Negatiivse murdumisnurgaga materjali loomise võimalust ennustas juba 1967. aastal nõukogude füüsik Viktor Veselago, kuid alles nüüd ilmuvad esimesed proovid selliste omadustega reaalsetest struktuuridest. Negatiivse murdumisnurga tõttu painduvad valguskiired ümber objekti, muutes selle nähtamatuks. Seega märkab vaatleja ainult seda, mis toimub „imelist” mantlit kandva inimese selja taga.
Lahinguväljal eelise saamiseks pöörduvad kaasaegsed sõjaväed potentsiaalselt häirivate võimete poole, nagu täiustatud soomukid ja sõidukite soomukid ning nanotehnoloogia. uuenduslik kamuflaaž, uued elektriseadmed, superakud ning platvormide ja personali "intelligentne" või reaktiivne kaitse. Sõjaväesüsteemid muutuvad keerukamaks, töötatakse välja ja toodetakse uusi täiustatud multifunktsionaalseid ja kahesuguse kasutusega materjale ning raskeveokite ja paindliku elektroonika miniaturiseerimine toimub hüppeliselt.
Näidete hulka kuuluvad paljulubavad isetervendavad materjalid, täiustatud komposiitmaterjalid, funktsionaalne keraamika, elektrokroomsed materjalid, elektromagnetilistele häiretele reageerivad kübervarjestusega materjalid. Eeldatakse, et neist saab murranguliste tehnoloogiate selgroog, mis muudab pöördumatult lahinguvälja ja tulevase sõjategevuse olemust.
Järgmise põlvkonna täiustatud materjalid, nagu metamaterjalid, grafeen ja süsiniknanotorud, tekitavad suurt huvi ja investeeringuid, kuna neil on omadusi ja funktsioone, mida looduses ei leidu ning mis sobivad kaitserakendusteks ja ülesanneteks äärmuslikes või vaenulikes kohtades. Nanotehnoloogia kasutab nanomeetrilisi materjale (10-9), et oleks võimalik muuta struktuure aatomi- ja molekulaarsel tasemel ning luua erinevaid kudesid, seadmeid või süsteeme. Need materjalid on väga paljutõotav valdkond ja võivad tulevikus tõsiselt mõjutada lahingutõhusust.
Metamaterjalid
Enne jätkamist määratleme metamaterjalid. Metamaterjal on komposiitmaterjal, mille omadusi määravad mitte niivõrd selle koostisosade omadused, kuivõrd kunstlikult loodud perioodiline struktuur. Need on kunstlikult moodustatud ja spetsiaalselt struktureeritud kandjad, millel on elektromagnetilised või akustilised omadused, mida on tehnoloogiliselt raske saavutada või mida looduses ei leidu.
Intellectual Venturesi tütarettevõte Kymeta Corporation sisenes kaitseturule 2016. aastal metamaterjali antenniga mTenna. Ettevõtte direktori Nathan Kundzi sõnul kaalub transiiver -antenni kujul kaasaskantav antenn umbes 18 kg ja tarbib 10 vatti. Metamaterjalist antennide seadmed on umbes raamatu või netbooki suurused, neil ei ole liikuvaid osi ja neid toodetakse samamoodi nagu TFT -tehnoloogiat kasutades LCD -kuvarid või nutitelefonide ekraanid.
Metamaterjalid koosnevad alamlainepikkusega mikrostruktuuridest, st struktuuridest, mille mõõtmed on väiksemad kui nende poolt juhitava kiirguse lainepikkus. Neid struktuure saab valmistada mittemagnetilistest materjalidest, näiteks vasest, ja söövitada klaaskiust PCB-aluspinnale.
Metamaterjale saab luua suhtlemiseks elektromagnetlainete põhikomponentidega - dielektriline konstant ja magnetiline läbilaskvus. Intellectual Ventures'i leiutaja Pablos Holmani sõnul võivad metamaterjalitehnoloogia abil loodud antennid lõpuks välja tõrjuda rakutornid, lauatelefoniliinid ning koaksiaal- ja kiudoptilised kaablid.
Traditsioonilised antennid on häälestatud kindla lainepikkusega juhitava energia katkestamiseks, mis erutab antenni elektrone elektrivoolude tekitamiseks. Neid kodeeritud signaale saab omakorda tõlgendada kui teavet.
Kaasaegsed antennisüsteemid on tülikad, kuna erinevad sagedused nõuavad erinevat tüüpi antenne. Metamaterjalidest antennide puhul võimaldab pinnakiht muuta elektromagnetlainete painutamise suunda. Metamaterjalidel on nii negatiivne dielektriline kui ka negatiivne magnetiline läbilaskvus ning seetõttu on neil negatiivne murdumisnäitaja. See negatiivne murdumisnäitaja, mida ei leidu üheski looduslikus materjalis, määrab elektromagnetlainete muutuse kahe erineva keskkonna piiri ületamisel. Seega saab metamaterjalist antenni vastuvõtjat elektrooniliselt häälestada erinevate sageduste vastuvõtmiseks, mis võimaldab arendajatel saavutada lairibaühendust ja vähendada antennielementide suurust.
Selliste antennide sees olevad metamaterjalid on kokku pandud tihedalt pakitud üksikute rakkude tasaseks maatriksiks (mis on väga sarnane pikslite paigutamisega teleriekraanile) koos teise paralleelsete ristkülikukujuliste lainejuhtide tasase maatriksiga, samuti mooduliga, mis kontrollib laineemissiooni tarkvara kaudu. ja võimaldab antennil määrata kiirguse suuna.
Holman selgitas, et lihtsaim viis mõista metamaterjali antennide eeliseid on lähemalt uurida antenni füüsilisi avasid ja Interneti -ühenduste usaldusväärsust laevadel, lennukites, droonides ja muudes liikuvates süsteemides.
"Igal tänapäeval orbiidile lastud uuel sidesatelliidil on suurem võimsus, kui satelliitide tähtkujus oli vaid paar aastat tagasi." Meil on nendes satelliitvõrkudes tohutu traadita side potentsiaal, kuid ainus võimalus nendega suhelda on võtta satelliitantenn, mis on suur, raske ja kallis paigaldada ja hooldada. Metamaterjalidel põhineva antenni abil saame teha lameekraani, mis suudab kiirt juhtida ja otse satelliiti sihtida.
"Viiskümmend protsenti ajast ei ole füüsiliselt juhitav antenn satelliidile orienteeritud ja olete tegelikult võrguühenduseta," ütles Holman. "Seetõttu võib metamaterjalist antenn olla merekontekstis eriti kasulik, sest tassi juhitakse füüsiliselt satelliidile suunamiseks, kuna laev muudab sageli kurssi ja kõigub pidevalt lainete peal."
Bioonika
Uute materjalide väljatöötamine liigub ka paindlike ja keeruka kujuga multifunktsionaalsete süsteemide loomise suunas. Siin mängib olulist rolli rakendusteadus organiseerimispõhimõtete, eluslooduse omaduste, funktsioonide ja struktuuride rakendamisel tehnilistes seadmetes ja süsteemides. Bioonika (lääne kirjanduses biomimeetika) aitab inimesel loodusest leitud ja laenatud ideede põhjal luua originaalseid tehnosüsteeme ja tehnoloogilisi protsesse.
USA mereväe allveelaevade sõjakeskus uurib bioonilisi põhimõtteid kasutavat autonoomset miinide otsimise seadet (APU). imiteerides mereelu liikumist. Razor on 3 meetrit pikk ja seda saab kanda kaks inimest. Selle elektroonika koordineerib nelja lehviva tiiva ja kahe tagumise propelleri tööd. Lehvitavad liigutused jäljendavad mõnede loomade, näiteks lindude ja kilpkonnade liigutusi. See võimaldab APU -l hõljuda, teha täpset manööverdamist madalatel kiirustel ja saavutada suuri kiirusi. See manööverdusvõime võimaldab raseerijal end hõlpsalt ümber paigutada ja hõljuda 3D -pildistamiseks objektide ümber.
USA mereväe uurimisagentuur rahastab Pliant Energy Systemsi prototüübi väljatöötamist valikuliselt autonoomse sukeldusvee Veloxi jaoks, mis asendab propellerid mitmeastmeliste, mittelineaarsete, paberitaoliste uimede süsteemiga, mis tekitavad korduvaid kaldteelisi lainelisi liigutusi. Seade teisendab tasapinnalise hüperboolse geomeetriaga elektroaktiivsete laineliste painduvate polümeeriuimede liikumised translatsiooniliseks liikumiseks, mis liiguvad vabalt vee all, surfilainetel, liivas, mere- ja maismaataimestiku kohal, libedatel kividel või jääl.
Pliant Energy Systems pressiesindaja sõnul väldib laineline ettepoole liikumine tiheda taimestiku takerdumist, kuna seal pole pöörlevaid osi, minimeerides samal ajal taimede ja setete kahjustusi. Madala müratasemega veesõiduk, mida toidab liitium-ioonaku, võib parandada oma ujuvust, et säilitada oma positsioon jää all, samal ajal kui seda saab kaugjuhtida. Selle peamised ülesanded on: side, sealhulgas GPS, WiFi, raadio- või satelliitkanalid; luure ja teabe kogumine; otsimine ja päästmine; ja skaneerimine ja tuvastamine min.
Nanotehnoloogia ja mikrostruktuuride arendamine on väga oluline ka bioonilistes tehnoloogiates, mille inspiratsiooni ammutatakse loodusest, et simuleerida füüsikalisi protsesse või optimeerida uute materjalide tootmist.
USA mereväe uurimislabor töötab välja läbipaistvat polümeerkilpi, millel on kihiline mikrostruktuur, mis sarnaneb koorikloomade kitiinkoorega, kuid mis on valmistatud plastmaterjalidest. See võimaldab materjalil püsida ühtlasena mitmesugustel temperatuuridel ja koormustel, mis võimaldab seda kasutada personali, seisvate platvormide, sõidukite ja lennukite kaitsmiseks.
Selle labori optiliste materjalide ja seadmete juhi Yas Sanghera sõnul on turul saadaolev kaitse tavaliselt valmistatud kolme tüüpi plastist ja ei suuda sajaprotsendiliselt vastu pidada 1 mm kõrguselt tulistatud ja kiirusest lendavale 9 mm kuulile. 335 m / s.
Selle labori poolt välja töötatud läbipaistev raudrüü võimaldab massi vähendada 40%, säilitades samal ajal ballistilise terviklikkuse ja neelab 68% rohkem kuuli energiat. Sanghera selgitas, et raudrüü võib sobida ideaalselt mitmeteks sõjalisteks rakendusteks, näiteks miinitõrjesõidukid, kahepaiksed soomukid, varustussõidukid ja lennukikabiini aknad.
Sanghera sõnul kavatseb tema labor olemasolevatele arengutele tuginedes luua kerge konformse läbipaistva soomuse, millel on mitme löögi omadused ja saavutada kaalu vähendamine üle 20%, mis tagab kaitse kaliibriga 7, 62x39 mm.
DARPA arendab ka läbipaistvaid Spineli soomuseid, millel on ainulaadsed omadused. Sellel materjalil on suurepärased mitme löögi omadused, kõrge kõvadus ja erosioonikindlus, suurem vastupidavus välistele teguritele; see edastab laiemat keskmise lainega infrapunakiirgust, mis suurendab öövaatlusseadmete võimalusi (võime näha esemeid klaaspindade taga) ning kaalub ka poole väiksema kaaluga kui traditsiooniline kuulikindel klaas.
See tegevus on osa DARPA programmist Aatomid tooteni (A2P), mis "arendab tehnoloogiaid ja protsesse, mis on vajalikud nanomõõtmeliste osakeste (aatomisuuruste lähedal) kokkupanemiseks süsteemideks, komponentideks või materjalideks vähemalt millimeetri skaalal".
DARPA A2P programmi juhi John Maine'i sõnul on agentuur viimase kaheksa aasta jooksul vähendanud läbipaistva soomuse paksust umbes 18 cm -lt 6 cm -le, säilitades samal ajal selle tugevusomadused. See koosneb paljudest erinevatest kihtidest, "mitte kõik keraamilised ja mitte kõik plastist või klaasist", mis kinnitatakse alusmaterjalile pragunemise vältimiseks. "Peaksite seda mõtlema kui kaitsesüsteemi, mitte kui monoliitset materjali."
Spinellklaas valmistati paigaldamiseks Ameerika armee FMTV (perekond keskmise suurusega taktikaliste sõidukite) veoautode prototüüpidele, et seda hinnata soomustatud uurimiskeskuses.
A2P programmi raames sõlmis DARPA Voxteliga, Oregoni nanomaterjalide ja mikroelektroonika instituudiga 5,59 miljoni dollari suuruse lepingu nano- ja makromajanduslike tootmisprotsesside uurimiseks. See biooniline projekt hõlmab sünteetilise liimi väljatöötamist, mis jäljendab geko sisaliku võimalusi.
“Gekotaldadel on midagi nagu umbes 100 mikroni pikkused karvad, mis hargnevad ägedalt. Iga väikese haru lõpus on pisike umbes 10 nanomeetri suurune nanoplaat. Seina või laega kokku puutudes võimaldavad need plaadid gekol seina või lae külge kinni jääda."
Maine ütles, et tootjad ei saa neid võimalusi kunagi korrata, kuna nad ei saa luua hargnevaid nanostruktuure.
„Voxtel arendab tootmistehnoloogiaid, mis kordavad seda bioloogilist struktuuri ja haaravad neid bioloogilisi omadusi. See kasutab süsiniknanotorusid tõeliselt uuel viisil, see võimaldab teil luua keerukaid 3D -struktuure ja kasutada neid väga originaalsel viisil, mitte tingimata struktuuridena, vaid muul, leidlikumatel viisidel."
Voxtel soovib arendada täiustatud lisandite valmistamise meetodeid, mis toodavad "materjale, mis on kokku pandud funktsionaalselt terviklikeks plokkideks ja seejärel keerulisteks heterogeenseteks süsteemideks". Need meetodid põhinevad looduses leiduvate lihtsate geneetiliste koodide ja üldiste keemiliste reaktsioonide simuleerimisel, mis võimaldavad molekulidel aatomitasandilt iseenesest koguneda suurteks struktuurideks, mis on võimelised end energiaga varustama.
„Soovime välja töötada täiustatud korduvkasutatava liimi. Tahaksime saada materjali, millel on epoksüliimi omadused, kuid ilma selle ühekordselt kasutatava ja pinna saastamata, - ütles Main. "Geko stiilis materjali ilu seisneb selles, et see ei jäta jääke ja töötab koheselt."
Teiste kiiresti arenevate täiustatud materjalide hulka kuuluvad üliõhukesed materjalid, nagu grafeen ja süsiniknanotorud, millel on struktuursed, termilised, elektrilised ja optilised omadused, mis muudavad revolutsiooni tänapäeva lahinguruumis.
Grafeen
Kui süsiniknanotorudel on hea potentsiaal elektrooniliste ja maskeerimissüsteemide ning biomeditsiini valdkonnas kasutamiseks, siis grafeen on "huvitavam, sest pakub vähemalt paberil rohkem võimalusi," ütles Euroopa kaitse pressiesindaja Giuseppe Dakvino. Agentuur (EOA).
Grafeen on üliõhuke nanomaterjal, mis on moodustatud ühe aatomi paksuste süsinikuaatomite kihist. Kerge ja vastupidav grafeen on rekordiliselt kõrge soojus- ja elektrijuhtivusega. Kaitsetööstus uurib hoolikalt võimalust kasutada grafeeni rakendustes, mis nõuavad selle tugevust, paindlikkust ja vastupidavust kõrgetele temperatuuridele, näiteks äärmuslikes tingimustes sooritatud lahingmissioonidel.
Dakvino ütles, et grafeen „on vähemalt teoreetiliselt tuleviku materjal. Põhjus, miks praegu on nii palju huvitavaid arutelusid, on see, et pärast nii palju aastaid kestnud uurimistööd tsiviilisektoris on selgunud, et see muudab tegelikult lahingustsenaariume.”
„Kui loetleda vaid mõned võimalused: paindlik elektroonika, toitesüsteemid, ballistiline kaitse, kamuflaaž, filtrid / membraanid, suure soojuseraldusega materjalid, biomeditsiinilised rakendused ja andurid. Need on tegelikult peamised tehnoloogilised suunad."
2017. aasta detsembris alustas EAO aastapikkust uuringut grafeeni võimalike paljutõotavate sõjaliste rakenduste ja selle mõju kohta Euroopa kaitsetööstusele. Seda tööd juhtis Hispaania tehniliste uuringute ja innovatsiooni sihtasutus, millega Cartagena ülikool ja Briti ettevõte Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. 2018. aasta mais toimus grafeeni teemaline teadlaste ja ekspertide seminar, kus määrati kindlaks teekaart selle kasutamiseks kaitsesektoris.
EOA andmetel: „Nende materjalide hulgas, millel on potentsiaal järgmisel kümnendil kaitsevõimet murranguliselt muuta, on grafeen nimekirjas kõrgel kohal. Kerge, paindlik, 200 korda tugevam kui teras ja selle elektrijuhtivus on uskumatu (parem kui räni), nagu ka selle soojusjuhtivus."
EOA märkis ka, et grafeenil on märkimisväärsed omadused allkirjahalduse valdkonnas. See tähendab, et sellest saab toota "raadioeeldavaid katteid, mis muudavad sõjaväe sõidukid, lennukid, allveelaevad ja pinnalaevad peaaegu tuvastamatuteks objektideks". Kõik see muudab grafeeni äärmiselt atraktiivseks materjaliks mitte ainult tsiviiltööstuse, vaid ka sõjaliste rakenduste, maa, õhu ja mere jaoks."
Selleks uurib USA sõjavägi grafeeni kasutamist sõidukites ja kaitseriietuses. USA sõjaväeuuringute labori (ARL) inseneri Emil Sandoz-Rosado sõnul on sellel materjalil suurepärased mehaanilised omadused, üks grafeeni aatomkiht on 10 korda jäigem ja üle 30 korra tugevam kui sama kommerts ballistilise kihi kiht. Grafeeni lagi on väga kõrge. See on üks põhjusi, miks mitmed ARL -i töörühmad on selle vastu huvi üles näidanud, sest selle disainiomadused on broneerimise osas väga paljulubavad.
Siiski on ka üsna suuri raskusi. Üks neist on materjali skaleerimine; armee vajab kaitsvaid materjale, mis suudavad katta tankid, sõidukid ja sõdurid. Me vajame palju rohkem. Üldiselt räägime umbes miljonist või enamast kihist, mida me praegu vajame”.
Sandoz-Rosado ütles, et grafeeni saab toota ühel või kahel viisil, kas koorimisprotsessi abil, kus kvaliteetne grafiit eraldatakse eraldi aatomkihtideks, või kasvatades vaskfooliumile ühe aatomkihi grafeeni. Kõrge kvaliteediga grafeeni tootvad laborid on selle protsessi hästi välja töötanud. See pole päris täiuslik, kuid on sellele üsna lähedal. Kuid täna on aeg rääkida rohkem kui ühest aatomikihist, vajame täieõiguslikku toodet”. Selle tulemusena käivitati hiljuti programm pideva tööstusliku grafeeni tootmisprotsessi arendamiseks.
"Olgu tegemist süsiniknanotorude või grafeeniga, peate arvestama erinõuetega, mida tuleb täita," hoiatas Dakvino, märkides, et uute täiustatud materjalide omaduste ametlik kirjeldus, uute materjalide loomise täpsete protsesside standardimine, nende protsesside reprodutseeritavus, kogu ahela valmistatavus (alates alusuuringutest kuni demonstratsiooni ja prototüüpide tootmiseni) vajavad põhjalikku uurimist ja põhjendamist, kui tegemist on läbimurdeliste materjalide, näiteks grafeeni ja süsiniknanotorude kasutamisega sõjalistel platvormidel.
"See ei ole ainult uurimistöö, sest lõppude lõpuks peate olema kindel, et teatud materjal on ametlikult kirjeldatud ja siis peate olema kindel, et seda saab teatud protsessis toota. See pole nii lihtne, sest tootmisprotsess võib muutuda, toodetud toote kvaliteet võib sõltuvalt protsessist erineda, seega tuleb protsessi mitu korda korrata."
Sandoz-Rosado sõnul tegi ARL koostööd grafeenitootjatega, et hinnata toote kvaliteediklassi ja selle mastaapsust. Kuigi pole veel selge, kas pidevatel protsessidel, mis on kujunemise alguses, on ärimudel, sobiv suutlikkus ja kas need suudavad pakkuda vajalikku kvaliteeti.
Dakvino märkis, et arvutimodelleerimise ja kvantarvutuste edusammud võivad kiirendada uurimis- ja arendustegevust ning lähiajal täiustatud materjalide tootmise meetodite väljatöötamist. „Arvutipõhise projekteerimise ja materjalide modelleerimisega saab modelleerida paljusid asju: modelleerida materjali omadusi ja isegi tootmisprotsesse. Võite isegi luua virtuaalset reaalsust, kus saate põhimõtteliselt vaadata materjali loomise erinevaid etappe."
Dakwino ütles ka, et täiustatud arvutimudeli ja virtuaalreaalsuse tehnikad annavad eelise, luues "integreeritud süsteemi, kus saab simuleerida konkreetset materjali ja vaadata, kas seda materjali saab konkreetses keskkonnas rakendada". Kvantarvutus võib siinset olukorda radikaalselt muuta.
"Tulevikus näen veelgi suuremat huvi uute tootmisviiside, uute materjalide loomise viiside ja uute tootmisprotsesside vastu arvutisimulatsiooni abil, kuna tohutut arvutusvõimsust on võimalik saada ainult kvantarvutite abil."
Dakwino sõnul on mõned grafeeni rakendused tehnoloogiliselt arenenumad, teised aga vähem. Näiteks saab maatriksipõhiseid keraamilisi komposiite täiustada, integreerides grafeenplaate, mis tugevdavad materjali ja suurendavad selle mehaanilist vastupidavust, vähendades samal ajal selle kaalu. "Kui me räägime näiteks komposiitidest," jätkas Dakvino, "või kõige üldisemalt öeldes materjalidest, mis on tugevdatud grafeeni lisamisega, siis saame reaalseid materjale ja nende masstootmise tegelikke protsesse, kui mitte homme, aga võib -olla järgmise viie aasta jooksul."
"Seetõttu on grafeen ballistiliste kaitsesüsteemide jaoks nii huvitav. Mitte sellepärast, et grafeeni saaks soomukina kasutada. Kuid kui kasutate oma soomuses grafeeni tugevdava materjalina, võib see muutuda tugevamaks kui isegi Kevlar."
Prioriteetsed valdkonnad, näiteks autonoomsed süsteemid ja andurid, aga ka kõrge riskiga sõjalised piirkonnad, nagu veealune, kosmos ja küberneetika, sõltuvad eelkõige uutest täiustatud materjalidest ning nano- ja mikrotehnoloogia liidesest biotehnoloogiaga. materjalid, reaktiivmaterjalid ning energiatootmis- ja salvestussüsteemid.
Metamaterjalid ja nanotehnoloogia, nagu grafeen ja süsiniknanotorud, arenevad täna kiiresti. Nendes uutes tehnoloogiates otsib sõjavägi uusi võimalusi, uurides nende rakendusi ja võimalikke tõkkeid, kuna nad on sunnitud tasakaalustama kaasaegse lahinguvälja vajaduste ja pikaajaliste uurimislike eesmärkide vahel.
