Възможността за създаване на материал с отрицателен ъгъл на пречупване е предсказана още през 1967 г. от съветския физик Виктор Веселаго, но едва сега се появяват първите проби от реални структури с такива свойства. Поради отрицателния ъгъл на пречупване лъчите светлина се огъват около обекта, което го прави невидим. По този начин наблюдателят забелязва само това, което се случва зад гърба на лицето, носещо „прекрасното“наметало.
За да спечелят предимство на бойното поле, съвременните военни сили се обръщат към потенциално разрушителни способности като напреднали бронежилетки и бронирани превозни средства и нанотехнологии. иновативен камуфлаж, нови електрически устройства, супер акумулатори и „интелигентна“или реактивна защита на платформи и персонал. Военните системи стават все по-сложни, разработват се и се произвеждат нови усъвършенствани многофункционални материали и материали с двойна употреба, а миниатюризацията на тежка и гъвкава електроника се осъществява бързо.
Примерите включват обещаващи самолечебни материали, усъвършенствани композитни материали, функционална керамика, електрохромни материали, „киберзащитни“материали, които реагират на електромагнитни смущения. Очаква се те да станат гръбнакът на разрушителните технологии, които ще променят безвъзвратно бойното поле и характера на бъдещите военни действия.
Усъвършенстваните материали от следващо поколение, като метаматериали, графенови и въглеродни нанотръби, предизвикват голям интерес и инвестиции, тъй като имат свойства и функционалности, които не се срещат в природата и са подходящи за отбранителни приложения и задачи, изпълнявани в екстремни или враждебни пространства. Нанотехнологиите използват нанометрови материали (10-9), за да могат да променят структурите на атомно и молекулно ниво и да създават различни тъкани, устройства или системи. Тези материали са много обещаваща област и в бъдеще могат да окажат сериозно влияние върху бойната ефективност.
Метаматериали
Преди да продължим, нека дефинираме метаматериали. Метаматериалът е композитен материал, чиито свойства се определят не толкова от свойствата на съставните му елементи, колкото от изкуствено създадена периодична структура. Те са изкуствено образувани и специално структурирани среди с електромагнитни или акустични свойства, които са технологично трудни за постигане или не се срещат в природата.
Kymeta Corporation, дъщерно дружество на Intellectual Ventures, навлезе на отбранителния пазар през 2016 г. с метаматериалната антена mTenna. Според директора на компанията Нейтън Кундц, преносима антена под формата на приемо -предавателна антена тежи около 18 кг и консумира 10 вата. Оборудването за метаматериални антени е с размерите на книга или нетбук, няма движещи се части и е произведено по същия начин като LCD монитори или екрани на смартфони, използващи TFT технология.
Метаматериалите са съставени от микроструктури с дължина на вълната, тоест структури, чиито размери са по -малки от дължината на вълната на радиацията, която трябва да контролират. Тези структури могат да бъдат направени от немагнитни материали като мед и гравирани върху подложка от печатни платки от фибростъкло.
Метаматериалите могат да бъдат създадени, за да взаимодействат с основните компоненти на електромагнитните вълни - диелектрична константа и магнитна пропускливост. Според Паблос Холман, изобретател в Intellectual Ventures, антените, създадени с помощта на метаматериална технология, в крайна сметка могат да изместят клетъчни кули, стационарни телефонни линии и коаксиални и оптични кабели.
Традиционните антени са настроени да прихващат контролирана енергия със специфична дължина на вълната, която възбужда електроните в антената за генериране на електрически токове. На свой ред тези кодирани сигнали могат да се тълкуват като информация.
Съвременните антенни системи са тромави, защото различните честоти изискват различен тип антена. В случай на антени от метаматериали, повърхностният слой ви позволява да промените посоката на огъване на електромагнитни вълни. Метаматериалите показват както отрицателни диелектрични, така и отрицателни магнитни пропускливости и следователно имат отрицателен коефициент на пречупване. Този отрицателен показател на пречупване, който не се среща в нито един естествен материал, определя промяната в електромагнитните вълни при пресичане на границата на две различни среди. По този начин приемникът на метаматериална антена може да бъде настроен по електронен път за приемане на различни честоти, което дава възможност на разработчиците да постигнат широколентов достъп и да намалят размера на антенните елементи.
Метаматериалите вътре в такива антени са сглобени в плоска матрица от плътно опаковани отделни клетки (много подобна на поставянето на пиксели на телевизионен екран) с друга плоска матрица от паралелни правоъгълни вълноводи, както и модул, който контролира излъчването на вълни чрез софтуер и позволява на антената да определя посоката на излъчване.
Холман обясни, че най -лесният начин да разберете достойнствата на метаматериалните антени е да разгледате по -отблизо физическите отвори на антената и надеждността на интернет връзките на кораби, самолети, дронове и други движещи се системи.
„Всеки нов комуникационен спътник, изстрелян на орбита тези дни“, продължи Холман, „има по -голям капацитет от съзвездието от спътници само преди няколко години. Имаме огромен потенциал за безжична комуникация в тези сателитни мрежи, но единственият начин да комуникираме с тях е да вземем сателитна антена, която е голяма, тежка и скъпа за инсталиране и поддръжка. С антена, базирана на метаматериали, можем да направим плосък панел, който може да насочва лъча и да насочва директно към спътника.
„Петдесет процента от времето физически управляемата антена не е ориентирана към сателит и вие сте ефективно офлайн“, каза Холман. "Следователно метаматериалната антена може да бъде особено полезна в морски контекст, тъй като чинията е физически контролирана, за да я насочи към спътника, тъй като корабът често променя курса и постоянно се люлее по вълните."
Бионика
Разработването на нови материали също се движи към създаването на гъвкави многофункционални системи със сложни форми. Тук важна роля играе приложната наука за прилагането на принципите на организация, свойства, функции и структури на живата природа в техническите устройства и системи. Биониката (в западната литература биомиметика) помага на човек да създава оригинални технически системи и технологични процеси, основани на идеи, намерени и заимствани от природата.
Изследователският център за подводни войни на ВМС на САЩ тества автономен апарат за търсене на мини (APU), който използва бионични принципи. имитиращи движенията на морския живот. Бръсначът е с дължина 3 метра и може да се носи от двама души. Електрониката му координира работата на четири махащи крила и две задни витла. Размахващите се движения имитират движенията на някои животни, като птици и костенурки. Това позволява на APU да се движи, да извършва прецизно маневриране при ниски скорости и да достига високи скорости. Тази маневреност също позволява на Razor лесно да се премества и да плава около обекти за 3D изображения.
Американската агенция за военноморски флот финансира разработването на прототипа на Pliant Energy Systems за прототипа на опционално автономния потопяем Velox, който заменя витлата със система от многостабилни, нелинейни, подобни на хартия перки, които генерират повтарящи се вълнообразни движения, подобни на рампа. Устройството преобразува движенията на електроактивни, вълнообразни, гъвкави полимерни перки с плоска хиперболична геометрия в транслационно движение, свободно движещо се под вода, във вълните на прибоя, в пясъка, над морската и сухоземната растителност, върху хлъзгави скали или лед.
Според говорител на Pliant Energy Systems, вълнообразното движение напред предотвратява заплитането в гъста растителност, тъй като няма въртящи се части, като същевременно минимизира увреждането на растенията и утайките. Нискошумният кораб, задвижван от литиево-йонна батерия, може да подобри плаваемостта си, за да запази позицията си под леда, като същевременно може да се управлява дистанционно. Основните му задачи са: комуникация, включително GPS, WiFi, радио или сателитни канали; разузнаване и събиране на информация; търсене и спасяване; и сканиране и идентификация на мин.
Развитието на нанотехнологиите и микроструктурите също е много важно в бионичните технологии, вдъхновението за които е взето от природата, за да се симулират физическите процеси или да се оптимизира производството на нови материали.
Изследователската лаборатория на ВМС на САЩ разработва прозрачен полимерен щит, който има слоеста микроструктура, подобна на хитиновата обвивка на ракообразните, но изработена от пластмасови материали. Това позволява на материала да остане конформален в широк диапазон от температури и натоварвания, което му позволява да се използва за защита на персонал, неподвижни платформи, превозни средства и самолети.
Според Яс Сангера, ръководител на оптичните материали и устройства в тази лаборатория, защитата, налична на пазара, обикновено е направена от три вида пластмаса и не може сто процента да издържи 9-мм куршум, изстрелян от 1-2 метра и летящ от скорост 335 м / сек.
Прозрачната броня, разработена от тази лаборатория, позволява 40% намаляване на масата, като същевременно се поддържа балистична цялост и абсорбира 68% повече енергия от куршуми. Сангера обясни, че бронята може да бъде перфектна за няколко военни приложения, като например превозни средства, защитени от мини, бронетранспортери-амфибии, превозни средства за снабдяване и прозорци на кабината на самолета.
Според Сангера, неговата лаборатория възнамерява, въз основа на съществуващите разработки, да създаде лека конформна прозрачна броня с многоударни характеристики и да постигне намаляване на теглото с повече от 20%, което ще осигури защита срещу пушки от куршуми от калибър 7, 62х39 мм.
DARPA разработва и прозрачна броня Spinel с уникални свойства. Този материал има отлични характеристики за много удари, висока твърдост и устойчивост на ерозия, повишена устойчивост на външни фактори; той предава по-широко средно вълново инфрачервено излъчване, което увеличава възможностите на устройствата за нощно виждане (способността да виждат предмети зад стъклени повърхности), а също така тежи половината от теглото на традиционното бронирано стъкло.
Тази дейност е част от програмата на DARPA Atoms to Product (A2P), която „разработва технологиите и процесите, необходими за сглобяването на частици от наномащаб (близки до атомните размери) в системи, компоненти или материали поне в милиметров мащаб“.
През последните осем години Агенцията е постигнала намаляване на дебелината на основната прозрачна броня от около 18 см на 6 см, като същевременно запазва своите якостни характеристики, според ръководителя на програмата A2P в DARPA, Джон Мейн. Състои се от много различни слоеве, „не всички от тях керамични и не всички пластмасови или стъклени“, които са залепени към подложката, за да се предотврати напукване. "Трябва да мислите за това като отбранителна система, а не като монолитен материал."
Spinel стъкло е произведено за инсталиране на прототипи на камиони на американската армия FMTV (семейство средни тактически превозни средства) за оценка от Бронирания изследователски център.
По програмата A2P DARPA възлага на Voxtel, Институт за наноматериали и микроелектроника на Орегон, договор за 5,59 милиона долара за изследване на производствени процеси, които се мащабират от нано до макро. Този бионичен проект включва разработването на синтетично лепило, което имитира възможностите на гущера от гекон.
„На подметките на гекона има нещо като малки косми … дълги около 100 микрона, които се разклоняват силно. В края на всеки малък клон има малка нанопластина с размер около 10 нанометра. Когато са в контакт със стена или таван, тези плочи позволяват на гекона да се прилепи към стената или тавана."
Мейн каза, че производителите никога не биха могли да възпроизведат тези възможности, защото не могат да създадат разклонени наноструктури.
„Voxtel разработва производствени технологии, които възпроизвеждат тази биологична структура и улавят тези биологични качества. Той използва въглеродни нанотръби по наистина нов начин, позволява ви да създавате сложни 3D структури и да ги използвате по много оригинални начини, не непременно като структури, но по други, по -изобретателни начини."
Voxtel иска да разработи усъвършенствани техники за производство на добавки, които ще произвеждат „материали, които сами се сглобяват във функционално завършени блокове, след което се сглобяват в сложни хетерогенни системи“. Тези техники ще се основават на симулиране на прости генетични кодове и общи химични реакции, открити в природата, които позволяват на молекулите да се сглобяват самостоятелно от атомното ниво в големи структури, способни да се снабдяват с енергия.
„Искаме да разработим усъвършенствано лепило за многократна употреба. Бихме искали да получим материал със свойствата на епоксидно лепило, но без него за еднократна употреба и повърхностно замърсяване, - каза Майн. "Красотата на материал в стил гекон е, че не оставя следи и действа незабавно."
Други бързо напредващи съвременни материали включват свръхтънки материали като графенови и въглеродни нанотръби, които имат структурни, термични, електрически и оптични свойства, които ще революционизират днешното бойно пространство.
Графен
Докато въглеродните нанотръби имат добър потенциал за приложение в електронни и камуфлажни системи, както и в биомедицинската област, графенът е „по -интересен, защото предлага поне на хартия повече възможности“, каза Джузепе Даквино, говорител на Европейската отбрана Агенция (EOA).
Графенът е ултратънък наноматериал, образуван от слой въглеродни атоми с дебелина един атом. Лекият и издръжлив графен има рекордно висока топло- и електрическа проводимост. Отбранителната индустрия внимателно проучва възможността за използване на графен в приложения, които изискват неговата здравина, гъвкавост и устойчивост на високи температури, например в бойни задачи, изпълнявани в екстремни условия.
Даквино каза, че графенът "поне на теория е материалът на бъдещето. Причината, поради която сега има толкова интересен дебат, е, че след толкова години изследвания в гражданския сектор стана ясно, че това действително ще промени бойните сценарии."
„Да изброим само някои от възможностите: гъвкава електроника, системи за захранване, балистична защита, камуфлаж, филтри / мембрани, материали за разсейване на висока топлина, биомедицински приложения и сензори. Това всъщност са основните технологични направления."
През декември 2017 г. ЕАО започна едногодишно проучване на възможните обещаващи военни приложения на графен и неговото въздействие върху европейската отбранителна индустрия. Тази работа беше ръководена от Испанската фондация за технически изследвания и иновации, с която Университетът в Картахена и британската компания Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. През май 2018 г. се проведе семинар на изследователи и експерти по графен, където беше определена пътна карта за използването му в отбранителния сектор.
Според EOA, „Сред материалите, които имат потенциал да революционизират отбранителните способности през следващото десетилетие, графенът е на високо място в списъка. Лек, гъвкав, 200 пъти по -здрав от стоманата, а електрическата му проводимост е невероятна (по -добра от силиция), както и неговата топлопроводимост."
EOA също така отбеляза, че графенът има забележителни свойства в областта на "управление на подписи". Тоест може да се използва за производство на „радиопоглъщащи покрития, които ще превърнат военни превозни средства, самолети, подводници и надводни кораби в почти неоткриваеми обекти“. Всичко това прави графена изключително привлекателен материал не само за гражданската промишленост, но и за военни приложения, на сушата, въздуха и морето."
За тази цел американската армия изучава използването на графен за превозни средства и защитно облекло. Според инженера Емил Сандос-Росадо от Военно-изследователската лаборатория на американската армия (ARL), този материал има отлични механични свойства, един атомен слой графен е 10 пъти по-твърд и повече от 30 пъти по-здрав от същия слой търговски балистични влакна. „Таванът на графена е много висок. Това е една от причините няколко работни групи в ARL да проявят интерес към него, тъй като неговите дизайнерски характеристики са много обещаващи по отношение на резервацията.
Съществуват обаче и доста големи трудности. Един от тях е мащабиране на материала; армията се нуждае от защитни материали, които могат да покрият танкове, превозни средства и войници. „Нуждаем се от много повече. Като цяло говорим за милион или повече слоеве, от които се нуждаем в момента”.
Сандоз-Росадо каза, че графенът може да се произвежда по един или два начина, или чрез процес на пилинг, при който висококачественият графит се разделя на отделни атомни слоеве, или чрез отглеждане на един атомен слой графен върху медно фолио. Този процес е добре установен от лаборатории, произвеждащи висококачествен графен. „Не е съвсем перфектно, но е доста близо до него. Днес обаче е време да говорим за повече от един атомен слой, имаме нужда от пълноценен продукт”. Вследствие на това наскоро беше стартирана програма за разработване на непрекъснати процеси на производство на графен в промишлен мащаб.
„Независимо дали става въпрос за въглеродни нанотръби или графен, трябва да вземете предвид специфичните изисквания, които трябва да бъдат изпълнени“, предупреди Даквино, отбелязвайки, че официалното описание на характеристиките на новите усъвършенствани материали, стандартизацията на точните процеси за създаване на нови материали, възпроизводимостта на тези процеси, технологичността на цялата верига (от фундаментални изследвания до производство на демонстрации и прототипи) се нуждаят от внимателно проучване и обосновка, когато става въпрос за използването на пробивни материали като графен и въглеродни нанотръби във военни платформи.
„Това не са просто изследвания, защото в края на краищата трябва да сте сигурни, че определен материал е официално описан и след това трябва да сте сигурни, че той може да бъде произведен в определен процес. Това не е толкова лесно, тъй като производственият процес може да се промени, качеството на произвеждания продукт може да варира в зависимост от процеса, така че процесът трябва да се повтори няколко пъти."
Според Sandoz-Rosado, ARL е работила с производителите на графен, за да оцени класа на качеството на продукта и неговата мащабируемост. Въпреки че все още не е ясно дали непрекъснатите процеси, които са в началото на формирането си, имат бизнес модел, подходящ капацитет и дали могат да осигурят необходимото качество.
Даквино отбеляза, че напредъкът в компютърното моделиране и квантовите изчисления може да ускори научните изследвания и разработките, както и разработването на методи за производство на съвременни материали в близко бъдеще. „С помощта на компютърно проектиране и моделиране на материали много неща могат да бъдат моделирани: характеристики на материала и дори производствени процеси могат да бъдат моделирани. Можете дори да създадете виртуална реалност, където можете основно да разгледате различните етапи на създаване на материал."
Даквино каза още, че усъвършенстваните техники за компютърно моделиране и виртуална реалност осигуряват предимство, като създават „интегрирана система, където можете да симулирате определен материал и да видите дали този материал може да бъде приложен в определена среда“. Квантовите изчисления биха могли коренно да променят положението тук.
„В бъдеще виждам още по -голям интерес към нови начини на производство, нови начини за създаване на нови материали и нови производствени процеси чрез компютърна симулация, тъй като огромна изчислителна мощ потенциално може да бъде получена само с помощта на квантови компютри.“
Според Даквино някои приложения на графен са технологично по -напреднали, докато други са по -малко. Например, керамичните композити на матрична основа могат да бъдат подобрени чрез интегриране на графенови плочи, които подсилват материала и повишават неговата механична устойчивост, като същевременно намаляват теглото му. „Ако говорим например за композити - продължи Даквино - или най -общо казано за материали, подсилени с добавяне на графен, тогава ще получим реални материали и реални процеси на тяхното масово производство, ако не утре, но може би през следващите пет години.
„Ето защо графенът е толкова интересен за балистичните системи за защита. Не защото графенът може да се използва като броня. Но ако използвате графен в бронята си като подсилващ материал, той може да стане по -силен дори от кевлара."
Приоритетни области, например, автономни системи и сензори, както и военни зони с висок риск, като подводни, космически и кибернетични, зависят най-вече от новите съвременни материали и интерфейса на нано- и микротехнологиите с биотехнологиите, „стелт“материали, реактивни материали и системи за генериране и съхранение на енергия.
Метаматериалите и нанотехнологиите като графенови и въглеродни нанотръби днес претърпяват бързо развитие. В тези нови технологии военните търсят нови възможности, изследват техните приложения и потенциални бариери, тъй като са принудени да балансират между нуждите на съвременното бойно поле и дългосрочните изследователски цели.
