Mogućnost stvaranja materijala s negativnim kutom loma predvidio je još 1967. godine sovjetski fizičar Viktor Veselago, ali tek se sada pojavljuju prvi uzorci stvarnih struktura s takvim svojstvima. Zbog negativnog kuta loma zrake svjetlosti savijaju se oko objekta, čineći ga nevidljivim. Dakle, promatrač primjećuje samo ono što se događa iza leđa osobe koja nosi "prekrasan" ogrtač.
Kako bi stekle prednost na bojnom polju, moderne vojne snage okreću se potencijalno ometajućim sposobnostima poput naprednog oklopa i oklopa vozila te nanotehnologije. inovativna kamuflaža, novi električni uređaji, super-akumulatori i "inteligentna" ili reaktivna zaštita platformi i osoblja. Vojni sustavi postaju sve složeniji, razvijaju se i proizvode novi napredni višenamjenski materijali i materijali dvostruke namjene, a minijaturizacija teške i fleksibilne elektronike odvija se naglo.
Primjeri uključuju obećavajuće samoiscjeljujuće materijale, napredne kompozitne materijale, funkcionalnu keramiku, elektrokromne materijale, materijale za "kibernetsku zaštitu" koji reagiraju na elektromagnetske smetnje. Očekuje se da će oni postati okosnica remetilačkih tehnologija koje će neopozivo promijeniti bojište i prirodu budućih neprijateljstava.
Napredni materijali sljedeće generacije, poput metamaterijala, grafenskih i ugljikovih nanocjevčica, izazivaju veliki interes i ulaganja jer imaju svojstva i funkcionalnosti koje nema u prirodi te su prikladni za obrambene primjene i zadatke koji se izvode u ekstremnim ili neprijateljskim prostorima. Nanotehnologija koristi nanometarske materijale (10-9) kako bi mogli mijenjati strukture na atomskoj i molekularnoj razini te stvarati različita tkiva, uređaje ili sustave. Ti su materijali vrlo obećavajuće područje i u budućnosti mogu imati ozbiljan utjecaj na borbenu učinkovitost.
Metamaterijali
Prije nego nastavimo, definirajmo metamaterijal. Metamaterijal je kompozitni materijal čija svojstva ne određuju toliko svojstva njegovih sastavnih elemenata koliko umjetno stvorena periodična struktura. Oni su umjetno formirani i posebno strukturirani mediji s elektromagnetskim ili akustičkim svojstvima koja je tehnološki teško postići ili se ne nalaze u prirodi.
Kymeta Corporation, podružnica tvrtke Intellectual Ventures, 2016. godine ušla je na obrambeno tržište s metamaterijalnom antenom mTenna. Prema riječima direktora tvrtke Nathana Kundza, prijenosna antena u obliku primopredajničke antene teži oko 18 kg i troši 10 vata. Oprema za metamaterijalne antene veličine je knjige ili netbooka, nema pokretnih dijelova i proizvodi se na isti način kao LCD monitori ili ekrani pametnih telefona pomoću TFT tehnologije.
Metamaterijali se sastoje od mikrostruktura podvalne duljine, odnosno struktura čije su dimenzije manje od valne duljine zračenja koje moraju kontrolirati. Ove strukture mogu biti izrađene od nemagnetnih materijala poput bakra i gravirane na PCB podlogu od stakloplastike.
Metamaterijali se mogu stvoriti za interakciju s glavnim komponentama elektromagnetskih valova - dielektričnom konstantom i magnetskom propusnošću. Prema Pablosu Holmanu, izumitelju tvrtke Intellectual Ventures, antene stvorene pomoću metamaterijalne tehnologije mogle bi na kraju istisnuti ćelijske tornjeve, fiksne telefonske linije i koaksijalne i optičke kabele.
Tradicionalne antene podešene su tako da presreću kontroliranu energiju određene valne duljine, koja pobuđuje elektrone u anteni za stvaranje električne struje. Zauzvrat, ti se kodirani signali mogu tumačiti kao informacije.
Suvremeni antenski sustavi su nezgrapni jer različite frekvencije zahtijevaju drugu vrstu antene. U slučaju antena od metamaterijala, površinski sloj omogućuje vam promjenu smjera savijanja elektromagnetskih valova. Metamaterijali pokazuju i negativnu dielektričnu i negativnu magnetsku propusnost i stoga imaju negativan indeks loma. Ovaj negativni indeks loma, koji se ne nalazi ni u jednom prirodnom materijalu, određuje promjenu elektromagnetskih valova pri prelasku granice dva različita medija. Tako se prijemnik antene od metamaterijala može elektronički prilagoditi za primanje različitih frekvencija, što programerima omogućuje postizanje širokopojasnog pristupa i smanjenje veličine antenskih elemenata.
Metamaterijali unutar takvih antena sastavljeni su u ravnu matricu gusto zbijenih pojedinačnih ćelija (vrlo sličnu postavljanju piksela na TV ekranu) s drugom ravnom matricom paralelnih pravokutnih valovoda, kao i modulom koji kontrolira emisiju valova putem softvera i omogućuje anteni da odredi smjer zračenja.
Holman je objasnio da je najlakši način da se razumiju prednosti metamaterijalnih antena ako se pobliže pogledaju fizički otvori antene i pouzdanost internetskih veza na brodovima, zrakoplovima, dronovima i drugim pokretnim sustavima.
"Svaki novi komunikacijski satelit koji je ovih dana lansiran u orbitu", nastavio je Holman, "ima veći kapacitet nego što je konstelacija satelita imala prije samo nekoliko godina. Imamo ogroman potencijal za bežičnu komunikaciju u tim satelitskim mrežama, ali jedini način komunikacije s njima je uzimanje satelitske antene, koja je velika, teška i skupa za instalaciju i održavanje. S antenom temeljenom na metamaterijalima možemo napraviti ravnu ploču koja može usmjeravati snop i ciljati izravno u satelit.
"Pedeset posto vremena fizički upravljana antena nije satelitski orijentirana, a vi ste zapravo izvan mreže", rekao je Holman. "Stoga antena od metamaterijala može biti osobito korisna u pomorskom kontekstu, jer se antena fizički kontrolira kako bi se usmjerila prema satelitu, budući da brod često mijenja kurs i stalno se ljulja na valovima."
Bionika
Razvoj novih materijala također se kreće prema stvaranju fleksibilnih višenamjenskih sustava složenih oblika. Ovdje važnu ulogu ima primijenjena znanost o primjeni načela organizacije, svojstava, funkcija i struktura žive prirode u tehničkim uređajima i sustavima. Bionika (u zapadnoj literaturi biomimetika) pomaže osobi da stvori originalne tehničke sustave i tehnološke procese na temelju ideja pronađenih i posuđenih iz prirode.
Centar za istraživanje podmornica američke mornarice testira autonomni aparat za traženje mina (APU) koji koristi bionička načela. oponašajući kretanje morskog života. Razor je dugačak 3 metra i mogu ga nositi dvije osobe. Njegova elektronika koordinira rad četiri zamahnuta krila i dva krmena vijka. Pokreti mahanjem oponašaju kretnje nekih životinja, poput ptica i kornjača. To omogućuje APU -u da lebdi, izvodi precizno manevriranje pri malim brzinama i postiže velike brzine. Ova upravljivost također omogućuje Razoru da se lako premjesti i pluta oko objekata za 3D snimanje.
Američka pomorska istraživačka agencija financira razvoj prototipa tvrtke Pliant Energy Systems za prototip opcionalno autonomne podmornice Velox, koja zamjenjuje propelere sustavom višestabilnih, nelinearnih peraja nalik papiru koja stvaraju ponavljajuća valovita kretanja slična rampi. Uređaj pretvara kretanja elektroaktivnih, valovitih, fleksibilnih polimernih peraja s ravnom hiperboličkom geometrijom u translacijsko gibanje, slobodno se krećući pod vodom, u valovima talasa, u pijesku, nad morskom i kopnenom vegetacijom, na skliskim stijenama ili ledu.
Prema glasnogovorniku tvrtke Pliant Energy Systems, valovito kretanje prema naprijed sprječava zapletanje u gustoj vegetaciji jer nema rotirajućih dijelova, dok se minimizira oštećenje biljaka i taloga. Letjelica s niskim šumom, pogonjena litij-ionskom baterijom, može poboljšati uzgon kako bi zadržala svoj položaj pod ledom, dok se njome može daljinski upravljati. Njegovi glavni zadaci su: komunikacija, uključujući GPS, WiFi, radio ili satelitske kanale; prikupljanje obavještajnih podataka i informacija; Potraga i spašavanje; te skeniranje i identifikacija min.
Razvoj nanotehnologije i mikrostruktura također je vrlo važan u bioničkim tehnologijama, čije se nadahnuće uzima iz prirode kako bi se simulirali fizikalni procesi ili optimizirala proizvodnja novih materijala.
Američki mornarički istraživački laboratorij razvija prozirni polimerni štit koji ima slojevitu mikrostrukturu sličnu hitinskoj ljusci rakova, ali izrađen od plastičnih materijala. To omogućuje da materijal ostane konformalan u širokom rasponu temperatura i opterećenja, što mu omogućuje da se koristi za zaštitu osoblja, stacionarnih platformi, vozila i zrakoplova.
Prema riječima Yas Sanghere, voditelja optičkih materijala i uređaja u ovom laboratoriju, zaštita dostupna na tržištu obično je izrađena od tri vrste plastike i ne može sto posto izdržati metak od 9 mm ispaljen s 1-2 metra i leteći velikom brzinom 335 m / s.
Prozirni oklop koji je razvio ovaj laboratorij omogućuje smanjenje mase za 40% uz održavanje balističkog integriteta i apsorbira 68% više energije metka. Sanghera je objasnio da bi oklop mogao biti savršen za nekoliko vojnih primjena, kao što su vozila zaštićena od mina, amfibijska oklopna vozila, opskrbna vozila i prozori kokpita zrakoplova.
Prema riječima Sanghere, njegov laboratorij namjerava, na temelju postojećeg razvoja, stvoriti lagani konformni prozirni oklop s karakteristikama više udara i postići smanjenje težine za više od 20%, što će pružiti zaštitu od puščanih metaka kalibra 7, 62x39 mm.
DARPA također razvija prozirni oklop Spinel s jedinstvenim svojstvima. Ovaj materijal ima izvrsne karakteristike više udaraca, visoku tvrdoću i otpornost na eroziju, povećanu otpornost na vanjske čimbenike; odašilje šire infracrveno zračenje srednjeg vala, što povećava mogućnosti uređaja za noćno gledanje (sposobnost gledanja objekata iza staklenih površina), a teži i pola težine tradicionalnog neprobojnog stakla.
Ova je aktivnost dio DARPA -inog programa Atoms to Product (A2P), koji "razvija tehnologije i procese potrebne za sastavljanje čestica nanomjera (blizu atomskih veličina) u sustave, komponente ili materijale barem u milimetarskom mjerilu."
Tijekom posljednjih osam godina, Agencija je postigla smanjenje debljine osnovnog prozirnog oklopa sa oko 18 cm na 6 cm, zadržavajući pritom svoje karakteristike čvrstoće, rekao je voditelj programa A2P u DARPA -i John Maine. Sastoji se od mnogo različitih slojeva, "nisu svi keramički, a ne svi plastični ili stakleni", koji su pričvršćeni na podlogu kako bi se spriječilo pucanje. "Trebali biste to shvatiti kao obrambeni sustav, a ne kao monolitni komad materijala."
Spinel staklo proizvedeno je za ugradnju na prototipove kamiona američke vojske FMTV (obitelj srednjih taktičkih vozila) za ocjenu od strane Oklopnog istraživačkog centra.
U okviru programa A2P, DARPA je nagradila Voxtel, Oregonski institut za nanomaterijali i mikroelektroniku, ugovor vrijedan 5,59 milijuna dolara za istraživanje proizvodnih procesa koji se kreću od nano do makro. Ovaj bionički projekt uključuje razvoj sintetičkog ljepila koje oponaša sposobnosti guštera gekona.
“Na tabanima gekona postoji nešto poput dlačica … dugih oko 100 mikrona, koje se nasilno granaju. Na kraju svake male grane nalazi se sićušna nanoploča veličine oko 10 nanometara. U dodiru sa zidom ili stropom, ove ploče omogućuju da se gekon prilijepi za zid ili strop."
Maine je rekao da proizvođači nikada ne bi mogli ponoviti te mogućnosti jer ne mogu stvoriti razgranate nanostrukture.
“Voxtel razvija proizvodne tehnologije koje repliciraju ovu biološku strukturu i bilježe te biološke kvalitete. Koristi ugljikove nanocijevi na zaista nov način, omogućuje vam stvaranje složenih 3D struktura i njihovu upotrebu na vrlo originalne načine, ne nužno kao strukture, već na druge, inventivnije načine."
Voxtel želi razviti napredne tehnike aditivne proizvodnje koje će proizvoditi "materijale koji se sami sastavljaju u funkcionalno cjelovite blokove, a zatim sastavljaju u složene heterogene sustave". Ove će se tehnike temeljiti na simuliranju jednostavnih genetskih kodova i općih kemijskih reakcija pronađenih u prirodi, koje omogućuju molekulama da se same sastave s atomske razine u velike strukture sposobne opskrbljivati se energijom.
“Želimo razviti napredno ljepilo za višekratnu upotrebu. Željeli bismo dobiti materijal sa svojstvima epoksidnog ljepila, ali bez njegove jednokratne upotrebe i površinske kontaminacije, - rekao je Main. "Ljepota materijala u stilu gekona je u tome što ne ostavlja tragove i djeluje trenutno."
Ostali napredni materijali koji brzo napreduju uključuju ultra tanke materijale poput grafenskih i ugljikovih nanocjevčica koji imaju strukturna, toplinska, električna i optička svojstva koja će revolucionirati današnji borbeni prostor.
Grafen
Dok ugljikove nanocijevi imaju dobar potencijal za primjenu u elektroničkim i maskirnim sustavima, kao i u biomedicinskom području, grafen je "zanimljiviji jer nudi, barem na papiru, više mogućnosti", rekao je Giuseppe Dakvino, glasnogovornik Europske obrane Agencija (EOA).
Grafen je ultra tanki nanomaterijal koji se sastoji od sloja ugljikovih atoma debljine jednog atoma. Lagani i izdržljivi grafen ima rekordno visoku toplinsku i električnu vodljivost. Obrambena industrija pomno proučava mogućnost uporabe grafena u aplikacijama koje zahtijevaju njegovu snagu, fleksibilnost i otpornost na visoke temperature, na primjer, u borbenim misijama koje se izvode u ekstremnim uvjetima.
Dakvino je rekao da je grafen , barem u teoriji, materijal budućnosti. Razlog zašto se sada vodi toliko zanimljiva rasprava je taj što je nakon toliko godina istraživanja u civilnom sektoru postalo jasno da će to zapravo promijeniti borbene scenarije.”
“Navesti samo neke od mogućnosti: fleksibilna elektronika, sustavi napajanja, balistička zaštita, kamuflaža, filtri / membrane, materijali za odvođenje velike topline, biomedicinske aplikacije i senzori. To su, zapravo, glavni tehnološki pravci."
U prosincu 2017. EAO je započeo jednogodišnje istraživanje mogućih obećavajućih vojnih primjena grafena i njegovog utjecaja na europsku obrambenu industriju. Ovim radom rukovodila je Španjolska zaklada za tehnička istraživanja i inovacije s kojom su Sveučilište u Cartageni i britanska tvrtka Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. U svibnju 2018. održan je seminar istraživača i stručnjaka za grafen na kojem je utvrđena putokaz za njegovu uporabu u obrambenom sektoru.
Prema EOA -i, „Među materijalima koji imaju potencijal revolucionirati obrambene sposobnosti u sljedećem desetljeću, grafen je visoko na popisu. Lagan, fleksibilan, 200 puta jači od čelika, a njegova električna vodljivost je nevjerojatna (bolja od silicija), kao i toplinska vodljivost."
EOA je također primijetila da grafen ima izvanredna svojstva u području "upravljanja potpisom". Odnosno, može se koristiti za proizvodnju "radio-upijajućih premaza, koji će od vojnih vozila, zrakoplova, podmornica i površinskih brodova pretvoriti gotovo objekte koji se ne mogu otkriti". Sve to čini grafen iznimno privlačnim materijalom ne samo za civilnu industriju, već i za vojnu primjenu, na kopnu, u zraku i na moru."
U tu svrhu američka vojska proučava uporabu grafena za vozila i zaštitnu odjeću. Prema riječima inženjera Emila Sandoza-Rosada iz Vojno-istraživačkog laboratorija američke vojske (ARL), ovaj materijal ima izvrsna mehanička svojstva, jedan atomski sloj grafena je 10 puta čvršći i više od 30 puta jači od istog sloja komercijalnih balističkih vlakana. “Strop za grafen je vrlo visok. To je jedan od razloga zašto je nekoliko radnih skupina u ARL -u pokazalo interes za nju, jer su njezine dizajnerske karakteristike vrlo obećavajuće u smislu rezervacija.
Međutim, postoje i prilično velike poteškoće. Jedan od njih je skaliranje materijala; vojska treba zaštitne materijale koji mogu pokriti tenkove, vozila i vojnike. “Trebamo puno više. Općenito, govorimo o milijun ili više slojeva koji su nam trenutno potrebni”.
Sandoz-Rosado je rekao da se grafen može proizvesti na jedan ili dva načina, bilo postupkom ljuštenja gdje se visokokvalitetni grafit odvaja u zasebne atomske slojeve, ili uzgojem jednog atomskog sloja grafena na bakrenoj foliji. Ovaj proces dobro su ustanovili laboratoriji za proizvodnju visokokvalitetnog grafena. “Nije sasvim savršeno, ali je prilično blizu toga. Međutim, danas je vrijeme za razgovor o više od jednog atomskog sloja, potreban nam je punopravni proizvod”. Kao posljedica toga, nedavno je pokrenut program za razvoj kontinuiranih industrijskih procesa proizvodnje grafena.
"Bilo da se radi o ugljikovim nanocjevčicama ili grafenu, morate uzeti u obzir posebne zahtjeve koji moraju biti ispunjeni", upozorio je Dakvino, istaknuvši da je formalni opis karakteristika novih naprednih materijala, standardizacija preciznih procesa za stvaranje novih materijala, ponovljivost ovih procesa, proizvodnost cijelog lanca (od temeljnih istraživanja do izrade demonstracija i prototipova) trebaju pomno proučavanje i opravdanje kada je u pitanju uporaba probojnih materijala poput grafena i ugljikovih nanocjevčica na vojnim platformama.
“Ovo nije samo istraživanje, jer nakon svega morate biti sigurni da je određeni materijal službeno opisan, a zatim morate biti sigurni da se može proizvesti u određenom procesu. To nije tako jednostavno, jer se proces proizvodnje može promijeniti, kvaliteta proizvedenog proizvoda može varirati ovisno o procesu, pa se proces mora ponoviti nekoliko puta."
Prema Sandoz-Rosadu, ARL je radio s proizvođačima grafena na procjeni klase kvalitete proizvoda i njegove skalabilnosti. Iako još nije jasno imaju li kontinuirani procesi, koji su na početku svog formiranja, poslovni model, odgovarajući kapacitet i mogu li pružiti potrebnu kvalitetu.
Dakvino je napomenuo da bi napredak u računalnom modeliranju i kvantnom računalstvu mogao ubrzati istraživanje i razvoj, kao i razvoj metoda za proizvodnju naprednih materijala u bliskoj budućnosti. “Uz računalno podržano projektiranje i modeliranje materijala, mnoge se stvari mogu modelirati: mogu se modelirati karakteristike materijala, pa čak i proizvodni procesi. Možete čak stvoriti virtualnu stvarnost, gdje možete u osnovi pogledati različite faze stvaranja materijala."
Dakwino je također rekao da napredne tehnike računalnog modeliranja i virtualne stvarnosti daju prednost stvaranjem "integriranog sustava u kojem možete simulirati određeni materijal i vidjeti može li se taj materijal primijeniti u određenom okruženju". Kvantno računanje moglo bi ovdje radikalno promijeniti stanje stvari.
"U budućnosti vidim još veći interes za nove načine proizvodnje, nove načine stvaranja novih materijala i nove proizvodne procese putem računalne simulacije, budući da se ogromna računalna moć potencijalno može postići samo korištenjem kvantnih računala."
Prema Dakwinu, neke primjene grafena su tehnološki naprednije, dok su druge manje. Na primjer, keramički kompoziti na bazi matrice mogu se poboljšati integriranjem grafenskih ploča koje ojačavaju materijal i povećavaju njegovu mehaničku otpornost uz smanjenje njegove težine. "Ako govorimo, na primjer, o kompozitima", nastavio je Dakvino, "ili, najopćenitije, o materijalima ojačanim dodavanjem grafena, tada ćemo dobiti prave materijale i stvarne procese njihove masovne proizvodnje, ako ne sutra, ali možda u sljedećih pet godina ".
“Zbog toga je grafen toliko zanimljiv za sustave balističke zaštite. Ne zato što se grafen može koristiti kao oklop. Ali ako upotrijebite grafen u svom oklopu kao materijal za ojačanje, tada može postati jači čak i od kevlara."
Prioritetna područja, na primjer, autonomni sustavi i senzori, kao i vojna područja visokog rizika, poput podmorja, svemira i kibernetike, najviše ovise o novim naprednim materijalima i sučelju nano- i mikrotehnologije s biotehnologijom, „stealth“-om materijala, reaktivnih materijala i sustava za proizvodnju i skladištenje energije.
Metamaterijali i nanotehnologija poput grafenskih i ugljikovih nanocjevčica danas su u brzom razvoju. U tim novim tehnologijama vojska traži nove mogućnosti, istražujući njihove primjene i potencijalne prepreke, jer su prisiljene balansirati između potreba suvremenog bojišta i dugoročnih istraživačkih ciljeva.
