je potekal seminar raziskovalcev in strokovnjakov o grafenu, kjer je bil določen načrt za njegovo uporabo v obrambnem sektorju.
Po podatkih EOA: »Med materiali, ki imajo potencial za revolucijo obrambnih zmogljivosti v naslednjem desetletju, je grafen visoko na seznamu. Lahek, prilagodljiv, 200 -krat močnejši od jekla, njegova prevodnost pa neverjetna (boljša od silicija), prav tako njegova toplotna prevodnost."
EOA je tudi ugotovila, da ima grafen izjemne lastnosti na področju "upravljanja podpisov". To pomeni, da se lahko uporablja za izdelavo "radijsko absorbirajočih premazov, ki bodo vojaška vozila, letala, podmornice in površinske ladje spremenili v skoraj neopazne predmete". Zaradi vsega tega je grafen izjemno privlačen material ne samo za civilno industrijo, ampak tudi za vojaške namene, na kopnem, v zraku in na morju."
V ta namen ameriška vojska preučuje uporabo grafena za vozila in zaščitna oblačila. Po besedah inženirja Emila Sandoza-Rosada iz vojaškega raziskovalnega laboratorija ameriške vojske (ARL) ima ta material odlične mehanske lastnosti, ena atomska plast grafena je 10-krat trša in več kot 30-krat močnejša od iste plasti komercialnih balističnih vlaken. Zgornja meja za grafen je zelo visoka. To je eden od razlogov, zakaj je zanj pokazalo zanimanje več delovnih skupin v ARL, saj so njegove oblikovne lastnosti zelo obetavne v smislu rezervacije.
Vendar pa obstajajo tudi precej velike težave. Eden od njih je skaliranje materiala; vojska potrebuje zaščitne materiale, ki lahko pokrijejo tanke, vozila in vojake. "Potrebujemo veliko več. Na splošno govorimo o milijonu ali več slojih, ki jih trenutno potrebujemo."
Sandoz-Rosado je dejal, da je grafen mogoče proizvesti na enega ali dva načina, bodisi s postopkom luščenja, pri katerem je visokokakovostni grafit ločen v ločene atomske plasti, bodisi z gojenjem ene same atomske plasti grafena na bakreni foliji. Ta proces so dobro uveljavili laboratoriji, ki proizvajajo visokokakovosten grafen. "Ni ravno popolno, je pa precej blizu. Vendar je danes čas, da govorimo o več kot eni atomski plasti, potrebujemo polnopravni izdelek. " Posledično se je pred kratkim začel izvajati program za razvoj neprekinjenih industrijskih procesov proizvodnje grafena.
"Ne glede na to, ali gre za ogljikove nanocevke ali grafen, morate upoštevati posebne zahteve, ki jih je treba izpolniti," je opozoril Dakvino in opozoril, da uradni opis značilnosti novih naprednih materialov, standardizacija natančnih postopkov za ustvarjanje novih materialov, ponovljivost teh procesov, proizvodnost celotne verige (od osnovnih raziskav do izdelave predstavitev in prototipov) potrebujejo natančno preučitev in utemeljitev, ko gre za uporabo prebojnih materialov, kot so grafen in ogljikove nanocevke na vojaških platformah.
»To ni samo raziskava, kajti navsezadnje morate biti prepričani, da je določeno gradivo uradno opisano, nato pa morate biti prepričani, da ga je mogoče proizvesti v določenem procesu. To ni tako enostavno, saj se lahko proizvodni proces spremeni, kakovost proizvedenega izdelka se lahko razlikuje glede na postopek, zato je treba postopek večkrat ponoviti."
Po navedbah Sandoz-Rosado je ARL sodelovala s proizvajalci grafena pri ocenjevanju kakovostnega razreda izdelka in njegove razširljivosti. Čeprav še ni jasno, ali imajo neprekinjeni procesi, ki so na začetku oblikovanja, poslovni model, ustrezno zmogljivost in ali lahko zagotovijo zahtevano kakovost.
Dakvino je opozoril, da bi lahko napredek na področju računalniškega modeliranja in kvantnega računalništva pospešil raziskave in razvoj ter razvoj metod za proizvodnjo naprednih materialov v bližnji prihodnosti. »Z računalniško podprtim načrtovanjem in modeliranjem materialov je mogoče modelirati marsikaj: lahko se modelirajo značilnosti materiala in celo proizvodni procesi. Ustvarite lahko celo virtualno resničnost, kjer si lahko v bistvu ogledate različne stopnje ustvarjanja materiala."
Dakwino je dejal tudi, da napredne tehnike računalniškega modeliranja in navidezne resničnosti prinašajo prednost z ustvarjanjem "integriranega sistema, kjer lahko simulirate določeno gradivo in preverite, ali ga je mogoče uporabiti v določenem okolju". Kvantno računalništvo bi lahko korenito spremenilo stanje tukaj.
"V prihodnosti vidim še več zanimanja za nove načine proizvodnje, nove načine ustvarjanja novih materialov in nove proizvodne procese z računalniško simulacijo, saj je ogromno računalniško moč potencialno mogoče doseči le z uporabo kvantnih računalnikov."
Po mnenju Dakwina so nekatere aplikacije grafena tehnološko naprednejše, druge pa manj. Na primer, keramične kompozite na osnovi matrike je mogoče izboljšati z integracijo grafenskih plošč, ki ojačajo material in povečajo njegovo mehansko odpornost, hkrati pa zmanjšajo njegovo težo. "Če govorimo na primer o kompozitih," je nadaljeval Dakvino, "ali na splošno o materialih, ojačanih z dodajanjem grafena, potem bomo dobili prave materiale in resnične procese njihove množične proizvodnje, če ne jutri, mogoče pa v naslednjih petih letih ".
"Zato je grafen tako zanimiv za balistične sisteme zaščite. Ne zato, ker se grafen lahko uporablja kot oklep. Če pa v oklepu uporabite grafen kot ojačitveni material, potem lahko postane močnejši celo od kevlarja."
Prednostna področja, na primer avtonomni sistemi in senzorji, pa tudi vojaška območja z visokim tveganjem, kot so podvodna, vesoljska in kibernetska, so predvsem odvisna od novih naprednih materialov in vmesnika nano- in mikrotehnologije z biotehnologijo, »prikritega« materialov, reaktivnih materialov ter sistemov za proizvodnjo in shranjevanje energije.
Metamateriali in nanotehnologija, kot so grafenske in ogljikove nanocevke, se danes hitro razvijajo. V teh novih tehnologijah vojska išče nove priložnosti, raziskuje njihove aplikacije in potencialne ovire, saj je prisiljena uravnotežiti potrebe sodobnega bojišča in dolgoročne raziskovalne cilje.
