Galimybę sukurti medžiagą su neigiamu lūžio kampu dar 1967 metais numatė sovietų fizikas Viktoras Veselago, tačiau tik dabar pasirodo pirmieji tikrų savybių turinčių tokių savybių pavyzdžiai. Dėl neigiamo lūžio kampo šviesos spinduliai lenkiasi aplink objektą, todėl tampa nematomi. Taigi stebėtojas pastebi tik tai, kas vyksta už „nuostabų“apsiaustą dėvinčio žmogaus nugaros.
Siekdamos įgyti pranašumą mūšio lauke, šiuolaikinės karinės pajėgos kreipiasi į potencialiai žlugdančias galimybes, tokias kaip pažangūs šarvai ir transporto priemonių šarvai bei nanotechnologijos. novatoriškas kamufliažas, nauji elektros prietaisai, akumuliatoriai ir „protinga“arba reaktyvi platformų ir personalo apsauga. Karinės sistemos darosi vis sudėtingesnės, kuriamos ir gaminamos naujos pažangios daugiafunkcinės ir dvejopo naudojimo medžiagos, o didelės apimties ir lanksčios elektronikos miniatiūrizavimas vyksta sparčiai.
Pavyzdžiai yra perspektyvios savaiminio gydymo medžiagos, pažangios kompozicinės medžiagos, funkcinė keramika, elektrochrominės medžiagos, „kibernetinio skydo“medžiagos, reaguojančios į elektromagnetinius trikdžius. Tikimasi, kad jie taps žlugdančių technologijų, kurios negrįžtamai pakeis mūšio lauką ir būsimų karo veiksmų pobūdį, stuburu.
Naujos kartos pažangios medžiagos, tokios kaip metamedžiagos, grafenas ir anglies nanovamzdeliai, kelia didelį susidomėjimą ir investicijas, nes pasižymi savybėmis ir funkcijomis, kurių nėra gamtoje, ir yra tinkamos gynybos reikmėms bei užduotims, atliekamoms ekstremaliose ar priešiškose erdvėse. Nanotechnologijose naudojamos nanometro masto medžiagos (10-9), kad būtų galima modifikuoti struktūras atominiu ir molekuliniu lygiu ir sukurti įvairius audinius, prietaisus ar sistemas. Šios medžiagos yra labai perspektyvi sritis ir ateityje gali turėti didelį poveikį kovos efektyvumui.
Metamedžiagos
Prieš tęsdami apibrėžkime metamedžiagas. Metamedžiaga yra sudėtinė medžiaga, kurios savybes lemia ne tiek jo sudedamųjų dalių savybės, kiek dirbtinai sukurta periodinė struktūra. Jie yra dirbtinai suformuotos ir specialiai struktūrizuotos terpės, turinčios elektromagnetinių ar akustinių savybių, kurias technologiškai sunku pasiekti arba kurių gamtoje nėra.
„Kymeta Corporation“, dukterinė „Intellectual Ventures“įmonė, į gynybos rinką įžengė 2016 m. Su „mTenna“metamedžiagos antena. Pasak bendrovės direktoriaus Nathano Kundzo, nešiojamoji antena siųstuvo -imtuvo antenos pavidalu sveria apie 18 kg ir sunaudoja 10 vatų. Metamedžiaginių antenų įranga yra maždaug knygos ar netbook dydžio, neturi judančių dalių ir yra gaminama taip pat, kaip skystųjų kristalų monitoriai ar išmaniųjų telefonų ekranai, naudojant TFT technologiją.
Metamedžiagos susideda iš subbangos ilgio mikrostruktūrų, tai yra, struktūrų, kurių matmenys yra mažesni už jų valdomos spinduliuotės bangos ilgį. Šios konstrukcijos gali būti pagamintos iš nemagnetinių medžiagų, tokių kaip varis, ir išgraviruotos ant stiklo pluošto PCB pagrindo.
Metamedžiagos gali būti sukurtos sąveikauti su pagrindiniais elektromagnetinių bangų komponentais - dielektrine konstanta ir magnetiniu pralaidumu. Pasak „Intellectual Ventures“išradėjo Pabloso Holmano, antenos, sukurtos naudojant metamedžiagų technologiją, ilgainiui gali išstumti ląstelių bokštus, fiksuotojo telefono linijas ir bendraašius bei šviesolaidinius kabelius.
Tradicinės antenos yra pritaikytos tam, kad sulaikytų tam tikro bangos ilgio valdomą energiją, kuri sužadina antenoje esančius elektronus ir sukuria elektros srovę. Savo ruožtu šiuos užkoduotus signalus galima interpretuoti kaip informaciją.
Šiuolaikinės antenų sistemos yra sudėtingos, nes skirtingiems dažniams reikia kitokio tipo antenos. Antenų, pagamintų iš metamedžiagų, atveju paviršinis sluoksnis leidžia pakeisti elektromagnetinių bangų lenkimo kryptį. Metamedžiagos rodo tiek neigiamą dielektrinį, tiek neigiamą magnetinį pralaidumą, todėl turi neigiamą lūžio rodiklį. Šis neigiamas lūžio rodiklis, kurio nėra jokioje natūralioje medžiagoje, lemia elektromagnetinių bangų pasikeitimą kertant dviejų skirtingų terpių sieną. Taigi metamedžiagos antenos imtuvas gali būti elektroniškai sureguliuotas priimti skirtingus dažnius, o tai leidžia kūrėjams pasiekti plačiajuostį ryšį ir sumažinti antenos elementų dydį.
Tokių antenų viduje esančios metamedžiagos yra surenkamos į plokščią tankiai supakuotų atskirų ląstelių matricą (labai panašią į pikselių išdėstymą televizoriaus ekrane) su kita plokščia lygiagrečių stačiakampių bangolaidžių matrica, taip pat modulį, kuris valdo bangų emisiją per programinę įrangą ir leidžia antenai nustatyti spinduliuotės kryptį.
Holmanas paaiškino, kad lengviausias būdas suprasti metamedžiagų antenų privalumus yra atidžiau pažvelgti į fizines antenos angas ir interneto ryšio patikimumą laivuose, lėktuvuose, dronuose ir kitose judančiose sistemose.
„Kiekvienas naujas ryšių palydovas, paleistas į orbitą šiais laikais, - tęsė Holmanas, - turi daugiau pajėgumų, nei palydovų žvaigždynas turėjo vos prieš keletą metų. Turime didžiulį belaidžio ryšio potencialą šiuose palydoviniuose tinkluose, tačiau vienintelis būdas su jais bendrauti yra paimti palydovinę anteną, kuri yra didelė, sunki ir brangi įdiegti bei prižiūrėti. Naudodami anteną, pagamintą iš metamedžiagų, galime pagaminti plokščią ekraną, kuris gali nukreipti spindulį ir nukreipti tiesiai į palydovą.
„Penkiasdešimt procentų atvejų fiziškai valdoma antena nėra orientuota į palydovą ir jūs iš tikrųjų esate neprisijungę“,-sakė Holmanas. "Todėl metamedžiagos antena gali būti ypač naudinga jūriniame kontekste, nes indas yra fiziškai valdomas, kad nukreiptų jį į palydovą, nes laivas dažnai keičia kursą ir nuolat svyruoja bangomis."
Bionika
Kuriant naujas medžiagas taip pat siekiama sukurti lanksčias sudėtingas daugiafunkcines sistemas. Čia svarbus vaidmuo tenka taikomiesiems mokslams apie organizacinių principų, savybių, funkcijų ir struktūrų taikymą gyvojoje gamtoje techniniuose prietaisuose ir sistemose. Bionika (Vakarų literatūroje biomimetika) padeda žmogui sukurti originalias technines sistemas ir technologinius procesus, paremtus iš gamtos rastomis ir pasiskolintomis idėjomis.
JAV karinio jūrų laivyno povandeninio karo tyrimų centras išbando autonominį minų paieškos aparatą (APU), kuris naudoja bioninius principus. imituojantys jūrų gyvybės judesius. Skustuvas yra 3 metrų ilgio ir gali nešiotis du žmonės. Jo elektronika koordinuoja keturių plazdančių sparnų ir dviejų galinių sraigtų darbą. Plepantys judesiai imituoja kai kurių gyvūnų, pavyzdžiui, paukščių ir vėžlių, judesius. Tai leidžia APU sklandyti, tiksliai manevruoti mažu greičiu ir pasiekti didelį greitį. Šis manevringumas taip pat leidžia skustuvui lengvai persirengti ir plaukioti aplink objektus 3D vaizdavimui.
JAV karinio jūrų laivyno tyrimų agentūra finansuoja „Pliant Energy Systems“prototipo kūrimą pasirinktinai autonominiam panardinamam „Velox“, kuris pakeičia sraigtus į daugiapakopių, nelinijinių, į popierių panašių pelekų sistemą, kuri generuoja pasikartojančius rampos formos banguotus judesius. Prietaisas paverčia elektroaktyvių, banguotų, lanksčių polimerinių pelekų judesius su plokščia hiperboline geometrija į transliacinius judesius, laisvai judančius po vandeniu, banglenčių bangose, smėlyje, virš jūros ir sausumos augmenijos, ant slidžių uolų ar ledo.
Pasak „Pliant Energy Systems“atstovo, banguotas judėjimas į priekį neleidžia įsipainioti į tankią augmeniją, nes nėra besisukančių dalių, tuo pačiu sumažinant žalą augalams ir nuosėdoms. Mažo triukšmo laivas, maitinamas ličio jonų akumuliatoriumi, gali pagerinti savo plūdrumą, kad išlaikytų savo padėtį po ledu, o gali būti valdomas nuotoliniu būdu. Pagrindinės jo užduotys: ryšys, įskaitant GPS, „WiFi“, radijo ar palydovinius kanalus; žvalgybos ir informacijos rinkimas; paieškos ir gelbėjimo; skenavimas ir identifikavimas min.
Nanotechnologijų ir mikrostruktūrų plėtra taip pat labai svarbi bioninėse technologijose, kurių įkvėpimas semiamasi iš gamtos, kad būtų galima imituoti fizinius procesus ar optimizuoti naujų medžiagų gamybą.
JAV karinio jūrų laivyno tyrimų laboratorija kuria skaidrų polimerinį skydą, kurio mikrostruktūra yra panaši į vėžiagyvių chitino apvalkalą, bet pagaminta iš plastiko. Tai leidžia medžiagai išlikti vienodai įvairiose temperatūrose ir apkrovose, o tai leidžia ją naudoti personalui, nejudančioms platformoms, transporto priemonėms ir orlaiviams apsaugoti.
Pasak šios laboratorijos optinių medžiagų ir prietaisų vadovo Yaso Sangheros, rinkoje esanti apsauga paprastai pagaminta iš trijų rūšių plastiko ir negali šimtu procentų atlaikyti 9 mm kulkos, paleistos iš 1–2 metrų ir skriejančio iš greičio. 335 m / s.
Šios laboratorijos sukurti skaidrūs šarvai leidžia 40% sumažinti masę, išlaikant balistinį vientisumą ir sugeria 68% daugiau kulkų energijos. Sanghera paaiškino, kad šarvai gali būti puikiai pritaikyti kelioms karinėms reikmėms, tokioms kaip minos apsaugotos transporto priemonės, amfibijos šarvuočiai, tiekimo transporto priemonės ir orlaivių kabinos langai.
Pasak Sangheros, jo laboratorija, remdamasi esamais įvykiais, ketina sukurti lengvas, konformacines, skaidrius šarvus, turinčius kelių smūgių charakteristikas, ir sumažinti svorį daugiau nei 20%, o tai užtikrins apsaugą nuo 7, 62x39 mm kalibro šautuvų kulkų.
DARPA taip pat kuria skaidrius „Spinel“šarvus, pasižyminčius unikaliomis savybėmis. Ši medžiaga pasižymi puikiomis daugelio smūgių charakteristikomis, dideliu kietumu ir atsparumu erozijai, padidėjusiu atsparumu išorės veiksniams; jis praleidžia platesnę vidutinių bangų infraraudonąją spinduliuotę, kuri padidina naktinio matymo prietaisų galimybes (galimybę matyti objektus už stiklo paviršių), taip pat sveria pusę tradicinio neperšaunamo stiklo svorio.
Ši veikla yra DARPA programos „Atomai į produktą“(A2P) dalis, kuri „kuria technologijas ir procesus, reikalingus nanodalelių dalelėms (artimoms atominiams dydžiams) surinkti į sistemas, komponentus ar medžiagas bent milimetrų skalėje“.
Pasak DARPA A2P programos vadovo Johno Meino, per pastaruosius aštuonerius metus Agentūra sumažino permatomų šarvų storį nuo maždaug 18 cm iki 6 cm, išlaikydama jų stiprumo charakteristikas. Jį sudaro daug skirtingų sluoksnių, „ne visi jie yra keraminiai ir ne visi plastikiniai ar stikliniai“, kurie priklijuojami prie pagrindo, kad neskiltų. „Turėtumėte galvoti apie tai kaip apie gynybos sistemą, o ne kaip apie monolitinę medžiagos dalį“.
„Spinel“stiklas buvo pagamintas montuoti ant Amerikos armijos FMTV (vidutinių taktinių transporto priemonių šeima) sunkvežimių prototipų, kad juos įvertintų Šarvuotų tyrimų centras.
Pagal A2P programą DARPA apdovanojo „Voxtel“, Oregono nanomedžiagų ir mikroelektronikos institutą, 5,59 mln. JAV dolerių sutartį, skirtą gamybos procesams, pradedant nuo nano iki makro. Šis bioninis projektas apima sintetinių klijų, imituojančių gekono driežo galimybes, kūrimą.
„Ant gekono padų yra kažkas panašaus į mažus plaukelius … apie 100 mikronų ilgio, kurie stipriai šakojasi. Kiekvienos mažos šakos gale yra maža maždaug 10 nanometrų dydžio nanoplatelė. Kai liečiasi su siena ar lubomis, šios plokštės leidžia gekonui prilipti prie sienos ar lubų.
Meinas sakė, kad gamintojai niekada negalėjo pakartoti šių galimybių, nes negalėjo sukurti išsišakojančių nanostruktūrų.
„„ Voxtel “kuria gamybos technologijas, kurios pakartoja šią biologinę struktūrą ir fiksuoja šias biologines savybes. Jis naudoja anglies nanovamzdelius tikrai nauju būdu, tai leidžia jums sukurti sudėtingas 3D struktūras ir naudoti jas labai originaliais būdais, nebūtinai kaip struktūras, bet kitais, išradingesniais būdais “.
„Voxtel“nori sukurti pažangias priedų gamybos technologijas, kurios gamins „medžiagas, kurios pačios surenkamos į funkciškai pilnus blokus, o po to surenkamos į sudėtingas nevienalytes sistemas“. Šie metodai bus pagrįsti paprastų genetinių kodų ir bendrų gamtoje randamų cheminių reakcijų imitavimu, leidžiančiu molekulėms savarankiškai surinkti iš atominio lygio į dideles struktūras, galinčias aprūpinti save energija.
„Norime sukurti pažangius daugkartinio naudojimo klijus. Norėtume gauti medžiagą, pasižyminčią epoksidinių klijų savybėmis, tačiau be jos vienkartinio naudojimo ir paviršiaus užteršimo “, - sakė Mainas. „Geko stiliaus medžiagos grožis yra tas, kad ji nepalieka likučių ir veikia akimirksniu“.
Kitos sparčiai tobulėjančios pažangios medžiagos apima itin plonas medžiagas, tokias kaip grafenas ir anglies nanovamzdeliai, kurios turi struktūrines, šilumines, elektrines ir optines savybes, kurios sukels revoliuciją šiandieninėje kovos erdvėje.
Grafenas
Nors anglies nanovamzdeliai turi gerą potencialą pritaikyti elektroninėse ir maskuojančiose sistemose, taip pat biomedicinos srityje, grafenas yra „įdomesnis, nes suteikia bent jau popieriuje daugiau galimybių“, - sakė Europos gynybos atstovas Giuseppe Dakvino. Agentūra (EOA).
Grafenas yra ypač plona nanomedžiaga, sudaryta iš vieno atomo storio anglies atomų sluoksnio. Lengvas ir patvarus grafenas pasižymi rekordiškai dideliu šilumos ir elektros laidumu. Gynybos pramonė kruopščiai tiria galimybę naudoti grafeną tose srityse, kuriose reikalingas jo stiprumas, lankstumas ir atsparumas aukštai temperatūrai, pavyzdžiui, kovinėse misijose, atliekamose ekstremaliomis sąlygomis.
Dakvino sakė, kad grafenas „bent jau teoriškai yra ateities medžiaga. Priežastis, dėl kurios dabar vyksta tiek daug įdomių diskusijų, yra ta, kad po tiek metų trukusių tyrimų civiliniame sektoriuje paaiškėjo, kad tai iš tikrųjų pakeis kovos scenarijus “.
„Išvardyti tik kelias galimybes: lanksčią elektroniką, maitinimo sistemas, apsaugą nuo balistinių dangų, maskavimą, filtrus / membranas, didelio šilumos išsklaidymo medžiagas, biomedicinos programas ir jutiklius. Tai iš tikrųjų yra pagrindinės technologinės kryptys “.
2017 m. Gruodžio mėn. EAO pradėjo metus trunkantį galimų perspektyvių grafeno karinių pritaikymų tyrimą ir jo poveikį Europos gynybos pramonei. Šiam darbui vadovavo Ispanijos techninių tyrimų ir inovacijų fondas, su kuriuo Kartachenos universitetas ir britų kompanija „Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. 2018 m. Gegužės mėn. Vyko mokslininkų ir ekspertų seminaras apie grafeną, kuriame buvo nustatytas jo naudojimo gynybos sektoriuje planas.
Anot EOA, „Tarp medžiagų, kurios gali pakeisti revoliuciją gynybos pajėgumus per ateinantį dešimtmetį, grafenas yra sąraše. Lengvas, lankstus, 200 kartų stipresnis už plieną, o jo elektrinis laidumas yra neįtikėtinas (geresnis nei silicio), kaip ir šilumos laidumas “.
EOA taip pat pažymėjo, kad grafenas turi nepaprastų savybių „parašų valdymo“srityje. Tai reiškia, kad iš jo galima gaminti „radiją sugeriančias dangas, kurios karines transporto priemones, orlaivius, povandeninius laivus ir paviršinius laivus pavers beveik neaptinkamais objektais“. Visa tai daro grafeną nepaprastai patrauklia medžiaga ne tik civilinei pramonei, bet ir kariniams tikslams, sausumai, orui ir jūrai “.
Šiuo tikslu JAV kariuomenė tiria grafeno naudojimą transporto priemonėms ir apsauginiams drabužiams. Pasak JAV armijos karinių tyrimų laboratorijos (ARL) inžinieriaus Emilio Sandozo-Rosado, ši medžiaga pasižymi puikiomis mechaninėmis savybėmis, vienas atominis grafeno sluoksnis yra 10 kartų standesnis ir daugiau nei 30 kartų stipresnis už tą patį komercinio balistinio pluošto sluoksnį. „Grafeno lubos yra labai aukštos. Tai yra viena iš priežasčių, kodėl kelios ARL darbo grupės susidomėjo ja, nes jos dizaino ypatybės yra labai perspektyvios užsakant.
Tačiau yra ir gana didelių sunkumų. Vienas iš jų - medžiagos mastelio keitimas; kariuomenei reikia apsauginių medžiagų, galinčių uždengti tankus, transporto priemones ir karius. „Mums reikia daug daugiau. Apskritai kalbame apie apie milijoną ar daugiau sluoksnių, kurių mums šiuo metu reikia “.
„Sandoz-Rosado“teigė, kad grafenas gali būti gaminamas vienu ar dviem būdais, naudojant lupimo procesą, kai aukštos kokybės grafitas yra atskiriamas į atskirus atominius sluoksnius, arba auginant vieną atominį grafeno sluoksnį ant vario folijos. Šis procesas yra gerai nustatytas laboratorijose, gaminančiose aukštos kokybės grafeną. „Tai nėra visiškai tobula, bet gana arti to. Tačiau šiandien atėjo laikas kalbėti apie daugiau nei vieną atominį sluoksnį, mums reikia visaverčio produkto “. Todėl neseniai buvo pradėta programa, skirta plėtoti nuolatinius pramoninio masto grafeno gamybos procesus.
„Nesvarbu, ar tai būtų anglies nanovamzdeliai, ar grafenas, turite atsižvelgti į konkrečius reikalavimus, kurių reikia laikytis“, - perspėjo Dakvino, pažymėdamas, kad oficialus naujų pažangių medžiagų savybių aprašymas, tikslių naujų medžiagų kūrimo procesų standartizavimas, šių procesų atkuriamumą, visos grandinės (nuo pagrindinių tyrimų iki demonstracinių ir prototipų gamybos) gaminamumą reikia kruopščiai ištirti ir pagrįsti, kai kalbama apie proveržio medžiagų, tokių kaip grafenas ir anglies nanovamzdeliai, naudojimą karinėse platformose.
„Tai ne tik tyrimai, nes juk turi būti tikras, kad tam tikra medžiaga yra oficialiai aprašyta, o tada turi būti tikras, kad ji gali būti pagaminta tam tikru procesu. Tai nėra taip paprasta, nes gamybos procesas gali keistis, pagaminto produkto kokybė gali skirtis priklausomai nuo proceso, todėl procesas turi būti kartojamas kelis kartus “.
Pasak „Sandoz-Rosado“, ARL dirbo su grafeno gamintojais, kad įvertintų produkto kokybės klasę ir jos mastelį. Nors dar neaišku, ar tęstiniai procesai, kurie yra jų formavimosi pradžioje, turi verslo modelį, tinkamus pajėgumus ir ar jie gali užtikrinti reikiamą kokybę.
Dakvino pažymėjo, kad kompiuterinio modeliavimo ir kvantinio skaičiavimo pažanga gali paspartinti mokslinius tyrimus ir plėtrą, taip pat artimiausiu metu kurti pažangių medžiagų gamybos metodus. „Naudojant kompiuterinį projektavimą ir medžiagų modeliavimą galima modeliuoti daugelį dalykų: galima modeliuoti medžiagų charakteristikas ir net gamybos procesus. Jūs netgi galite sukurti virtualią realybę, kur iš esmės galite pažvelgti į skirtingus medžiagos kūrimo etapus “.
Dakwino taip pat teigė, kad pažangūs kompiuterinio modeliavimo ir virtualios realybės metodai suteikia pranašumą, nes sukuria „integruotą sistemą, kurioje galite imituoti tam tikrą medžiagą ir pamatyti, ar tą medžiagą galima pritaikyti tam tikroje aplinkoje“. Kvantinis skaičiavimas gali radikaliai pakeisti situaciją.
„Ateityje matau dar didesnį susidomėjimą naujais gamybos būdais, naujais naujų medžiagų kūrimo būdais ir naujais gamybos procesais naudojant kompiuterinį modeliavimą, nes didžiulę skaičiavimo galią galima gauti tik naudojant kvantinius kompiuterius.
Pasak Dakwino, kai kurios grafeno programos yra technologiškai pažangesnės, o kitos - mažiau. Pavyzdžiui, matricos pagrindu pagamintus keraminius kompozitus galima pagerinti integruojant grafeno plokštes, kurios sustiprina medžiagą ir padidina jos mechaninį atsparumą, tuo pačiu sumažindamos jos svorį. „Jei mes kalbame, pavyzdžiui, apie kompozitus, - tęsė Dakvino, - arba, apskritai kalbant, apie medžiagas, sustiprintas pridedant grafeno, tada mes gausime tikras medžiagas ir tikrus jų masinės gamybos procesus, jei ne rytoj, bet gal per ateinančius penkerius metus “.
„Štai kodėl grafenas yra toks įdomus balistinėms apsaugos sistemoms. Ne todėl, kad grafenas gali būti naudojamas kaip šarvas. Bet jei jūs naudojate grafeną savo šarvuose kaip sustiprinančią medžiagą, tada jis gali tapti stipresnis nei net Kevlaras “.
Prioritetinės sritys, pavyzdžiui, autonominės sistemos ir jutikliai, taip pat didelės rizikos karinės zonos, tokios kaip povandeninis, kosminis ir kibernetinis, labiausiai priklauso nuo naujų pažangių medžiagų ir nano bei mikrotechnologijų sąsajos su biotechnologijomis, „slapta“medžiagos, reaktyviosios medžiagos ir energijos gamybos bei kaupimo sistemos.
Metamedžiagos ir nanotechnologijos, tokios kaip grafenas ir anglies nanovamzdeliai, šiandien sparčiai vystosi. Šiose naujose technologijose kariuomenė ieško naujų galimybių, tyrinėja jų pritaikymą ir galimas kliūtis, nes yra priversta balansuoti tarp šiuolaikinio mūšio lauko poreikių ir ilgalaikių tyrimų tikslų.
