Muligheten for å lage et materiale med en negativ brytningsvinkel ble spådd tilbake i 1967 av den sovjetiske fysikeren Viktor Veselago, men først nå vises de første prøvene av virkelige strukturer med slike egenskaper. På grunn av den negative brytningsvinkelen bøyes lysstrålene rundt objektet, noe som gjør det usynlig. Således merker observatøren bare hva som skjer bak ryggen til personen som har den "fantastiske" kappen.
For å få et forsprang på slagmarken, vender moderne militære styrker seg til potensielt forstyrrende evner som avansert karosseri og rustning og nanoteknologi. nyskapende kamuflasje, nye elektriske enheter, superakkumulatorer og "intelligent" eller reaktiv beskyttelse av plattformer og personell. Militære systemer blir mer komplekse, nye avanserte multifunksjonelle materialer og dual-use materialer blir utviklet og produsert, og miniatyriseringen av kraftig og fleksibel elektronikk skjer med stormskritt.
Eksempler inkluderer lovende selvhelbredende materialer, avanserte komposittmaterialer, funksjonell keramikk, elektrokromiske materialer, "cyber-shielding" -materialer som reagerer på elektromagnetisk interferens. De forventes å bli ryggraden i forstyrrende teknologier som uigenkallelig vil endre slagmarken og arten av fremtidige fiendtligheter.
Neste generasjons avanserte materialer, for eksempel metamaterialer, grafen og karbon nanorør, skaper stor interesse og investeringer fordi de har egenskaper og funksjoner som ikke finnes i naturen og er egnet for forsvarsapplikasjoner og oppgaver som utføres i ekstreme eller fiendtlige rom. Nanoteknologi bruker materialer i nanometer-skala (10-9) for å kunne endre strukturer på atom- og molekylnivå og lage forskjellige vev, enheter eller systemer. Disse materialene er et veldig lovende område og kan i fremtiden ha en alvorlig innvirkning på kampeffektiviteten.
Metamaterialer
La oss definere metamaterialer før vi fortsetter. Metamaterial er et sammensatt materiale, hvis egenskaper ikke så mye bestemmes av egenskapene til dets bestanddeler som av en kunstig skapt periodisk struktur. De er kunstig formede og spesielt strukturerte medier med elektromagnetiske eller akustiske egenskaper som er teknologisk vanskelige å oppnå, eller som ikke finnes i naturen.
Kymeta Corporation, et datterselskap av Intellectual Ventures, kom inn på forsvarsmarkedet i 2016 med mTenna metamaterialantenne. Ifølge direktøren for selskapet Nathan Kundz veier en bærbar antenne i form av en mottakerantenne omtrent 18 kg og bruker 10 watt. Utstyr for metamaterialeantenner er omtrent på størrelse med en bok eller netbook, har ingen bevegelige deler og er produsert på samme måte som LCD -skjermer eller smarttelefonskjermer ved bruk av TFT -teknologi.
Metamaterialer er sammensatt av subbølgelengde mikrostrukturer, det vil si strukturer hvis dimensjoner er mindre enn bølgelengden til strålingen de må kontrollere. Disse strukturene kan være laget av ikke-magnetiske materialer som kobber og etset på et glassfiber PCB-underlag.
Metamaterialer kan opprettes for å samhandle med hovedkomponentene i elektromagnetiske bølger - dielektrisk konstant og magnetisk permeabilitet. I følge Pablos Holman, en oppfinner av Intellectual Ventures, kan antenner som er opprettet ved hjelp av metamaterialteknologi til slutt erstatte celletårn, fasttelefonlinjer og koaksial- og fiberoptiske kabler.
Tradisjonelle antenner er innstilt på å fange opp kontrollert energi med en bestemt bølgelengde, noe som stimulerer elektroner i antennen til å generere elektriske strømmer. I sin tur kan disse kodede signalene tolkes som informasjon.
Moderne antennesystemer er tungvint fordi forskjellige frekvenser krever en annen type antenne. Når det gjelder antenner laget av metamaterialer, lar overflatelaget deg endre bøyningsretningen til elektromagnetiske bølger. Metamaterialer viser både negative dielektriske og negative magnetiske permeabiliteter og har derfor en negativ brytningsindeks. Denne negative brytningsindeksen, som ikke finnes i noe naturlig materiale, bestemmer endringen i elektromagnetiske bølger når man krysser grensen til to forskjellige medier. Dermed kan mottakeren til en metamaterialeantenne justeres elektronisk for å motta forskjellige frekvenser, noe som gjør det mulig for utviklere å oppnå bredbånd og redusere størrelsen på antenneelementer.
Metamaterialene inne i slike antenner er satt sammen til en flat matrise av tettpakket individuelle celler (veldig lik plassering av piksler på en TV -skjerm) med en annen flat matrise med parallelle rektangulære bølgeledere, samt en modul som styrer bølgeutslipp gjennom programvare og lar antennen bestemme strålingsretningen.
Holman forklarte at den enkleste måten å forstå fordelene ved metamaterialeantenner er å se nærmere på antennens fysiske åpninger og påliteligheten til internettforbindelser på skip, fly, droner og andre bevegelige systemer.
"Hver ny kommunikasjonssatellitt som ble satt i bane i disse dager," fortsatte Holman, "har mer kapasitet enn satellittbildet hadde for bare noen få år siden. Vi har et stort potensial for trådløs kommunikasjon i disse satellittnettverkene, men den eneste måten å kommunisere med dem på er å ta en parabol, som er stor, tung og dyr å installere og vedlikeholde. Med en antenne basert på metamaterialer kan vi lage et flatt panel som kan styre strålen og sikte direkte mot satellitten.
"Femti prosent av tiden er den fysisk styrbare antennen ikke satellittorientert, og du er effektivt frakoblet," sa Holman. "Derfor kan en metamaterialeantenne være spesielt nyttig i maritim kontekst, fordi parabolen er fysisk kontrollert for å lede den til satellitten, siden skipet ofte endrer kurs og konstant svaier på bølgene."
Bionics
Utviklingen av nye materialer går også mot etableringen av fleksible multifunksjonelle systemer med komplekse former. Her spilles en viktig rolle av anvendt vitenskap om anvendelse av prinsipper for organisasjon, egenskaper, funksjoner og strukturer i levende natur i tekniske enheter og systemer. Bionikk (i vestlig litteratur biomimetikk) hjelper en person med å lage originale tekniske systemer og teknologiske prosesser basert på ideer funnet og lånt fra naturen.
US Navy's Submarine Warfare Research Center tester et autonomt gruvesøkeapparat (APU) som bruker bioniske prinsipper. etterligne bevegelsene til det marine livet. Barberhøvelen er 3 meter lang og kan bæres av to personer. Elektronikken koordinerer arbeidet med fire flappende vinger og to bakre propeller. De flappende bevegelsene etterligner bevegelsene til noen dyr, for eksempel fugler og skilpadder. Dette gjør at APU kan sveve, utføre presis manøvrering ved lave hastigheter og nå høye hastigheter. Denne manøvrerbarheten gjør at barbermaskinen også enkelt kan flytte seg selv og flyte rundt objekter for 3D -avbildning.
US Navy Research Agency finansierer Pliant Energy Systems utvikling av en prototype for den valgfrie autonome Velox nedsenkbare, som erstatter propeller med et system med flerstabile, ikke-lineære, papirlignende finner som genererer repeterende rampelignende bølgende bevegelser. Enheten konverterer bevegelsene til elektroaktive, bølgete, fleksible polymerfinner med en plan hyperbolsk geometri til translasjonell bevegelse, beveger seg fritt under vann, i bølgene i brenningen, i sanden, over havet og terrestrisk vegetasjon, på glatte steiner eller is.
I følge en talsmann for Pliant Energy Systems forhindrer den bølgende bevegelsen fremover sammenfiltring i tett vegetasjon, ettersom det ikke er roterende deler, samtidig som skader på planter og sediment minimeres. Lavstøyfartøyet, drevet av et litiumionbatteri, kan forbedre oppdriften for å beholde posisjonen under isen, mens den kan fjernstyres. Hovedoppgavene er: kommunikasjon, inkludert GPS, WiFi, radio eller satellittkanaler; etterretning og innsamling av informasjon; søk og redning; og skanning og identifisering av min.
Utviklingen av nanoteknologi og mikrostrukturer er også svært viktig i bioniske teknologier, hvis inspirasjon er hentet fra naturen for å simulere fysiske prosesser eller optimalisere produksjonen av nye materialer.
US Navy Research Laboratory utvikler et gjennomsiktig polymerskjold som har en lagdelt mikrostruktur som ligner det chitinøse skallet av krepsdyr, men laget av plastmaterialer. Dette gjør at materialet kan forbli konformt over et bredt spekter av temperaturer og belastninger, noe som gjør at det kan brukes til å beskytte personell, stasjonære plattformer, kjøretøyer og fly.
Ifølge Yas Sanghera, leder for optiske materialer og enheter i dette laboratoriet, er beskyttelsen som er tilgjengelig på markedet vanligvis laget av tre plasttyper og kan ikke hundre prosent tåle en 9 mm kule avfyrt fra 1-2 meter og fly fra hastighet 335 m / s.
Gjennomsiktig rustning utviklet av dette laboratoriet tillater en 40% reduksjon i masse samtidig som den opprettholder ballistisk integritet og absorberer 68% mer kulenergi. Sanghera forklarte at rustningen kunne være perfekt for flere militære bruksområder, for eksempel minebeskyttede kjøretøyer, amfibiske pansrede kjøretøyer, forsyningskjøretøyer og cockpitvinduer i fly.
I følge Sanghera har laboratoriet hans til hensikt, basert på eksisterende utvikling, å lage en lett, konform, gjennomsiktig rustning med multi-impact-egenskaper og oppnå en vektreduksjon på mer enn 20%, som vil gi beskyttelse mot riflekuler av kaliber 7, 62x39 mm.
DARPA utvikler også gjennomsiktig Spinel rustning med unike egenskaper. Dette materialet har utmerkede multi-impact-egenskaper, høy hardhet og erosjonsmotstand, økt motstand mot eksterne faktorer; den overfører bredere mellombølget infrarød stråling, noe som øker evnen til nattesyn (evnen til å se objekter bak glassoverflater), og veier også halvparten av vekten av tradisjonelt skuddsikkert glass.
Denne aktiviteten er en del av DARPAs program Atoms to Product (A2P), som "utvikler teknologiene og prosessene som kreves for å montere nanoskala -partikler (nær atomstørrelser) til systemer, komponenter eller materialer i det minste i millimeterskala."
I løpet av de siste åtte årene har byrået oppnådd en reduksjon i tykkelsen på den grunnleggende gjennomsiktige rustningen fra omtrent 18 cm til 6 cm, samtidig som den opprettholder sine styrkeegenskaper, ifølge lederen for A2P -programmet ved DARPA, John Maine. Den består av mange forskjellige lag, "ikke alle keramiske og ikke alle plast eller glass", som er festet til underlaget for å forhindre sprekker. "Du bør tenke på det som et forsvarssystem, ikke som et monolitisk stykke materiale."
Spinelglass ble produsert for installasjon på prototyper av American Army FMTV (Family of Medium Tactical Vehicles) lastebiler for evaluering av Armored Research Center.
Under A2P -programmet tildelte DARPA Voxtel, et Oregon Institute for Nanomaterials and Microelectronics, en kontrakt på 5,59 millioner dollar for å forske produksjonsprosesser som skaleres fra nano til makro. Dette bioniske prosjektet innebærer utvikling av et syntetisk lim som etterligner funksjonene til gekko -øglen.
"På sålene til gekkoen er det noe som små hår … omtrent 100 mikron lange, som forgrener seg voldsomt. I enden av hver lille gren er en liten nanoplate på omtrent 10 nanometer i størrelse. Når de kommer i kontakt med en vegg eller et tak, lar disse platene gekkoen feste seg til veggen eller taket."
Maine sa at produsenter aldri kunne replikere disse egenskapene fordi de ikke kunne lage forgrenende nanostrukturer.
“Voxtel utvikler produksjonsteknologier som replikerer denne biologiske strukturen og fanger opp disse biologiske egenskapene. Den bruker karbon -nanorør på en virkelig ny måte, den lar deg lage komplekse 3D -strukturer og bruke dem på veldig originale måter, ikke nødvendigvis som strukturer, men på andre, mer oppfinnsomme måter."
Voxtel ønsker å utvikle avanserte additiv produksjonsteknikker som vil produsere "materialer som selv er satt sammen til funksjonelt komplette blokker, deretter montert i komplekse heterogene systemer." Disse teknikkene vil være basert på simulering av enkle genetiske koder og generelle kjemiske reaksjoner som finnes i naturen, som lar molekyler samle seg selv fra atomnivået til store strukturer som er i stand til å forsyne seg selv av energi.
“Vi ønsker å utvikle et avansert lim for gjenbruk. Vi ønsker å få et materiale med egenskapene til et epoksylim, men uten dets engangsbruk og overflateforurensning, - sa Main. "Det fine med et materiale i gekko-stil er at det ikke etterlater rester og fungerer umiddelbart."
Andre raskt avanserte materialer inkluderer ultratynne materialer som grafen og karbon nanorør, som har strukturelle, termiske, elektriske og optiske egenskaper som vil revolusjonere dagens kamprom.
Graphene
Selv om karbon -nanorør har et godt potensial for applikasjoner i elektroniske systemer og kamuflasjesystemer, så vel som i det biomedisinske feltet, er grafen "mer interessant fordi det, i det minste på papiret, gir flere muligheter", sier Giuseppe Dakvino, talsmann for European Defense. Byrå (EOA).
Grafen er et ultratynnt nanomateriale dannet av et lag med karbonatomer med et atom tykt. Lett og holdbart grafen har rekordhøy termisk og elektrisk ledningsevne. Forsvarsindustrien studerer nøye muligheten for å bruke grafen i applikasjoner som krever styrke, fleksibilitet og motstand mot høye temperaturer, for eksempel i kampoppdrag utført under ekstreme forhold.
Dakvino sa at grafen i det minste i teorien er fremtidens materiale. Grunnen til at det er så mye interessant debatt nå er fordi det etter så mange års forskning i sivil sektor har blitt klart at det faktisk vil endre kampscenarier.”
“For å nevne noen av mulighetene: fleksibel elektronikk, kraftsystemer, ballistisk beskyttelse, kamuflasje, filtre / membraner, materialer med høy varmeavledning, biomedisinske applikasjoner og sensorer. Dette er faktisk de viktigste teknologiske retningene."
I desember 2017 begynte EAO en årelang studie av mulige lovende militære anvendelser av grafen og dets innvirkning på den europeiske forsvarsindustrien. Dette arbeidet ble ledet av Spanish Foundation for Technical Research and Innovation, som University of Cartagena og det britiske selskapet Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. I mai 2018 ble det avholdt et seminar for forskere og eksperter på grafen, der det ble bestemt et veikart for bruk i forsvarssektoren.
I følge EOA, "Blant materialene som har potensial til å revolusjonere forsvarskapasitet i det neste tiåret, er grafen høyt på listen. Lett, fleksibel, 200 ganger sterkere enn stål, og dens elektriske ledningsevne er utrolig (bedre enn silisium), det samme er termisk ledningsevne."
EOA bemerket også at grafen har bemerkelsesverdige egenskaper innen "signaturhåndtering". Det vil si at den kan brukes til å produsere "radioabsorberende belegg, som vil gjøre militære kjøretøyer, fly, ubåter og overflateskip til nesten ikke-detekterbare objekter." Alt dette gjør grafen til et ekstremt attraktivt materiale, ikke bare for den sivile industrien, men også for militære applikasjoner, land, luft og sjø."
For dette formål studerer det amerikanske militæret bruken av grafen for kjøretøyer og verneklær. I følge ingeniør Emil Sandoz-Rosado fra US Army Military Research Laboratory (ARL) har dette materialet utmerkede mekaniske egenskaper, ett atomlag med grafen er 10 ganger stivere og mer enn 30 ganger sterkere enn det samme laget av kommersiell ballistisk fiber. “Taket for grafen er veldig høyt. Dette er en av grunnene til at flere arbeidsgrupper i ARL har vist interesse for det, fordi dets designegenskaper er veldig lovende når det gjelder booking.
Imidlertid er det også ganske store vanskeligheter. En av dem er skalering av materialet; hæren trenger beskyttelsesmateriale som kan dekke stridsvogner, kjøretøyer og soldater. Vi trenger mye mer. Generelt snakker vi om omtrent en million eller flere lag vi trenger for øyeblikket”.
Sandoz-Rosado sa at grafen kan produseres på en eller to måter, enten gjennom en skrellingsprosess der grafitt av høy kvalitet skilles i separate atomlag, eller ved å vokse et enkelt atomlag av grafen på kobberfolie. Denne prosessen er godt etablert av laboratorier som produserer grafen av høy kvalitet. Det er ikke helt perfekt, men det er ganske nært det. I dag er det imidlertid på tide å snakke om mer enn ett atomlag, vi trenger et fullverdig produkt”. Som en konsekvens har det nylig blitt lansert et program for å utvikle kontinuerlige grafenproduksjonsprosesser i industriell skala.
"Enten det er karbon -nanorør eller grafen, må du ta hensyn til de spesifikke kravene som må oppfylles," advarte Dakvino og bemerket at den formelle beskrivelsen av egenskapene til nye avanserte materialer, standardiseringen av de presise prosessene for å lage nye materialer, reproduserbarheten av disse prosessene, fremstillbarheten til hele kjeden (fra grunnforskning til produksjon av demonstrasjon og prototyper) trenger grundig undersøkelse og begrunnelse når det gjelder bruk av banebrytende materialer som grafen og karbon nanorør i militære plattformer.
"Dette er ikke bare forskning, for tross alt må du være sikker på at et bestemt materiale er offisielt beskrevet, og så må du være sikker på at det kan produseres i en bestemt prosess. Det er ikke så enkelt, fordi produksjonsprosessen kan endres, kvaliteten på det produserte produktet kan variere avhengig av prosessen, så prosessen må gjentas flere ganger."
I følge Sandoz-Rosado jobbet ARL med grafenprodusenter for å vurdere produktets kvalitetsklasse og skalerbarhet. Selv om det ennå ikke er klart om kontinuerlige prosesser, som er i begynnelsen av dannelsen, har en forretningsmodell, passende kapasitet og om de kan levere den nødvendige kvaliteten.
Dakvino bemerket at fremskritt innen datamodellering og kvanteberegning kan fremskynde forskning og utvikling, samt utvikling av metoder for produksjon av avanserte materialer i nær fremtid. “Med datamaskinstøttet design og materialmodellering kan mange ting modelleres: materialegenskaper og til og med produksjonsprosesser kan modelleres. Du kan til og med lage virtuell virkelighet, hvor du i utgangspunktet kan se på de forskjellige stadiene av å lage et materiale."
Dakwino sa også at avansert datamodellering og virtual reality -teknikker gir en fordel ved å lage "et integrert system hvor du kan simulere et bestemt materiale og se om det materialet kan brukes i et bestemt miljø." Quantum computing kan radikalt endre situasjonen her.
"I fremtiden ser jeg enda mer interesse for nye produksjonsmåter, nye måter å lage nye materialer og nye produksjonsprosesser gjennom datasimulering, siden enorm datakraft potensielt bare kan oppnås ved bruk av kvantemaskiner."
Ifølge Dakwino er noen anvendelser av grafen teknologisk mer avanserte, mens andre er mindre. For eksempel kan matrise-baserte keramiske kompositter forbedres ved å integrere grafenplater som forsterker materialet og øker dets mekaniske motstand samtidig som det reduserer vekten. "Hvis vi for eksempel snakker om kompositter," fortsatte Dakvino, "eller, i de mest generelle termer, om materialer forsterket ved å legge til grafen, så får vi virkelige materialer og virkelige prosesser for masseproduksjonen deres, om ikke i morgen, men kanskje i løpet av de neste fem årene ".
“Derfor er grafen så interessant for ballistiske beskyttelsessystemer. Ikke fordi grafen kan brukes som rustning. Men hvis du bruker grafen i rustningen som et forsterkende materiale, kan det bli sterkere enn til og med Kevlar."
Prioriterte områder, for eksempel autonome systemer og sensorer, samt høyrisiko militære områder, som under vann, rom og kybernetikk, er mest av alt avhengig av nye avanserte materialer og grensesnittet mellom nano- og mikroteknologi med bioteknologi, "stealth" materialer, reaktive materialer og energiproduksjons- og lagringssystemer.
Metamaterialer og nanoteknologi som grafen og karbon -nanorør er under rask utvikling i dag. I disse nye teknologiene leter militæret etter nye muligheter, utforsker deres applikasjoner og potensielle barrierer, ettersom de er tvunget til å balansere mellom behovene til den moderne slagmarken og langsiktige forskningsmål.
