Možnosť vytvorenia materiálu s negatívnym uhlom lomu predpovedal už v roku 1967 sovietsky fyzik Viktor Veselago, ale až teraz sa objavujú prvé vzorky skutočných štruktúr s takýmito vlastnosťami. V dôsledku negatívneho uhla lomu sa lúče svetla ohýbajú okolo predmetu a robia ho neviditeľným. Pozorovateľ si teda všimne iba to, čo sa deje za chrbtom osoby, ktorá má „nádherný“plášť.
Na získanie náskoku na bojisku sa moderné vojenské sily obracajú na potenciálne rušivé schopnosti, ako sú pokročilé pancierovanie a pancierovanie vozidiel a nanotechnológie. inovatívna kamufláž, nové elektrické zariadenia, superakumulátory a „inteligentná“alebo reaktívna ochrana platforiem a personálu. Vojenské systémy sú stále komplexnejšie, vyvíjajú a vyrábajú sa nové pokročilé multifunkčné materiály a materiály na dvojaké použitie a miniaturizácia ťažkej a flexibilnej elektroniky prebieha míľovými krokmi.
Medzi príklady patria sľubné samoopravné materiály, pokročilé kompozitné materiály, funkčná keramika, elektrochromické materiály, materiály „kybernetického tienenia“, ktoré reagujú na elektromagnetické rušenie. Očakáva sa, že sa stanú chrbticou prelomových technológií, ktoré nenávratne zmenia bojisko a povahu budúcich nepriateľských akcií.
Pokročilé materiály novej generácie, ako sú metamateriály, grafén a uhlíkové nanorúrky, prinášajú veľký záujem a investície, pretože majú vlastnosti a funkcie, ktoré sa v prírode nenachádzajú a sú vhodné na obranné aplikácie a úlohy vykonávané v extrémnych alebo nepriateľských priestoroch. Nanotechnológia používa materiály v nanometrovom meradle (10-9), aby boli schopné modifikovať štruktúry na atómovej a molekulárnej úrovni a vytvárať rôzne tkanivá, zariadenia alebo systémy. Tieto materiály sú veľmi sľubnou oblasťou a v budúcnosti môžu mať vážny vplyv na účinnosť boja.
Metamateriály
Predtým, ako budeme pokračovať, definujme metamateriály. Metamateriál je kompozitný materiál, ktorého vlastnosti nie sú určené ani tak vlastnosťami jeho základných prvkov, ako umelo vytvorenou periodickou štruktúrou. Sú to umelo tvarované a špeciálne štruktúrované médiá s elektromagnetickými alebo akustickými vlastnosťami, ktoré je technologicky ťažké dosiahnuť alebo sa nenachádzajú v prírode.
Spoločnosť Kymeta Corporation, dcérska spoločnosť spoločnosti Intellectual Ventures, vstúpila na obranný trh v roku 2016 s metamateriálnou anténou mTenna. Podľa riaditeľa spoločnosti Nathana Kundza prenosná anténa v podobe antény transceiveru váži asi 18 kg a spotrebuje 10 wattov. Zariadenie pre metamateriálové antény je veľké asi ako kniha alebo netbook, nemá žiadne pohyblivé časti a je vyrobené rovnakým spôsobom ako LCD monitory alebo obrazovky smartfónov pomocou technológie TFT.
Metamateriály sa skladajú z mikroštruktúr subvlnnej dĺžky, to znamená zo štruktúr, ktorých rozmery sú menšie ako vlnová dĺžka žiarenia, ktoré musia ovládať. Tieto štruktúry môžu byť vyrobené z nemagnetických materiálov, ako je meď, a vyleptané na sklolaminátový PCB substrát.
Metamateriály je možné vytvárať tak, aby interagovali s hlavnými zložkami elektromagnetických vĺn - dielektrickou konštantou a magnetickou permeabilitou. Podľa Pablosa Holmana, vynálezcu spoločnosti Intellectual Ventures, by antény vytvorené pomocou metamateriálovej technológie mohli nakoniec nahradiť veže buniek, pevné telefónne linky a koaxiálne a optické káble.
Tradičné antény sú naladené tak, aby zachytávali kontrolovanú energiu konkrétnej vlnovej dĺžky, ktorá excituje elektróny v anténe a generuje elektrické prúdy. Na druhej strane môžu byť tieto kódované signály interpretované ako informácie.
Moderné anténne systémy sú ťažkopádne, pretože rôzne frekvencie vyžadujú iný typ antény. V prípade antén z metamateriálov vám povrchová vrstva umožňuje zmeniť smer ohybu elektromagnetických vĺn. Metamateriály vykazujú negatívnu dielektrickú aj negatívnu magnetickú permeabilitu, a preto majú negatívny index lomu. Tento negatívny index lomu, ktorý sa nenachádza v žiadnom prírodnom materiáli, určuje zmenu elektromagnetických vĺn pri prekročení hranice dvoch rôznych médií. Prijímač metamateriálovej antény môže byť teda elektronicky naladený na príjem rôznych frekvencií, čo vývojárom umožňuje dosiahnuť širokopásmové pripojenie a zmenšiť veľkosť anténnych prvkov.
Metamateriály vo vnútri týchto antén sú zostavené do plochej matice husto zabalených jednotlivých buniek (veľmi podobné umiestneniu pixelov na televíznej obrazovke) s ďalšou plochou maticou rovnobežných obdĺžnikových vlnovodov, ako aj do modulu, ktorý pomocou softvéru riadi emisiu vĺn a umožňuje anténe určiť smer žiarenia.
Holman vysvetlil, že najľahším spôsobom, ako porozumieť výhodám metamateriálových antén, je bližšie sa pozrieť na fyzické otvory antény a spoľahlivosť internetového pripojenia na lodiach, lietadlách, dronoch a iných pohyblivých systémoch.
"Každý nový komunikačný satelit vynesený na obežnú dráhu v týchto dňoch," pokračoval Holman, "má väčšiu kapacitu, ako mala konštelácia satelitov pred niekoľkými rokmi." V týchto satelitných sieťach máme obrovský potenciál pre bezdrôtovú komunikáciu, ale jediný spôsob, ako s nimi komunikovať, je vziať si satelitnú anténu, ktorá je veľká, ťažká a drahá na inštaláciu a údržbu. S anténou založenou na metamateriáloch dokážeme vyrobiť plochý panel, ktorý môže smerovať lúč a mieriť priamo na satelit.
"Päťdesiat percent času fyzicky ovládateľnej antény nie je orientované na satelit a ste skutočne offline," povedal Holman. „Preto môže byť metamateriálna anténa obzvlášť užitočná v námornom kontexte, pretože parabola je fyzicky ovládaná tak, aby bola nasmerovaná na satelit, pretože loď často mení kurz a neustále sa vlní.“
Bionika
Vývoj nových materiálov smeruje aj k vytváraniu flexibilných multifunkčných systémov so zložitými tvarmi. Tu hrá aplikovaná veda dôležitú úlohu pri uplatňovaní princípov organizácie, vlastností, funkcií a štruktúr živej prírody v technických zariadeniach a systémoch. Bionika (v západnej literatúre biomimetika) pomáha človeku vytvárať originálne technické systémy a technologické postupy na základe myšlienok nájdených a požičaných z prírody.
Výskumné centrum ponoriek amerického námorníctva testuje autonómny prístroj na vyhľadávanie mín (APU), ktorý používa bionické princípy. napodobňujúce pohyby morského života. Žiletka je 3 metre dlhá a môžu ju nosiť dve osoby. Jeho elektronika koordinuje prácu štyroch mávajúcich krídel a dvoch zadných vrtúľ. Tlieskavé pohyby napodobňujú pohyby niektorých zvierat, napríklad vtákov a korytnačiek. To umožňuje APU vznášať sa, vykonávať presné manévrovanie pri nízkych rýchlostiach a dosiahnuť vysoké rýchlosti. Táto manévrovateľnosť tiež umožňuje britve ľahko sa premiestniť a vznášať sa okolo predmetov pre 3D zobrazovanie.
Americká výskumná agentúra pre námorníctvo financuje vývoj prototypu spoločnosti Pliant Energy Systems pre voliteľne autonómne ponorné plavidlo Velox, ktoré nahrádza vrtule systémom multistabilných, nelineárnych, papierových plutiev, ktoré generujú opakujúce sa zvlnené pohyby podobné rampám. Zariadenie premieňa pohyby elektroaktívnych, vlnitých, pružných polymérnych plutiev s planárnou hyperbolickou geometriou na translačný pohyb, voľne sa pohybujúci pod vodou, vo vlnách príboja, v piesku, nad morskou a suchozemskou vegetáciou, na klzkých skalách alebo na ľade.
Podľa hovorcu spoločnosti Pliant Energy Systems zvlnený pohyb vpred bráni zamotaniu sa do hustej vegetácie, pretože neexistujú žiadne rotujúce časti, pričom sa minimalizuje poškodenie rastlín a sedimentu. Nízkohlukové plavidlo poháňané lítium-iónovou batériou môže zlepšiť svoj vztlak a udržať si polohu pod ľadom, pričom je možné ho ovládať na diaľku. Jeho hlavnými úlohami sú: komunikácia vrátane GPS, WiFi, rádiových alebo satelitných kanálov; zhromažďovanie spravodajských informácií a informácií; pátracie a záchranné; a skenovanie a identifikácia min.
Rozvoj nanotechnológií a mikroštruktúr je veľmi dôležitý aj v bionických technológiách, ktorých inšpirácia je čerpaná z prírody za účelom simulácie fyzikálnych procesov alebo optimalizácie výroby nových materiálov.
Americké námorné výskumné laboratórium vyvíja priehľadný polymérový štít, ktorý má vrstvenú mikroštruktúru podobnú chitinóznej škrupine kôrovcov, ale je vyrobený z plastových materiálov. To umožňuje, aby materiál zostal zhodný v širokom rozsahu teplôt a zaťažení, čo umožňuje jeho použitie na ochranu personálu, stacionárnych platforiem, vozidiel a lietadiel.
Podľa Yasa Sangheru, vedúceho optických materiálov a zariadení v tomto laboratóriu, je ochrana dostupná na trhu zvyčajne vyrobená z troch druhov plastov a nemôže stopercentne odolávať 9 mm guľke vystrelenej z 1 až 2 metrov a letiacej z rýchlosti. 335 m / s.
Priehľadné brnenie vyvinuté týmto laboratóriom umožňuje 40% zníženie hmotnosti pri zachovaní balistickej integrity a absorbuje o 68% viac energie strely. Sanghera vysvetlil, že brnenie by mohlo byť perfektné pre niekoľko vojenských aplikácií, ako sú vozidlá chránené proti mínam, obojživelné obrnené vozidlá, zásobovacie vozidlá a okná kokpitu lietadla.
Podľa Sanghera má jeho laboratórium na základe existujúceho vývoja v úmysle vytvoriť ľahké konformné priehľadné pancierovanie s viacúčinovými vlastnosťami a dosiahnuť zníženie hmotnosti o viac ako 20%, ktoré poskytne ochranu pred guľkami pušky kalibru 7, 62 x 39 mm.
DARPA vyvíja aj priehľadné brnenie Spinel s unikátnymi vlastnosťami. Tento materiál má vynikajúce viacúčelové vlastnosti, vysokú tvrdosť a odolnosť proti erózii, zvýšenú odolnosť voči vonkajším faktorom; prenáša širšie infračervené žiarenie so strednými vlnami, čo zvyšuje možnosti zariadení pre nočné videnie (schopnosť vidieť objekty za sklenenými povrchmi), a tiež váži polovicu hmotnosti tradičného nepriestrelného skla.
Táto aktivita je súčasťou programu DARPA Atoms to Product (A2P), ktorý „vyvíja technológie a procesy potrebné na zostavovanie častíc nanometrov (blízkych atómovým veľkostiam) do systémov, komponentov alebo materiálov aspoň v milimetrovom meradle“.
Podľa vedúceho programu A2P v DARPA Johna Maineho dosiahla agentúra za posledných osem rokov zníženie hrúbky základného priehľadného panciera z približne 18 cm na 6 cm pri zachovaní jeho pevnostných charakteristík. Skladá sa z mnohých rôznych vrstiev, „nie všetky sú keramické a nie všetky sú plastové alebo sklenené“, ktoré sú prilepené k podkladovému materiálu, aby sa zabránilo praskaniu. „Mali by ste to chápať ako obranný systém, nie ako monolitický kus materiálu.“
Sklo Spinel bolo vyrobené na inštaláciu na prototypy nákladných automobilov americkej armády FMTV (Family of Medium Tactical Vehicles) na vyhodnotenie Armored Research Center.
V rámci programu A2P udelila DARPA spoločnosti Voxtel, Oregonský inštitút pre nanomateriály a mikroelektroniku, zmluvu vo výške 5,59 milióna dolárov na výskum výrobných procesov, ktoré siahajú od nano po makro. Tento bionický projekt zahŕňa vývoj syntetického lepidla, ktoré napodobňuje schopnosti jaštera gekona.
"Na chodidlách gekona sú niečo ako malé chĺpky … dlhé asi 100 mikrónov, ktoré sa prudko rozvetvujú." Na konci každej malej vetvy je malá nanoplatňa o veľkosti asi 10 nanometrov. Pri kontakte so stenou alebo stropom tieto platne umožňujú gekónovi priľnúť k stene alebo stropu. “
Maine povedal, že výrobcovia nikdy nedokážu replikovať tieto schopnosti, pretože nevedia vytvárať rozvetvené nanostruktúry.
"Voxtel vyvíja výrobné technológie, ktoré replikujú túto biologickú štruktúru a zachytávajú tieto biologické vlastnosti." Používa uhlíkové nanorúrky skutočne novým spôsobom, umožňuje vám vytvárať komplexné 3D štruktúry a používať ich veľmi originálnym spôsobom, nie nevyhnutne ako štruktúry, ale inými, vynaliezavejšími spôsobmi. “
Spoločnosť Voxtel chce vyvinúť pokročilé techniky aditívnej výroby, ktoré budú produkovať „materiály, ktoré sú samy zostavené do funkčne úplných blokov a potom zostavené do komplexných heterogénnych systémov“. Tieto techniky budú založené na simulácii jednoduchých genetických kódov a všeobecných chemických reakcií nachádzajúcich sa v prírode, ktoré umožňujú molekulám zostaviť sa z atómovej úrovne do veľkých štruktúr, ktoré sú schopné dodávať energiu.
"Chceme vyvinúť pokročilé opakovane použiteľné lepidlo." Chceli by sme získať materiál s vlastnosťami epoxidového lepidla, ale bez jeho jednorazovosti a povrchovej kontaminácie, - povedal Main. "Krása materiálu v štýle gecko je, že nezanecháva žiadne zvyšky a funguje okamžite."
Medzi ďalšie rýchlo napredujúce pokročilé materiály patria ultratenké materiály, ako sú grafénové a uhlíkové nanorúrky, ktoré majú štrukturálne, tepelné, elektrické a optické vlastnosti, ktoré znamenajú revolúciu v dnešnom bojovom priestore.
Grafén
Zatiaľ čo uhlíkové nanorúrky majú dobrý potenciál pre aplikácie v elektronických a kamuflážnych systémoch, ako aj v biomedicínskom poli, grafén je „zaujímavejší, pretože ponúka aspoň na papieri viac možností,“povedal Giuseppe Dakvino, hovorca európskej obrany. Agentúra (EOA).
Graphene je ultratenký nanomateriál tvorený vrstvou atómov uhlíka hrubých jeden atóm. Ľahký a odolný grafén má rekordne vysokú tepelnú a elektrickú vodivosť. Obranný priemysel starostlivo skúma možnosti použitia grafénu v aplikáciách, ktoré vyžadujú jeho pevnosť, flexibilitu a odolnosť voči vysokým teplotám, napríklad v bojových misiách vykonávaných v extrémnych podmienkach.
Dakvino povedal, že grafén „je, aspoň teoreticky, materiálom budúcnosti. Dôvod, prečo je teraz taká zaujímavá diskusia, je ten, že po toľkých rokoch výskumu v civilnom sektore sa ukázalo, že skutočne zmení bojové scenáre. “
"Aby sme vymenovali len niektoré z možností: flexibilná elektronika, energetické systémy, balistická ochrana, kamufláž, filtre / membrány, materiály s vysokým odvodom tepla, biomedicínske aplikácie a senzory." Toto sú v skutočnosti hlavné technologické smery. “
V decembri 2017 začal EAO ročnú štúdiu možných sľubných vojenských aplikácií grafénu a jeho vplyvu na európsky obranný priemysel. Túto prácu viedla Španielska nadácia pre technický výskum a inovácie, s ktorou Univerzita v Cartagene a britská spoločnosť Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. V máji 2018 sa uskutočnil seminár vedcov a odborníkov o graféne, kde bol určený plán jeho použitia v obrannom sektore.
Podľa EOA: „Medzi materiálmi, ktoré majú potenciál priniesť v budúcom desaťročí revolúciu v obranných schopnostiach, je grafén na prvom mieste. Je ľahký, pružný, 200 -krát silnejší ako oceľ a jeho elektrická vodivosť je neuveriteľná (lepšia ako kremík), rovnako ako tepelná vodivosť."
EOA tiež poznamenala, že grafén má pozoruhodné vlastnosti v oblasti „správy podpisov“. To znamená, že môže byť použitý na výrobu „rádionuklidových povlakov, ktoré premenia vojenské vozidlá, lietadlá, ponorky a povrchové lode na takmer nezistiteľné objekty“. To všetko robí z grafénu mimoriadne atraktívny materiál nielen pre civilný priemysel, ale aj pre vojenské aplikácie, pozemné, vzdušné a námorné. “
Za týmto účelom americká armáda študuje používanie grafénu vo vozidlách a ochrannom odeve. Podľa inžiniera Emila Sandoz-Rosada z Vojenského výskumného laboratória americkej armády (ARL) má tento materiál vynikajúce mechanické vlastnosti, jedna atómová vrstva grafénu je 10-krát tuhšia a viac ako 30-krát silnejšia ako rovnaká vrstva komerčného balistického vlákna. "Strop pre grafén je veľmi vysoký." Aj preto oň prejavilo záujem niekoľko pracovných skupín v ARL, pretože jeho dizajnové vlastnosti sú z hľadiska rezervácie veľmi sľubné.
Existujú však aj dosť veľké ťažkosti. Jednou z nich je škálovanie materiálu; armáda potrebuje ochranný materiál, ktorý dokáže pokryť tanky, vozidlá a vojakov. "Potrebujeme oveľa viac." Vo všeobecnosti hovoríme o milióne alebo viacerých vrstvách, ktoré v súčasnosti potrebujeme “.
Sandoz-Rosado uviedol, že grafén sa môže vyrábať jedným alebo dvoma spôsobmi, a to buď odlupovaním, kde sa vysokokvalitný grafit oddeľuje do oddelených atómových vrstiev, alebo pestovaním jednej atómovej vrstvy grafénu na medenej fólii. Tento proces je dobre zavedený v laboratóriách vyrábajúcich vysoko kvalitný grafén. "Nie je to úplne dokonalé, ale je to k tomu veľmi blízko." Dnes je však načase hovoriť o viac ako jednej atómovej vrstve, potrebujeme plnohodnotný produkt “. V dôsledku toho bol nedávno spustený program na rozvoj kontinuálnych procesov výroby grafénu v priemyselnom meradle.
"Či už ide o uhlíkové nanorúrky alebo grafén, musíte vziať do úvahy špecifické požiadavky, ktoré musia byť splnené," varoval Dakvino s tým, že formálny popis charakteristík nových pokrokových materiálov, štandardizácia presných procesov vytvárania nových materiálov, reprodukovateľnosť týchto procesov, vyrobiteľnosť celého reťazca (od základného výskumu po výrobu demonštračných a prototypových) si vyžadujú starostlivé preštudovanie a zdôvodnenie, pokiaľ ide o používanie prelomových materiálov, akými sú grafén a uhlíkové nanorúrky, na vojenských platformách.
"Nie je to len výskum, pretože koniec koncov si musíte byť istí, že určitý materiál je oficiálne popísaný, a potom si musíte byť istí, že môže byť vyrobený v určitom procese."Nie je to také jednoduché, pretože výrobný proces sa môže meniť, kvalita vyrábaného produktu sa môže líšiť v závislosti od postupu, preto sa tento proces musí niekoľkokrát opakovať. “
Podľa spoločnosti Sandoz-Rosado ARL spolupracovala s výrobcami grafénu na posúdení triedy kvality výrobku a jeho škálovateľnosti. Aj keď zatiaľ nie je jasné, či kontinuálne procesy, ktoré sú na začiatku ich formovania, majú obchodný model, primeranú kapacitu a či dokážu poskytnúť požadovanú kvalitu.
Dakvino poznamenal, že pokroky v počítačovom modelovaní a kvantovom výpočte by mohli v blízkej budúcnosti urýchliť výskum a vývoj, ako aj vývoj metód na výrobu pokročilých materiálov. "S počítačom podporovaným dizajnom a modelovaním materiálu je možné modelovať mnoho vecí: je možné modelovať vlastnosti materiálu a dokonca aj výrobné procesy." Môžete dokonca vytvoriť virtuálnu realitu, kde sa v zásade môžete pozrieť na rôzne fázy vytvárania materiálu. “
Dakwino tiež uviedol, že pokročilé počítačové modelovanie a techniky virtuálnej reality poskytujú výhodu vytvorením „integrovaného systému, v ktorom môžete simulovať konkrétny materiál a zistiť, či je tento materiál možné použiť v konkrétnom prostredí“. Kvantové počítače by tu mohli radikálne zmeniť stav vecí.
"V budúcnosti vidím ešte väčší záujem o nové spôsoby výroby, nové spôsoby vytvárania nových materiálov a nové výrobné procesy prostredníctvom počítačovej simulácie, pretože obrovský výpočtový výkon je potenciálne možné dosiahnuť iba pomocou kvantových počítačov."
Podľa Dakwina sú niektoré aplikácie grafénu technologicky vyspelejšie, zatiaľ čo iné sú menej. Napríklad keramické kompozity na báze matrice je možné zlepšiť integráciou grafénových platní, ktoré spevňujú materiál a zvyšujú jeho mechanickú odolnosť a súčasne znižujú jeho hmotnosť. "Ak hovoríme napríklad o kompozitoch," pokračoval Dakvino, "alebo v najobecnejších pojmoch o materiáloch vystužených pridaním grafénu, potom získame skutočné materiály a skutočné procesy ich hromadnej výroby, ak nie zajtra, ale možno v najbližších piatich rokoch “.
"Preto je grafén taký zaujímavý pre systémy balistickej ochrany." Nie preto, že grafén možno použiť ako brnenie. Ale ak použijete vo výzbroji grafén ako vystužujúci materiál, potom môže byť silnejší ako dokonca kevlar. “
Prioritné oblasti, napríklad autonómne systémy a senzory, ako aj vysokorizikové vojenské oblasti, ako sú podmorské, vesmírne a kybernetické, závisia predovšetkým od nových pokrokových materiálov a rozhrania nano- a mikrotechnológie s biotechnológiou, „utajením“materiály, reaktívne materiály a systémy na výrobu a skladovanie energie.
Metamateriály a nanotechnológie, ako sú grafén a uhlíkové nanorúrky, dnes prechádzajú rýchlym vývojom. V týchto nových technológiách armáda hľadá nové príležitosti, skúma ich aplikácie a potenciálne bariéry, pretože je nútená balansovať medzi potrebami moderného bojiska a dlhodobými cieľmi výskumu.
