A negatív törésszögű anyag létrehozásának lehetőségét még 1967 -ben megjósolta Viktor Veselago szovjet fizikus, de csak most tűnnek fel az ilyen tulajdonságokkal rendelkező valódi szerkezetek első mintái. A negatív törésszög miatt a fénysugarak meghajlanak a tárgy körül, láthatatlanná téve azt. Így a megfigyelő csak azt veszi észre, ami a „csodálatos” köpenyt viselő személy háta mögött történik.
Ahhoz, hogy előnyt szerezzenek a csatatéren, a modern katonai erők olyan potenciálisan zavaró képességek felé fordulnak, mint a fejlett páncél és járműpáncél, valamint a nanotechnológia. innovatív álcázás, új elektromos eszközök, szuperkumulátorok és a platformok és személyzet "intelligens" vagy reaktív védelme. A katonai rendszerek egyre összetettebbek, új, fejlett multifunkcionális és kettős felhasználású anyagokat fejlesztenek ki és gyártanak, és a nehéz és rugalmas elektronika miniatürizálása ugrásszerűen megtörténik.
Ilyenek például az ígéretes öngyógyító anyagok, a fejlett kompozit anyagok, a funkcionális kerámiák, az elektrokróm anyagok, az „elektromágneses zavaró” anyagok, amelyek reagálnak az elektromágneses interferenciára. Várhatóan a romboló technológiák gerincévé válnak, amelyek visszavonhatatlanul megváltoztatják a csatateret és a jövőbeni ellenségeskedések jellegét.
A következő generációs fejlett anyagok, mint például a metamateriális anyagok, a grafén és a szén nanocsövek nagy érdeklődést és befektetést váltanak ki, mivel olyan tulajdonságokkal és funkciókkal rendelkeznek, amelyek nem találhatók meg a természetben, és alkalmasak védelmi alkalmazásokra és extrém vagy ellenséges terekben végzett feladatokra. A nanotechnológia nanométeres anyagokat használ (10-9) annak érdekében, hogy atom- és molekuláris szinten módosítani lehessen a szerkezeteket, és különféle szöveteket, eszközöket vagy rendszereket hozzunk létre. Ezek az anyagok nagyon ígéretes terület, és a jövőben komoly hatással lehetnek a harci hatékonyságra.
Metaanyagok
Mielőtt folytatnánk, határozzuk meg a metamaterialokat. A metamaterial kompozit anyag, amelynek tulajdonságait nem annyira alkotóelemeinek tulajdonságai határozzák meg, mint egy mesterségesen létrehozott periodikus szerkezet. Ezek mesterségesen kialakított és speciálisan strukturált közegek, amelyek elektromágneses vagy akusztikai tulajdonságokkal rendelkeznek, és amelyeket technológiailag nehéz elérni, vagy amelyek nem találhatók meg a természetben.
Az Intellectual Ventures leányvállalata, a Kymeta Corporation 2016 -ban lépett be a védelmi piacra az mTenna metamateriális antennával. A cég igazgatója, Nathan Kundz szerint egy hordozható antenna adó -vevő antenna formájában körülbelül 18 kg, és 10 wattot fogyaszt. A metamateriális antennák berendezései körülbelül egy könyv vagy netbook méretűek, nem tartalmaznak mozgó alkatrészeket, és ugyanúgy készülnek, mint a TFT technológiát használó LCD monitorok vagy okostelefon -képernyők.
A metaanyagok alhullámhosszúságú mikrostruktúrákból állnak, vagyis olyan szerkezetekből, amelyek mérete kisebb, mint az általuk irányítandó sugárzás hullámhossza. Ezek a szerkezetek nem mágneses anyagokból, például rézből készülhetnek, és üvegszálas PCB hordozóra marathatók.
Metaanyagok hozhatók létre, hogy kölcsönhatásba lépjenek az elektromágneses hullámok fő összetevőivel - dielektromos állandó és mágneses permeabilitás. Pablos Holman, az Intellectual Ventures feltalálója szerint a metamaterial technológiával létrehozott antennák végül kiszoríthatják a cellás tornyokat, a vezetékes telefonvonalakat, valamint a koaxiális és optikai kábeleket.
A hagyományos antennák úgy vannak beállítva, hogy meghatározott hullámhosszú, szabályozott energiát fogadjanak el, amely az antennában lévő elektronokat gerjesztve elektromos áramokat generál. Ezeket a kódolt jeleket viszont információként lehet értelmezni.
A modern antennarendszerek nehézkesek, mivel a különböző frekvenciákhoz más típusú antenna szükséges. Metamateriális antennák esetében a felületi réteg lehetővé teszi az elektromágneses hullámok hajlítási irányának megváltoztatását. A metaanyagok negatív dielektromos és negatív mágneses permeabilitást mutatnak, ezért negatív törésmutatóval rendelkeznek. Ez a negatív törésmutató, amely egyetlen természetes anyagban sem található meg, meghatározza az elektromágneses hullámok változását két különböző közeg határának átlépésekor. Így a metamaterial antenna vevője elektronikusan hangolható különböző frekvenciák vételére, ami lehetővé teszi a fejlesztők számára a szélessáv elérését és az antennaelemek méretének csökkentését.
Az ilyen antennák belsejében lévő metamateriákat sűrűn csomagolt egyes cellákból álló lapos mátrixba állítják össze (nagyon hasonlít a pixelek TV -képernyőn történő elhelyezéséhez) egy másik lapos párhuzamos téglalap alakú hullámvezetővel, valamint egy modullal, amely szoftver segítségével szabályozza a hullámkibocsátást. és lehetővé teszi az antenna számára a sugárzás irányának meghatározását.
Holman kifejtette, hogy a legegyszerűbb módja annak, hogy megértsük a metamateriális antennák előnyeit, ha közelebbről megvizsgáljuk az antenna fizikai nyílásait és az internetkapcsolatok megbízhatóságát hajókon, repülőgépeken, drónokon és más mozgó rendszereken.
„Napjainkban minden új, pályára bocsátott kommunikációs műhold nagyobb kapacitással rendelkezik - folytatta Holman -, mint a műholdak csillagképe néhány évvel ezelőtt. Óriási lehetőségek rejlenek a vezeték nélküli kommunikációban ezekben a műholdas hálózatokban, de az egyetlen módja a kommunikációnak velük, ha veszünk egy parabolaantennát, amely nagy, nehéz és költséges telepíteni és karbantartani. A metaanyagokon alapuló antennával lapos panelt készíthetünk, amely képes irányítani a fénysugarat és közvetlenül a műholdra irányítani.
"Az esetek ötven százalékában a fizikailag kormányozható antenna nem műhold-orientált, és Ön gyakorlatilag offline állapotban van"-mondta Holman. "Ezért a metamateriális antenna különösen hasznos lehet tengeri környezetben, mivel az edényt fizikailag vezérlik, hogy a műhold felé irányítsa, mivel a hajó gyakran változtatja az irányt, és folyamatosan inog a hullámokon."
Bionika
Az új anyagok kifejlesztése szintén a rugalmas, multifunkcionális, összetett formájú rendszerek létrehozása felé halad. Itt az alkalmazott tudomány fontos szerepet játszik a szervezeti elvek, az élő természet tulajdonságai, funkciói és szerkezetei technikai eszközökben és rendszerekben történő alkalmazásával kapcsolatban. A bionika (a nyugati szakirodalomban a biomimetika) segíti az embert, hogy eredeti technikai rendszereket és technológiai folyamatokat hozzon létre a természetből talált és kölcsönvett ötletek alapján.
Az amerikai haditengerészet tengeralattjáró -hadviselési kutatóközpontja önálló bányakereső készüléket (APU) tesztel, amely bionikus elveket alkalmaz. utánozva a tengeri élőlények mozgását. A borotva 3 méter hosszú, és két ember szállíthatja. Elektronikája koordinálja négy csapkodó szárny és két hátsó légcsavar munkáját. A csapkodó mozgások utánozzák egyes állatok, például madarak és teknősök mozgását. Ez lehetővé teszi az APU számára a lebegést, a pontos manőverezést kis sebességnél és a nagy sebesség elérését. Ez a manőverező képesség lehetővé teszi a borotva számára, hogy könnyen áthelyezze magát és lebegjen a tárgyak körül a 3D képalkotáshoz.
Az amerikai haditengerészet kutatási ügynöksége finanszírozza a Pliant Energy Systems prototípusának kifejlesztését az opcionálisan autonóm Velox merülőmotorhoz, amely a propellereket egy többszörös, nemlineáris, papírszerű bordák rendszerével helyettesíti, amelyek ismétlődő rámpaszerű hullámzó mozgásokat generálnak. A készülék sík, hiperbolikus geometriájú elektroaktív, hullámos, hajlékony polimer bordák mozgását transzlációs mozgássá alakítja, szabadon mozogva a víz alatt, a szörf hullámaiban, a homokban, a tenger és a szárazföldi növényzet felett, csúszós sziklákon vagy jégen.
A Pliant Energy Systems szóvivője szerint a hullámzó előrefelé irányuló mozgás megakadályozza a sűrű növényzetbe való belegabalyodást, mivel nincsenek forgó részek, miközben minimálisra csökkenti a növények és az üledék károsodását. A lítium-ion akkumulátorral működő, alacsony zajszintű hajó javíthatja felhajtóerejét, hogy megtartsa helyzetét a jég alatt, miközben távolról vezérelhető. Fő feladatai a következők: kommunikáció, beleértve a GPS-, WiFi-, rádió- vagy műholdas csatornákat; hírszerzés és információgyűjtés; keresés és mentés; és szkennelés és azonosítás min.
A nanotechnológia és a mikrostruktúrák fejlesztése szintén nagyon fontos a bionikus technológiákban, amelyek inspirációját a természetből merítik a fizikai folyamatok szimulálása vagy az új anyagok előállításának optimalizálása érdekében.
Az amerikai haditengerészeti kutatólaboratórium átlátszó polimer pajzsot fejleszt, amelynek réteges mikrostruktúrája hasonló a rákfélék kitinikus héjához, de műanyagból készül. Ez lehetővé teszi, hogy az anyag változatlan maradjon a hőmérséklet és a terhelés széles tartományában, ami lehetővé teszi a személyzet, az álló platformok, a járművek és a repülőgépek védelmét.
Yas Sanghera, a laboratórium optikai anyagainak és eszközeinek vezetője szerint a piacon elérhető védelem általában háromféle műanyagból készül, és nem tudja száz százalékig elviselni a 9 mm-es, 1-2 méterről kilőtt és a sebességből repülő golyót. 335 m / s.
A laboratórium által kifejlesztett átlátszó páncél 40% -os tömegcsökkenést tesz lehetővé, miközben megőrzi a ballisztikus integritást, és 68% -kal több golyóenergiát vesz fel. Sanghera elmagyarázta, hogy a páncélzat tökéletes lehet számos katonai célra, például aknavédelmi járművekhez, kétéltű páncélozott járművekhez, ellátó járművekhez és repülőgép-pilótafülke-ablakokhoz.
Sanghera szerint laboratóriuma a meglévő fejlemények alapján egy könnyű, konform, átlátszó páncélt kíván létrehozni, többütéses karakterisztikával, és több mint 20%-os súlycsökkentést ér el, ami védelmet nyújt a 7, 62x39 mm kaliberű puskagolyók ellen.
A DARPA egyedi tulajdonságokkal rendelkező, átlátszó Spinel páncélt is fejleszt. Ez az anyag kiváló multi-becsapódási tulajdonságokkal, nagy keménységgel és erózióállósággal, fokozott ellenállással rendelkezik a külső tényezőkkel szemben; szélesebb középhullámú infravörös sugárzást továbbít, ami növeli az éjjellátó készülékek képességeit (az üvegfelületek mögötti tárgyak látásának képességét), és a hagyományos golyóálló üveg súlyának felét is súlyozza.
Ez a tevékenység része a DARPA Atoms to Product (A2P) programjának, amely "kifejleszti azokat a technológiákat és folyamatokat, amelyek szükségesek ahhoz, hogy a nanoméretű részecskéket (atomméretekhez közel) legalább milliméteres skálán rendszerekké, alkatrészekké vagy anyagokká szereljék össze".
Az elmúlt nyolc évben az Ügynökség az alapátlátszó páncél vastagságát körülbelül 18 cm -ről 6 cm -re csökkentette, miközben megőrizte szilárdsági jellemzőit - mondta a DARPA A2P programjának vezetője, John Maine. Sok különböző rétegből áll, „nem mindegyik kerámia, és nem mindegyik műanyag vagy üveg”, amelyeket a hátsó anyaghoz ragasztanak, hogy megakadályozzák a repedéseket. - Védelmi rendszerként kell gondolni rá, nem pedig monolit anyagra.
A Spinel -üveget az Amerikai Hadsereg FMTV (Közepes Taktikai Járművek Családja) teherautók prototípusaira való felszereléshez gyártották, a páncélos kutatóközpont értékelésére.
Az A2P program keretében a DARPA 5,59 millió dolláros szerződést ítélt oda a Voxtelnek, az Oregon Nanomaterials and Microelectronics Institute -nak, a nano -tól a makróig terjedő gyártási folyamatok kutatására. Ez a bionikus projekt magában foglal egy szintetikus ragasztó kifejlesztését, amely utánozza a gekkó gyík képességeit.
„A gekkó talpán valami kis szőrszálak találhatók … körülbelül 100 mikron hosszúak, és hevesen elágaznak. Minden kis ág végén egy apró, körülbelül 10 nanométeres nanoplate található. Amikor falhoz vagy mennyezethez kerül, ezek a lemezek lehetővé teszik a gekkónak a falhoz vagy a mennyezethez való tapadását."
Maine azt mondta, hogy a gyártók soha nem tudják megismételni ezeket a képességeket, mert nem tudnak elágazó nanostruktúrákat létrehozni.
„A Voxtel olyan termelési technológiákat fejleszt ki, amelyek megismétlik ezt a biológiai szerkezetet, és rögzítik ezeket a biológiai tulajdonságokat. Valóban új módon használja a szén nanocsöveket, lehetővé teszi összetett 3D struktúrák létrehozását és nagyon eredeti módon történő felhasználását, nem feltétlenül szerkezetként, hanem más, találékonyabb módon."
A Voxtel olyan fejlett adalékanyag -gyártási technikákat szeretne kifejleszteni, amelyek "olyan anyagokat állítanak elő, amelyeket funkcionálisan komplett tömbökbe szerelnek össze, majd összetett heterogén rendszerekbe szerelnek össze". Ezek a technikák a természetben fellelhető egyszerű genetikai kódok és általános kémiai reakciók szimulálásán alapulnak, amelyek lehetővé teszik a molekulák számára, hogy az atomszintről önállóan összeálljanak olyan nagy szerkezetekké, amelyek képesek energiával ellátni magukat.
„Fejlett újrafelhasználható ragasztót szeretnénk kifejleszteni. Szeretnénk egy olyan anyagot beszerezni, amely egy epoxi ragasztó tulajdonságaival rendelkezik, de nincs benne eldobhatóság és felületi szennyeződés - mondta Main. "A gekkó stílusú anyag szépsége az, hogy nem hagy maradékot, és azonnal működik."
További gyorsan fejlődő anyagok közé tartoznak az ultravékony anyagok, például a grafén és a szén nanocsövek, amelyek szerkezeti, hő-, elektromos és optikai tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek forradalmasítják a mai harcteret.
Grafén
Míg a szén nanocsövek jó lehetőségeket kínálnak az elektronikus és álcázó rendszerekben, valamint az orvosbiológiai területen való alkalmazásra, a grafén "érdekesebb, mert legalább papíron több lehetőséget kínál" - mondta Giuseppe Dakvino, az Európai Védelem szóvivője Ügynökség (EOA).
A grafén egy ultravékony nanoanyag, amelyet egy atom vastag szénatom réteg alkot. A könnyű és tartós grafén rekord magas hő- és elektromos vezetőképességgel rendelkezik. A védelmi ipar alaposan tanulmányozza a grafén alkalmazásának lehetőségét olyan alkalmazásokban, amelyek megkövetelik annak erejét, rugalmasságát és magas hőmérsékletnek való ellenállását, például extrém körülmények között végrehajtott harci feladatok során.
Dakvino szerint a grafén „legalábbis elméletben a jövő anyaga. Az ok, amiért most annyi érdekes vita folyik, az az, hogy a civil szektorban végzett sok éves kutatás után világossá vált, hogy ez valóban megváltoztatja a harci forgatókönyveket.”
„Hogy csak néhányat említsünk a lehetőségek közül: rugalmas elektronika, energiaellátó rendszerek, ballisztikus védelem, álcázás, szűrők / membránok, nagy hőelvezetésű anyagok, orvosbiológiai alkalmazások és érzékelők. Valójában ezek a fő technológiai irányok."
2017 decemberében az EAO megkezdte egy éves tanulmányát a grafén lehetséges ígéretes katonai alkalmazásairól és hatásairól az európai védelmi iparban. Ezt a munkát a Spanyol Műszaki Kutatási és Innovációs Alapítvány vezette, mellyel a Cartagenai Egyetem és a brit Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. 2018 májusában kutatók és szakértők szemináriumát tartották a grafénről, ahol meghatározták a védelmi ágazatban történő felhasználásának ütemtervét.
Az EOA szerint: „Azon anyagok között, amelyek a következő évtizedben forradalmasíthatják a védelmi képességeket, a grafén az első helyen áll a listán. Könnyű, rugalmas, 200 -szor erősebb, mint az acél, és elektromos vezetőképessége hihetetlen (jobb, mint a szilícium), akárcsak a hővezető képessége."
Az EOA azt is megjegyezte, hogy a grafén figyelemre méltó tulajdonságokkal rendelkezik az "aláíráskezelés" területén. Vagyis "rádióelnyelő bevonatok előállítására használhatók, amelyek katonai járműveket, repülőgépeket, tengeralattjárókat és felszíni hajókat szinte észrevehetetlen tárgyakká változtatnak". Mindez a grafént rendkívül vonzó anyaggá teszi nemcsak a polgári ipar számára, hanem a katonai alkalmazások, a szárazföld, a levegő és a tenger számára is."
Ennek érdekében az amerikai hadsereg tanulmányozza a grafén járművekhez és védőruházathoz való alkalmazását. Emil Sandoz-Rosado, az amerikai hadsereg katonai kutatólaboratóriumának (ARL) mérnöke szerint ez az anyag kiváló mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik, az egyik grafén atomréteg 10-szer merevebb és több mint 30-szor erősebb, mint a kereskedelmi ballisztikus szál azonos rétege. „A grafén plafonja nagyon magas. Ez az egyik oka annak, hogy az ARL -ben több munkacsoport érdeklődött iránta, mert tervezési jellemzői nagyon ígéretesek a foglalás szempontjából.
Vannak azonban egészen nagy nehézségek is. Az egyik az anyag méretezése; a hadseregnek védőanyagokra van szüksége, amelyek fedhetik a harckocsikat, járműveket és katonákat. „Sokkal többre van szükségünk. Általában körülbelül egymillió vagy több rétegről beszélünk, amelyekre jelenleg szükségünk van”.
Sandoz-Rosado elmondta, hogy a grafént egy vagy kétféleképpen lehet előállítani, vagy hámozási eljárással, ahol a kiváló minőségű grafitot külön atomrétegekre osztják szét, vagy egyetlen grafén atomréteget növesztenek rézfóliára. Ezt a folyamatot jól beválták a kiváló minőségű grafént gyártó laboratóriumok. „Nem teljesen tökéletes, de nagyon közel van hozzá. Ma azonban itt az ideje, hogy egynél több atomrétegről beszéljünk, teljes értékű termékre van szükségünk”. Ennek következtében a közelmúltban elindítottak egy programot a folyamatos ipari méretű graféngyártási folyamatok fejlesztésére.
"Legyen szó szén nanocsövekről vagy grafénről, figyelembe kell vennie azokat a különleges követelményeket, amelyeket teljesíteni kell" - figyelmeztetett Dakvino, megjegyezve, hogy az új, fejlett anyagok jellemzőinek hivatalos leírása, az új anyagok létrehozásának pontos eljárásainak szabványosítása, e folyamatok reprodukálhatósága, a teljes lánc gyárthatósága (az alapkutatástól a bemutató és a prototípusok készítéséig) alapos tanulmányozást és indoklást igényel, ha olyan áttörést jelentő anyagokról van szó, mint a grafén és a szén nanocsövek katonai platformokon.
„Ez nem csak kutatás, mert elvégre biztosnak kell lennie abban, hogy egy bizonyos anyagot hivatalosan leírnak, majd biztosnak kell lennie abban, hogy egy bizonyos folyamat során előállítható. Ez nem olyan egyszerű, mert a gyártási folyamat változhat, az előállított termék minősége az eljárástól függően változhat, ezért a folyamatot többször meg kell ismételni."
A Sandoz-Rosado szerint az ARL a graféngyártókkal együttműködve értékelte a termék minőségi osztályát és skálázhatóságát. Bár még nem világos, hogy a kialakulásuk elején álló folyamatos folyamatok rendelkeznek -e üzleti modellel, megfelelő kapacitással, és képesek -e biztosítani az előírt minőséget.
Dakvino megjegyezte, hogy a számítógépes modellezés és a kvantumszámítás fejlődése felgyorsíthatja a kutatást és a fejlesztést, valamint a fejlett anyagok előállítására szolgáló módszerek fejlesztését a közeljövőben. „Számítógépes tervezéssel és anyagmodellezéssel sok minden modellezhető: az anyagjellemzők, sőt a gyártási folyamatok is modellezhetők. Akár virtuális valóságot is létrehozhat, ahol alapvetően megnézheti az anyagok létrehozásának különböző szakaszait."
Dakwino azt is elmondta, hogy a fejlett számítógépes modellezés és a virtuális valóság technikái előnyt biztosítanak azzal, hogy "integrált rendszert hoznak létre, ahol szimulálhatnak egy adott anyagot, és megnézhetik, hogy az adott anyag alkalmazható -e egy adott környezetben". A kvantum számítástechnika gyökeresen megváltoztathatja az itteni állapotokat.
"A jövőben még nagyobb érdeklődést látok az új gyártási módok, az új anyagok létrehozásának új módszerei és az új gyártási folyamatok iránt számítógépes szimuláción keresztül, mivel hatalmas számítási teljesítmény potenciálisan csak kvantumszámítógépek segítségével érhető el."
Dakwino szerint a grafén egyes alkalmazásai technológiailag fejlettebbek, míg mások kevésbé. Például a mátrixalapú kerámia kompozitok javíthatók grafénlemezek integrálásával, amelyek megerősítik az anyagot és növelik mechanikai ellenállását, miközben csökkentik súlyát. „Ha például kompozitokról beszélünk - folytatta Dakvino -, vagy a legáltalánosabban fogalmazva: grafén hozzáadásával megerősített anyagokról, akkor valódi anyagokat és tömegtermelésük valós folyamatait kapjuk, ha nem holnap, de talán a következő öt évben.
„Ezért olyan érdekes a grafén a ballisztikus védelmi rendszerek számára. Nem azért, mert a grafén páncélként használható. De ha grafént használsz a páncélodban megerősítő anyagként, akkor még Kevlarnál is erősebbé válhat."
A kiemelt területek, például az autonóm rendszerek és érzékelők, valamint a magas kockázatú katonai területek, mint például a víz alatti, az űr és a kibernetikus, leginkább az új, fejlett anyagoktól, valamint a nano- és mikrotechnológia és a biotechnológia, „lopakodás” interfészétől függenek. anyagok, reaktív anyagok és energiatermelő és -tároló rendszerek.
A metaanyagok és a nanotechnológia, például a grafén és a szén nanocsövek ma rohamos fejlődésen mennek keresztül. Ezekben az új technológiákban a hadsereg új lehetőségeket keres, vizsgálja alkalmazásukat és a lehetséges akadályokat, mivel kénytelen egyensúlyt teremteni a modern harctér igényei és a hosszú távú kutatási célok között.
