Metamateriale, grafen, bionica. Noile materiale și tehnologii încearcă să lupte
Ritmul accelerat al dezvoltării tehnologice schimbă natura războiului, cu tot mai mult efort și resurse direcționate către cercetare și dezvoltare, al căror scop este crearea de noi materiale avansate și aplicarea lor în sfera apărării.
Posibilitatea de a crea un material cu unghi de refracție negativ a fost prezisă încă din 1967 de către fizicianul sovietic Viktor Veselago, dar abia acum apar primele mostre de structuri reale cu astfel de proprietăți. Datorită unghiului negativ de refracție, razele de lumină se îndoaie în jurul obiectului, făcându-l invizibil. Astfel, observatorul observă doar ceea ce se întâmplă în spatele celui care a îmbrăcat mantia „minunată”.
Pentru a obține un avantaj pe câmpul de luptă, armatele moderne apelează la capabilități potențial perturbatoare, cum ar fi armura avansată pentru caroserie și vehicule și nanotehnologie. camuflaj inovator, dispozitive electrice noi, super baterii și protecție „inteligentă” sau reactivă pentru platforme și personal. Sistemele militare devin din ce în ce mai complexe, sunt dezvoltate și fabricate noi materiale avansate multifuncționale și cu dublă utilizare, miniaturizarea electronicelor ultra-puternice și flexibile se desfășoară cu pasi.
Exemplele includ materiale promițătoare de auto-vindecare, materiale compozite avansate, ceramică funcțională, materiale electrocromice, materiale „ciber-protectoare” care răspund la interferențe electromagnetice. Se așteaptă ca acestea să fie baza tehnologiilor inovatoare care vor schimba irevocabil câmpul de luptă și natura războiului viitor.
Materialele avansate de ultimă generație, cum ar fi metamaterialele, grafenul și nanotuburile de carbon atrag un mare interes și investiții solide, deoarece au proprietăți și funcționalități care nu se găsesc în natură și sunt potrivite pentru aplicații de apărare și sarcini efectuate în medii extreme sau ostile. Nanotehnologia utilizează materiale la scară nanometrică (10-9) pentru a putea modifica structuri la nivel atomic și molecular și a crea diverse țesuturi, dispozitive sau sisteme. Aceste materiale sunt o direcție foarte promițătoare și în viitor pot avea un impact serios asupra eficienței luptei.
Metamateriale
Înainte de a continua, să definim metamaterialele. Un metamaterial este un material compozit ale cărui proprietăți sunt determinate nu atât de proprietățile elementelor sale constitutive, cât de o structură periodică creată artificial. Sunt medii formate artificial și special structurate, cu proprietăți electromagnetice sau acustice care sunt dificil de realizat din punct de vedere tehnologic sau nu se găsesc în natură.
Kymeta Corporation, o subsidiară a Intellectual Ventures în curs de brevet, a intrat pe piața de apărare în 2016 cu antena metamaterială mTenna. Potrivit directorului companiei Nathan Kundz, antena portabilă sub formă de antenă transceiver cântărește aproximativ 18 kg și consumă 10 wați. Echipamentul de antenă metamaterială are aproximativ dimensiunea unei cărți sau a unui netbook, nu are părți mobile și este fabricat în același mod ca monitoarele LCD sau ecranele smartphone-urilor folosind tehnologia tranzistorului cu peliculă subțire.
Metamaterialele constau din microstructuri sublungimi de undă, adică structuri ale căror dimensiuni sunt mai mici decât lungimea de undă a radiației pe care se presupune că le controlează. Aceste structuri pot fi realizate din materiale nemagnetice, cum ar fi cuprul și gravate pe un substrat PCB din fibră de sticlă.
Metamaterialele pot fi create pentru a interacționa cu principalele componente ale undelor electromagnetice - permittivitatea și permeabilitatea magnetică. Potrivit lui Pablos Holman, un inventator la Intellectual Ventures, antenele metamateriale ar putea înlocui în cele din urmă turnurile celulare, liniile fixe și cablurile coaxiale și cu fibră optică.
Antenele tradiționale sunt reglate pentru a intercepta energia controlată de o anumită lungime de undă, care excită electronii din antenă, generând curenți electrici. La rândul lor, aceste semnale codificate pot fi interpretate ca informații.
Sistemele moderne de antene sunt greoaie, deoarece sunt necesare diferite tipuri de antene pentru diferite frecvențe. În cazul antenelor din metamateriale, stratul de suprafață vă permite să schimbați direcția de îndoire a undelor electromagnetice. Metamaterialele prezintă atât permisivitate negativă, cât și permeabilitate magnetică negativă și, prin urmare, au un indice de refracție negativ. Acest indice de refracție negativ, care nu se găsește în niciun material natural, determină schimbarea undelor electromagnetice la trecerea graniței a două medii diferite. Astfel, receptorul unei antene metamaterial poate fi reglat electronic pentru a recepționa frecvențe diferite, în legătură cu care dezvoltatorii au posibilitatea de a realiza bandă largă și de a reduce dimensiunea elementelor antenei.
Metamaterialele din interiorul unor astfel de antene sunt asamblate într-o serie plată de celule individuale dens împachetate (foarte asemănătoare cu plasarea pixelilor pe un ecran TV) cu o altă matrice plată de ghiduri de undă dreptunghiulare paralele, precum și un modul care controlează emisia undei. prin software și permite antenei să determine direcția radiației.
Holman a explicat că cel mai simplu mod de a înțelege meritele antenelor metamateriale este să aruncăm o privire mai atentă asupra deschiderilor fizice ale antenei și a fiabilității conexiunilor la internet de pe nave, avioane, drone și alte sisteme de mișcare.
„Fiecare satelit nou de comunicații pus pe orbită în zilele noastre”, a continuat Holman, „are mai multă capacitate decât avea constelația de sateliți cu doar câțiva ani în urmă. Avem un potențial fără fir uriaș pe aceste rețele de satelit, dar singura modalitate de a le ajunge este să luăm o antenă de satelit, care este mare, grea și costisitoare de instalat și întreținut. Cu o antenă bazată pe metamaterial, putem realiza un panou plat care poate direcționa fasciculul și țintește direct spre satelit.
„Cincizeci la sută din timp, antena orientabilă fizic nu este orientată către satelit și sunteți efectiv offline”, a spus Holman. „Prin urmare, o antenă metamaterială poate fi deosebit de utilă într-un context maritim, deoarece antena este controlată fizic pentru a indica satelitul, deoarece nava își schimbă cursul frecvent și se balansează constant pe valuri.”
În prezent, există o dezvoltare rapidă a tehnologiei platformelor fără pilot cu proprietăți bionice. De exemplu, Razor AUV (modelul la scară prezentat mai jos) și Velox AUV (sus) imită mișcările naturale ale animalelor sau plantelor, ceea ce este excelent pentru misiuni de recunoaștere și ascunse.
Bionica
Dezvoltarea de noi materiale se îndreaptă și spre crearea de sisteme multifuncționale flexibile cu forme complexe. Aici un rol important îl joacă știința aplicată cu privire la aplicarea principiilor de organizare, proprietăți, funcții și structuri ale naturii vii în dispozitivele și sistemele tehnice. Bionica (în literatura occidentală, biomimetica) ajută o persoană să creeze sisteme tehnice originale și procese tehnologice bazate pe idei găsite și împrumutate din natură.
Centrul de Cercetare pentru Războiul Submarin al Marinei SUA testează un vehicul subacvatic autonom (AUV) care caută mine care utilizează principii bionice. imitând mișcările vieții marine. Briciul are 3 metri lungime și poate fi purtat de două persoane. Electronica sa coordonează munca a patru aripi care bat și a două elice din pupa. Mișcările de baterie imită mișcările unor animale, cum ar fi păsările și țestoasele. Acest lucru permite AUV-ului să plutească, să efectueze manevre precise la viteze mici și să atingă viteze mari. Această agilitate permite, de asemenea, aparatului Razor să schimbe cu ușurință poziția și să plutească în jurul obiectelor pentru a le captura în XNUMXD.
Agenția de Cercetare și Dezvoltare Navală din SUA finanțează Pliant Energy Systems pentru a dezvolta un prototip al submersibilului autonom opțional Velox care folosește un sistem de aripioare multistabile, neliniare, asemănătoare hârtiei, în loc de elice care generează mișcări ondulatorii repetitive similare celor. a unei raie. Dispozitivul convertește mișcările aripioarelor polimerice electroactive, ondulate, flexibile, cu geometrie hiperbolică plană, în mișcare de translație, mișcându-se liber sub apă, în valuri de surf, în nisip, peste vegetație marină și terestră, pe roci alunecoase sau pe gheață.
Potrivit unui purtător de cuvânt al Pliant Energy Systems, mișcarea ondulată înainte previne încurcarea în vegetația densă, deoarece nu există părți care se rotesc, în timp ce plantele și sedimentele sunt cauzate daune minime. Ambarcațiunea cu zgomot redus, alimentată de o baterie litiu-ion, își poate îmbunătăți flotabilitatea pentru a-și menține poziția sub gheață, fiind în același timp controlată de la distanță. Sarcinile sale principale includ: comunicarea, inclusiv prin GPS, WiFi, radio sau canale prin satelit; colectarea de informații și informații; cauta si salveaza; și scanarea și identificarea minelor.
Dezvoltarea nanotehnologiilor și microstructurilor este, de asemenea, foarte importantă în tehnologiile bionice, care sunt inspirate din natură pentru a imita procesele fizice sau pentru a optimiza producția de noi materiale.
Armura transparentă este folosită nu numai pentru protecția balistică a oamenilor și vehiculelor. Este, de asemenea, ideal pentru protejarea electronicelor, a sticlei laser de înaltă energie, a sistemelor de imagistică întărite, a ecranelor faciale, a UAV-urilor și a altor platforme sensibile la masă.
Laboratorul de Cercetare Navală din SUA dezvoltă un scut de polimer transparent care are o microstructură stratificată similară cu învelișul de chitină a crustaceelor, dar este fabricat din materiale plastice. Acest lucru permite materialului să rămână conform pe o gamă largă de temperaturi și sarcini, permițându-i să fie utilizat pentru a proteja personalul, platformele fixe, vehiculele și aeronavele.
Potrivit lui Yas Sanghera, șeful materialelor și dispozitivelor optice la acest laborator, protecția disponibilă pe piață, de regulă, este realizată din trei tipuri de plastic și nu poate rezista pe deplin unui glonț de 9 mm tras de la 1-2 metri și zburând din viteză. 335 m/s.
Armura transparentă dezvoltată de acest laborator permite reducerea masei cu 40%, menținând în același timp integritatea balistică și absoarbe cu 68% mai multă energie glonțului. Sanghera a explicat că armura ar fi excelentă pentru mai multe aplicații militare, cum ar fi vehicule rezistente la mine, vehicule blindate amfibii, vehicule de aprovizionare și ferestre din cabina aeronavelor.
Potrivit lui Sanghera, laboratorul său intenționează să se bazeze pe dezvoltările existente pentru a crea armuri ușoare și transparente, cu caracteristici multi-lovituri și pentru a obține o reducere a greutății de peste 20%, care va oferi protecție împotriva gloanțelor de pușcă de 7,62x39 mm.
Defence Advanced Research Projects Agency (DARPA) dezvoltă și o armură transparentă „Spinel” (Spinel), care are proprietăți unice. Acest material are caracteristici excelente de impact multiplu, duritate ridicată și rezistență la eroziune, rezistență crescută la factorii externi; transmite o gamă mai largă de radiații infraroșii cu lungime de undă medie, ceea ce mărește capacitățile dispozitivelor de vedere pe timp de noapte (abilitatea de a vedea obiectele din spatele suprafețelor de sticlă) și, de asemenea, cântărește jumătate decât sticla tradițională antiglonț.
Această activitate face parte din programul Atoms to Product (A2P) al DARPA, care „dezvoltă tehnologiile și procesele necesare pentru a asambla particule nanometrice (aproape de dimensiunea atomilor) în sisteme, componente sau materiale cel puțin la scară milimetrică”.
Potrivit șefului programului A2P de la DARPA, John Maine, în ultimii opt ani, Biroul a realizat o reducere a grosimii armurii transparente de bază de la aproximativ 18 cm la 6 cm, păstrând în același timp caracteristicile de rezistență. Este format din multe straturi diferite, „nu toate ceramice și nu toate din plastic sau sticlă”, care sunt lipite de un material de suport pentru a preveni crăparea. „Trebuie să te gândești la el ca la un sistem defensiv, nu ca la o bucată de material monolitică”.
S-au realizat ochelari Spinel pentru instalarea pe prototipuri de camioane FMTV (Family of Medium Tactical Vehicles - o familie de vehicule militare de serviciu mediu) ale Armatei SUA pentru evaluarea de către Centrul blindat de cercetare.
Ca parte a programului A2P, DARPA a acordat lui Voxtel, în colaborare cu Institutul Oregon de Nanomateriale și Microelectronică, un contract de 5,9 milioane de dolari pentru cercetarea proceselor de producție care se scalează de la scară nano la scară macro. Acest proiect bionic implică dezvoltarea unui adeziv sintetic care reproduce capacitățile șopârlei gecko.
„Pe tălpile geckoului, există ceva ca niște fire de păr mici... lungi de aproximativ 100 de microni, care se ramifică sălbatic. La capătul fiecărei ramuri mici se află o nanoplacă minusculă de aproximativ 10 nanometri. Când intră în contact cu un perete sau un tavan, aceste plăci permit geckoului să se lipească de perete sau tavan.”
Maine a spus că producătorii nu au reușit niciodată să reproducă aceste capacități, deoarece nu au putut crea nanostructuri ramificate.
„Voxtel dezvoltă tehnologii de producție care ne permit să reproducem această structură biologică și să captăm aceste calități biologice. Utilizează nanotuburi de carbon într-un mod cu adevărat nou, vă permite să creați structuri 3D complexe și să le folosiți în moduri foarte originale, nu neapărat ca structuri, ci în alte moduri, mai inventive.”
Voxtel dorește să dezvolte tehnici avansate de fabricație aditivă care să producă „materiale care sunt ele însele asamblate în unități complete funcțional, apoi asamblate în sisteme complexe eterogene”. Aceste tehnici se vor baza pe imitarea codurilor genetice simple găsite în natură și a reacțiilor chimice generale care permit moleculelor să se autoasambleze de la nivel atomic în structuri mari capabile să se aprovizioneze cu energie.
„Vrem să dezvoltăm un adeziv reutilizabil avansat. Ne-am dori să avem un material cu proprietățile unui adeziv epoxidic, dar fără posibilitatea de unică folosință și contaminarea suprafeței, a spus Maine. „Frumusețea acestui material asemănător gecko este că nu lasă urme și funcționează instantaneu.”
Alte materiale avansate în dezvoltare rapidă includ materiale ultra-subțiri, cum ar fi grafenul și nanotuburile de carbon, care au proprietăți structurale, termice, electrice și optice care vor revoluționa spațiul modern de luptă.
Geamurile transparente de la „Spinel” au fost realizate pentru prototipuri de camioane FMTV ale armatei SUA.
Grafen
Deși nanotuburile de carbon au un potențial bun pentru aplicații în electronică, sisteme de camuflaj și aplicații biomedicale, grafenul este „mai interesant pentru că oferă, cel puțin pe hârtie, mai multe posibilități”, a declarat Giuseppe Daquino, purtător de cuvânt al Agenției Europene de Apărare (EOA). .
Grafenul este un nanomaterial ultra-subțire format dintr-un strat gros de un atom de atomi de carbon. Grafenul ușor și durabil are o conductivitate termică și electrică record. Industria de apărare analizează îndeaproape utilizarea grafenului în aplicații care necesită rezistență, flexibilitate și rezistență la temperaturi ridicate, cum ar fi misiunile de luptă în condiții extreme.
Dakquino a spus că grafenul „este, cel puțin în teorie, materialul viitorului. Motivul pentru care există atât de multe dezbateri interesante în acest moment este că, după atâția ani de cercetare în sectorul civil, a devenit clar că va schimba cu adevărat scenariile de luptă.”
„Pentru a enumera doar câteva dintre posibilități: electronică flexibilă, sisteme de alimentare, protecție balistică, camuflaj, filtre/membrane, materiale cu disipare ridicată a căldurii, aplicații biomedicale și senzori. Acestea sunt, de fapt, principalele direcții tehnologice.”
În decembrie 2017, EOA a început un studiu de un an privind posibilele aplicații viitoare ale grafenului în sfera militară și impactul acestuia asupra industriei europene de apărare. Această lucrare a fost condusă de Fundația Spaniolă pentru Cercetare Tehnică și Inovare, cu care cooperează Universitatea din Cartagena și compania britanică Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. În mai 2018, a avut loc un seminar de cercetători și experți pe grafen, unde a fost stabilită o foaie de parcurs pentru aplicarea acestuia în sectorul apărării.
Potrivit EOA, „Printre materialele care au potențialul de a revoluționa capacitățile de apărare în următorul deceniu, grafenul se află pe primul loc pe lista de priorități. Ușoare, flexibile, de 200 de ori mai puternice decât oțelul și conductivitatea sa electrică este incredibilă (mai bună decât siliciul), la fel și conductivitatea termică.”
EOA a remarcat, de asemenea, că grafenul are proprietăți remarcabile în domeniul „managementului semnăturilor”. Adică, poate fi folosit pentru a produce „acoperiri radio-absorbante care vor transforma vehiculele militare, avioanele, submarinele și navele de suprafață în obiecte aproape nedetectabile. Toate acestea fac din grafen un material extrem de atractiv nu numai pentru industria civilă, ci și pentru aplicații militare, terestre, aeriene și maritime.”
Procesul de sinterizare prin presa la cald (mai sus) este folosit de Laboratorul de Cercetare Naval din SUA pentru a crea ceramica transparenta „Spinel”. Pulberea este comprimată sub vid pentru a obține transparență. Materialul rezultat (mai jos) poate fi șlefuit și lustruit ca pietrele prețioase.
În acest scop, armata americană explorează utilizarea grafenului pentru vehicule și îmbrăcăminte de protecție. Potrivit inginerului Emil Sandoz-Rosado de la Laboratorul de Cercetare Militară a Armatei SUA (ARL), acest material are proprietăți mecanice excelente, un singur strat atomic de grafen este de 10 ori mai rigid și de peste 30 de ori mai puternic decât același strat de fibră balistică comercială. „Plafonul pentru grafen este foarte mare. Acesta este unul dintre motivele pentru care mai multe grupuri de lucru din ARL și-au exprimat interesul față de acesta, deoarece caracteristicile sale de design în ceea ce privește armura sunt foarte promițătoare.
Cu toate acestea, există și dificultăți destul de mari. Una este scalarea materialului; armata are nevoie de materiale de protectie care ar putea inchide rezervoare, mașini și soldați. „Avem nevoie de mult mai mult. În general, vorbim despre un milion sau mai multe straturi de care avem nevoie în prezent.
Sandoz-Rosado a spus că grafenul poate fi produs în una sau două moduri, fie printr-un proces de descuamare în care grafitul de înaltă calitate este separat în straturi atomice individuale, fie prin creșterea unui singur strat atomic de grafen pe folie de cupru. Acest proces este bine acceptat de laboratoarele implicate în producția de grafen de înaltă calitate. „Nu este perfect, dar este destul de aproape. Cu toate acestea, astăzi este timpul să vorbim despre mai mult de un strat atomic, avem nevoie de un produs cu drepturi depline.” În consecință, recent a fost lansat un program de dezvoltare a proceselor continue de producere a grafenului la scară industrială.
„Fie că este vorba despre nanotuburi de carbon sau grafen, trebuie să țineți cont de cerințele specifice care trebuie îndeplinite”, a avertizat Dakvino, menționând că descrierea oficială a caracteristicilor noilor materiale avansate, standardizarea proceselor precise pentru crearea de noi materiale, reproductibilitatea acestor procese, fabricabilitatea întregului lanț (de la cercetarea de bază până la producția de demonstrații și prototipuri) necesită un studiu atent și o justificare atunci când vine vorba de utilizarea materialelor inovatoare precum grafenul și nanotuburile de carbon în platformele militare.
„Nu este vorba doar de cercetare, pentru că la sfârșitul zilei, trebuie să fii sigur că un anumit material a primit o descriere oficială și după aceea trebuie să fii sigur că poate fi produs printr-un anumit proces. Nu este atât de ușor, deoarece procesul de fabricație se poate schimba, calitatea produsului produs poate varia în funcție de proces, așa că procesul trebuie repetat de mai multe ori.”
ARL a lucrat cu producătorii de grafen pentru a evalua calitatea produsului și modul în care acesta poate fi extins, a spus Sandoz-Rosado. Deși nu este încă clar dacă procesele continue, aflate la început, au un model de afaceri, capacități adecvate și dacă pot oferi calitatea necesară.
Dakquino a remarcat că progresele în simularea computerizată și în calculul cuantic ar putea accelera cercetarea și dezvoltarea, precum și dezvoltarea metodelor de producere a materialelor avansate în viitorul apropiat. „Cu proiectarea asistată de calculator și simularea materialelor, multe lucruri pot fi simulate: va fi posibilă simularea caracteristicilor materialelor și chiar proceselor de fabricație. Puteți chiar să creați o realitate virtuală în care puteți privi în esență diferitele etape ale creației materiale.”
Dakquino a mai spus că modelarea computerizată avansată și tehnicile de realitate virtuală oferă un avantaj prin crearea „un sistem integrat în care puteți simula un anumit material și puteți vedea dacă acel material poate fi aplicat în anumite condiții”. Calculul cuantic ar putea schimba radical starea de fapt aici.
„În viitor, văd și mai mult interes pentru noile moduri de producție, noi modalități de a crea noi materiale și noi procese de fabricație prin simulări pe computer, deoarece o putere uriașă de calcul poate fi obținută numai cu ajutorul computerelor cuantice.”
Potrivit lui Dakquino, unele aplicații ale grafenului sunt mai mature din punct de vedere tehnologic, în timp ce altele sunt mai puțin. De exemplu, compozitele ceramice pe bază de matrice pot fi îmbunătățite prin integrarea lamelelor de grafen, care întăresc materialul și îi măresc rezistența mecanică reducând în același timp masa. „Dacă vorbim, de exemplu, despre compozite”, a continuat Dakquino, „sau în termenii cei mai generali despre materiale întărite prin adăugarea de grafen, atunci vom obține materiale reale și procese reale pentru producția lor în masă, dacă nu mâine, dar poate în următorii cinci ani”.
„De aceea, grafenul este atât de interesant pentru sistemele de protecție balistică. Nu pentru că grafenul poate fi folosit ca armură. Dar dacă folosești grafenul ca material de întărire în armură, atunci acesta poate deveni mai puternic chiar și decât Kevlar.
Zonele prioritare, cum ar fi sistemele autonome și senzorii, precum și zonele militare cu risc ridicat, cum ar fi subacvatice, spațiale și cibernetice, depind cel mai mult de noile materiale avansate și de interfața dintre nano și microtehnologii cu biotehnologii, materiale ascunse, materiale reactive. și sisteme de generare și stocare a energiei.
Metamaterialele și nanotehnologiile, cum ar fi grafenul și nanotuburile de carbon, sunt în prezent în curs de dezvoltare rapidă. În aceste noi tehnologii, armata caută noi oportunități, explorând aplicațiile și potențialele bariere ale acestora, deoarece sunt forțate să echilibreze nevoile câmpului de luptă modern și obiectivele de cercetare pe termen lung.
Viitorul vine la noi. Dispozitiv Velox de la Pliant Energy Systems
Conform site-urilor:
www.nationaldefensemagazine.org
www.metamaterial.com
metamaterialscenter.com
science.howstuffworks.com
www.kymetacorp.com
www.pliantenergy.com
www.darpa.mil
voxtel-inc.com
www.eda.europa.eu
www.facebook.com
www.habr.com
www.wikipedia.org
ru.wikipedia.org
pinterest.com
eandt.theiet.org
Posibilitatea de a crea un material cu unghi de refracție negativ a fost prezisă încă din 1967 de către fizicianul sovietic Viktor Veselago, dar abia acum apar primele mostre de structuri reale cu astfel de proprietăți. Datorită unghiului negativ de refracție, razele de lumină se îndoaie în jurul obiectului, făcându-l invizibil. Astfel, observatorul observă doar ceea ce se întâmplă în spatele celui care a îmbrăcat mantia „minunată”.
Pentru a obține un avantaj pe câmpul de luptă, armatele moderne apelează la capabilități potențial perturbatoare, cum ar fi armura avansată pentru caroserie și vehicule și nanotehnologie. camuflaj inovator, dispozitive electrice noi, super baterii și protecție „inteligentă” sau reactivă pentru platforme și personal. Sistemele militare devin din ce în ce mai complexe, sunt dezvoltate și fabricate noi materiale avansate multifuncționale și cu dublă utilizare, miniaturizarea electronicelor ultra-puternice și flexibile se desfășoară cu pasi.
Exemplele includ materiale promițătoare de auto-vindecare, materiale compozite avansate, ceramică funcțională, materiale electrocromice, materiale „ciber-protectoare” care răspund la interferențe electromagnetice. Se așteaptă ca acestea să fie baza tehnologiilor inovatoare care vor schimba irevocabil câmpul de luptă și natura războiului viitor.
Materialele avansate de ultimă generație, cum ar fi metamaterialele, grafenul și nanotuburile de carbon atrag un mare interes și investiții solide, deoarece au proprietăți și funcționalități care nu se găsesc în natură și sunt potrivite pentru aplicații de apărare și sarcini efectuate în medii extreme sau ostile. Nanotehnologia utilizează materiale la scară nanometrică (10-9) pentru a putea modifica structuri la nivel atomic și molecular și a crea diverse țesuturi, dispozitive sau sisteme. Aceste materiale sunt o direcție foarte promițătoare și în viitor pot avea un impact serios asupra eficienței luptei.
Metamateriale
Înainte de a continua, să definim metamaterialele. Un metamaterial este un material compozit ale cărui proprietăți sunt determinate nu atât de proprietățile elementelor sale constitutive, cât de o structură periodică creată artificial. Sunt medii formate artificial și special structurate, cu proprietăți electromagnetice sau acustice care sunt dificil de realizat din punct de vedere tehnologic sau nu se găsesc în natură.
Kymeta Corporation, o subsidiară a Intellectual Ventures în curs de brevet, a intrat pe piața de apărare în 2016 cu antena metamaterială mTenna. Potrivit directorului companiei Nathan Kundz, antena portabilă sub formă de antenă transceiver cântărește aproximativ 18 kg și consumă 10 wați. Echipamentul de antenă metamaterială are aproximativ dimensiunea unei cărți sau a unui netbook, nu are părți mobile și este fabricat în același mod ca monitoarele LCD sau ecranele smartphone-urilor folosind tehnologia tranzistorului cu peliculă subțire.
Metamaterialele constau din microstructuri sublungimi de undă, adică structuri ale căror dimensiuni sunt mai mici decât lungimea de undă a radiației pe care se presupune că le controlează. Aceste structuri pot fi realizate din materiale nemagnetice, cum ar fi cuprul și gravate pe un substrat PCB din fibră de sticlă.
Metamaterialele pot fi create pentru a interacționa cu principalele componente ale undelor electromagnetice - permittivitatea și permeabilitatea magnetică. Potrivit lui Pablos Holman, un inventator la Intellectual Ventures, antenele metamateriale ar putea înlocui în cele din urmă turnurile celulare, liniile fixe și cablurile coaxiale și cu fibră optică.
Antenele tradiționale sunt reglate pentru a intercepta energia controlată de o anumită lungime de undă, care excită electronii din antenă, generând curenți electrici. La rândul lor, aceste semnale codificate pot fi interpretate ca informații.
Sistemele moderne de antene sunt greoaie, deoarece sunt necesare diferite tipuri de antene pentru diferite frecvențe. În cazul antenelor din metamateriale, stratul de suprafață vă permite să schimbați direcția de îndoire a undelor electromagnetice. Metamaterialele prezintă atât permisivitate negativă, cât și permeabilitate magnetică negativă și, prin urmare, au un indice de refracție negativ. Acest indice de refracție negativ, care nu se găsește în niciun material natural, determină schimbarea undelor electromagnetice la trecerea graniței a două medii diferite. Astfel, receptorul unei antene metamaterial poate fi reglat electronic pentru a recepționa frecvențe diferite, în legătură cu care dezvoltatorii au posibilitatea de a realiza bandă largă și de a reduce dimensiunea elementelor antenei.
Metamaterialele din interiorul unor astfel de antene sunt asamblate într-o serie plată de celule individuale dens împachetate (foarte asemănătoare cu plasarea pixelilor pe un ecran TV) cu o altă matrice plată de ghiduri de undă dreptunghiulare paralele, precum și un modul care controlează emisia undei. prin software și permite antenei să determine direcția radiației.
Holman a explicat că cel mai simplu mod de a înțelege meritele antenelor metamateriale este să aruncăm o privire mai atentă asupra deschiderilor fizice ale antenei și a fiabilității conexiunilor la internet de pe nave, avioane, drone și alte sisteme de mișcare.
„Fiecare satelit nou de comunicații pus pe orbită în zilele noastre”, a continuat Holman, „are mai multă capacitate decât avea constelația de sateliți cu doar câțiva ani în urmă. Avem un potențial fără fir uriaș pe aceste rețele de satelit, dar singura modalitate de a le ajunge este să luăm o antenă de satelit, care este mare, grea și costisitoare de instalat și întreținut. Cu o antenă bazată pe metamaterial, putem realiza un panou plat care poate direcționa fasciculul și țintește direct spre satelit.
„Cincizeci la sută din timp, antena orientabilă fizic nu este orientată către satelit și sunteți efectiv offline”, a spus Holman. „Prin urmare, o antenă metamaterială poate fi deosebit de utilă într-un context maritim, deoarece antena este controlată fizic pentru a indica satelitul, deoarece nava își schimbă cursul frecvent și se balansează constant pe valuri.”
În prezent, există o dezvoltare rapidă a tehnologiei platformelor fără pilot cu proprietăți bionice. De exemplu, Razor AUV (modelul la scară prezentat mai jos) și Velox AUV (sus) imită mișcările naturale ale animalelor sau plantelor, ceea ce este excelent pentru misiuni de recunoaștere și ascunse.
Bionica
Dezvoltarea de noi materiale se îndreaptă și spre crearea de sisteme multifuncționale flexibile cu forme complexe. Aici un rol important îl joacă știința aplicată cu privire la aplicarea principiilor de organizare, proprietăți, funcții și structuri ale naturii vii în dispozitivele și sistemele tehnice. Bionica (în literatura occidentală, biomimetica) ajută o persoană să creeze sisteme tehnice originale și procese tehnologice bazate pe idei găsite și împrumutate din natură.
Centrul de Cercetare pentru Războiul Submarin al Marinei SUA testează un vehicul subacvatic autonom (AUV) care caută mine care utilizează principii bionice. imitând mișcările vieții marine. Briciul are 3 metri lungime și poate fi purtat de două persoane. Electronica sa coordonează munca a patru aripi care bat și a două elice din pupa. Mișcările de baterie imită mișcările unor animale, cum ar fi păsările și țestoasele. Acest lucru permite AUV-ului să plutească, să efectueze manevre precise la viteze mici și să atingă viteze mari. Această agilitate permite, de asemenea, aparatului Razor să schimbe cu ușurință poziția și să plutească în jurul obiectelor pentru a le captura în XNUMXD.
Agenția de Cercetare și Dezvoltare Navală din SUA finanțează Pliant Energy Systems pentru a dezvolta un prototip al submersibilului autonom opțional Velox care folosește un sistem de aripioare multistabile, neliniare, asemănătoare hârtiei, în loc de elice care generează mișcări ondulatorii repetitive similare celor. a unei raie. Dispozitivul convertește mișcările aripioarelor polimerice electroactive, ondulate, flexibile, cu geometrie hiperbolică plană, în mișcare de translație, mișcându-se liber sub apă, în valuri de surf, în nisip, peste vegetație marină și terestră, pe roci alunecoase sau pe gheață.
Potrivit unui purtător de cuvânt al Pliant Energy Systems, mișcarea ondulată înainte previne încurcarea în vegetația densă, deoarece nu există părți care se rotesc, în timp ce plantele și sedimentele sunt cauzate daune minime. Ambarcațiunea cu zgomot redus, alimentată de o baterie litiu-ion, își poate îmbunătăți flotabilitatea pentru a-și menține poziția sub gheață, fiind în același timp controlată de la distanță. Sarcinile sale principale includ: comunicarea, inclusiv prin GPS, WiFi, radio sau canale prin satelit; colectarea de informații și informații; cauta si salveaza; și scanarea și identificarea minelor.
Dezvoltarea nanotehnologiilor și microstructurilor este, de asemenea, foarte importantă în tehnologiile bionice, care sunt inspirate din natură pentru a imita procesele fizice sau pentru a optimiza producția de noi materiale.
Armura transparentă este folosită nu numai pentru protecția balistică a oamenilor și vehiculelor. Este, de asemenea, ideal pentru protejarea electronicelor, a sticlei laser de înaltă energie, a sistemelor de imagistică întărite, a ecranelor faciale, a UAV-urilor și a altor platforme sensibile la masă.
Laboratorul de Cercetare Navală din SUA dezvoltă un scut de polimer transparent care are o microstructură stratificată similară cu învelișul de chitină a crustaceelor, dar este fabricat din materiale plastice. Acest lucru permite materialului să rămână conform pe o gamă largă de temperaturi și sarcini, permițându-i să fie utilizat pentru a proteja personalul, platformele fixe, vehiculele și aeronavele.
Potrivit lui Yas Sanghera, șeful materialelor și dispozitivelor optice la acest laborator, protecția disponibilă pe piață, de regulă, este realizată din trei tipuri de plastic și nu poate rezista pe deplin unui glonț de 9 mm tras de la 1-2 metri și zburând din viteză. 335 m/s.
Armura transparentă dezvoltată de acest laborator permite reducerea masei cu 40%, menținând în același timp integritatea balistică și absoarbe cu 68% mai multă energie glonțului. Sanghera a explicat că armura ar fi excelentă pentru mai multe aplicații militare, cum ar fi vehicule rezistente la mine, vehicule blindate amfibii, vehicule de aprovizionare și ferestre din cabina aeronavelor.
Potrivit lui Sanghera, laboratorul său intenționează să se bazeze pe dezvoltările existente pentru a crea armuri ușoare și transparente, cu caracteristici multi-lovituri și pentru a obține o reducere a greutății de peste 20%, care va oferi protecție împotriva gloanțelor de pușcă de 7,62x39 mm.
Defence Advanced Research Projects Agency (DARPA) dezvoltă și o armură transparentă „Spinel” (Spinel), care are proprietăți unice. Acest material are caracteristici excelente de impact multiplu, duritate ridicată și rezistență la eroziune, rezistență crescută la factorii externi; transmite o gamă mai largă de radiații infraroșii cu lungime de undă medie, ceea ce mărește capacitățile dispozitivelor de vedere pe timp de noapte (abilitatea de a vedea obiectele din spatele suprafețelor de sticlă) și, de asemenea, cântărește jumătate decât sticla tradițională antiglonț.
Această activitate face parte din programul Atoms to Product (A2P) al DARPA, care „dezvoltă tehnologiile și procesele necesare pentru a asambla particule nanometrice (aproape de dimensiunea atomilor) în sisteme, componente sau materiale cel puțin la scară milimetrică”.
Potrivit șefului programului A2P de la DARPA, John Maine, în ultimii opt ani, Biroul a realizat o reducere a grosimii armurii transparente de bază de la aproximativ 18 cm la 6 cm, păstrând în același timp caracteristicile de rezistență. Este format din multe straturi diferite, „nu toate ceramice și nu toate din plastic sau sticlă”, care sunt lipite de un material de suport pentru a preveni crăparea. „Trebuie să te gândești la el ca la un sistem defensiv, nu ca la o bucată de material monolitică”.
S-au realizat ochelari Spinel pentru instalarea pe prototipuri de camioane FMTV (Family of Medium Tactical Vehicles - o familie de vehicule militare de serviciu mediu) ale Armatei SUA pentru evaluarea de către Centrul blindat de cercetare.
Ca parte a programului A2P, DARPA a acordat lui Voxtel, în colaborare cu Institutul Oregon de Nanomateriale și Microelectronică, un contract de 5,9 milioane de dolari pentru cercetarea proceselor de producție care se scalează de la scară nano la scară macro. Acest proiect bionic implică dezvoltarea unui adeziv sintetic care reproduce capacitățile șopârlei gecko.
„Pe tălpile geckoului, există ceva ca niște fire de păr mici... lungi de aproximativ 100 de microni, care se ramifică sălbatic. La capătul fiecărei ramuri mici se află o nanoplacă minusculă de aproximativ 10 nanometri. Când intră în contact cu un perete sau un tavan, aceste plăci permit geckoului să se lipească de perete sau tavan.”
Maine a spus că producătorii nu au reușit niciodată să reproducă aceste capacități, deoarece nu au putut crea nanostructuri ramificate.
„Voxtel dezvoltă tehnologii de producție care ne permit să reproducem această structură biologică și să captăm aceste calități biologice. Utilizează nanotuburi de carbon într-un mod cu adevărat nou, vă permite să creați structuri 3D complexe și să le folosiți în moduri foarte originale, nu neapărat ca structuri, ci în alte moduri, mai inventive.”
Voxtel dorește să dezvolte tehnici avansate de fabricație aditivă care să producă „materiale care sunt ele însele asamblate în unități complete funcțional, apoi asamblate în sisteme complexe eterogene”. Aceste tehnici se vor baza pe imitarea codurilor genetice simple găsite în natură și a reacțiilor chimice generale care permit moleculelor să se autoasambleze de la nivel atomic în structuri mari capabile să se aprovizioneze cu energie.
„Vrem să dezvoltăm un adeziv reutilizabil avansat. Ne-am dori să avem un material cu proprietățile unui adeziv epoxidic, dar fără posibilitatea de unică folosință și contaminarea suprafeței, a spus Maine. „Frumusețea acestui material asemănător gecko este că nu lasă urme și funcționează instantaneu.”
Alte materiale avansate în dezvoltare rapidă includ materiale ultra-subțiri, cum ar fi grafenul și nanotuburile de carbon, care au proprietăți structurale, termice, electrice și optice care vor revoluționa spațiul modern de luptă.
Geamurile transparente de la „Spinel” au fost realizate pentru prototipuri de camioane FMTV ale armatei SUA.
Grafen
Deși nanotuburile de carbon au un potențial bun pentru aplicații în electronică, sisteme de camuflaj și aplicații biomedicale, grafenul este „mai interesant pentru că oferă, cel puțin pe hârtie, mai multe posibilități”, a declarat Giuseppe Daquino, purtător de cuvânt al Agenției Europene de Apărare (EOA). .
Grafenul este un nanomaterial ultra-subțire format dintr-un strat gros de un atom de atomi de carbon. Grafenul ușor și durabil are o conductivitate termică și electrică record. Industria de apărare analizează îndeaproape utilizarea grafenului în aplicații care necesită rezistență, flexibilitate și rezistență la temperaturi ridicate, cum ar fi misiunile de luptă în condiții extreme.
Dakquino a spus că grafenul „este, cel puțin în teorie, materialul viitorului. Motivul pentru care există atât de multe dezbateri interesante în acest moment este că, după atâția ani de cercetare în sectorul civil, a devenit clar că va schimba cu adevărat scenariile de luptă.”
„Pentru a enumera doar câteva dintre posibilități: electronică flexibilă, sisteme de alimentare, protecție balistică, camuflaj, filtre/membrane, materiale cu disipare ridicată a căldurii, aplicații biomedicale și senzori. Acestea sunt, de fapt, principalele direcții tehnologice.”
În decembrie 2017, EOA a început un studiu de un an privind posibilele aplicații viitoare ale grafenului în sfera militară și impactul acestuia asupra industriei europene de apărare. Această lucrare a fost condusă de Fundația Spaniolă pentru Cercetare Tehnică și Inovare, cu care cooperează Universitatea din Cartagena și compania britanică Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. În mai 2018, a avut loc un seminar de cercetători și experți pe grafen, unde a fost stabilită o foaie de parcurs pentru aplicarea acestuia în sectorul apărării.
Potrivit EOA, „Printre materialele care au potențialul de a revoluționa capacitățile de apărare în următorul deceniu, grafenul se află pe primul loc pe lista de priorități. Ușoare, flexibile, de 200 de ori mai puternice decât oțelul și conductivitatea sa electrică este incredibilă (mai bună decât siliciul), la fel și conductivitatea termică.”
EOA a remarcat, de asemenea, că grafenul are proprietăți remarcabile în domeniul „managementului semnăturilor”. Adică, poate fi folosit pentru a produce „acoperiri radio-absorbante care vor transforma vehiculele militare, avioanele, submarinele și navele de suprafață în obiecte aproape nedetectabile. Toate acestea fac din grafen un material extrem de atractiv nu numai pentru industria civilă, ci și pentru aplicații militare, terestre, aeriene și maritime.”
Procesul de sinterizare prin presa la cald (mai sus) este folosit de Laboratorul de Cercetare Naval din SUA pentru a crea ceramica transparenta „Spinel”. Pulberea este comprimată sub vid pentru a obține transparență. Materialul rezultat (mai jos) poate fi șlefuit și lustruit ca pietrele prețioase.
În acest scop, armata americană explorează utilizarea grafenului pentru vehicule și îmbrăcăminte de protecție. Potrivit inginerului Emil Sandoz-Rosado de la Laboratorul de Cercetare Militară a Armatei SUA (ARL), acest material are proprietăți mecanice excelente, un singur strat atomic de grafen este de 10 ori mai rigid și de peste 30 de ori mai puternic decât același strat de fibră balistică comercială. „Plafonul pentru grafen este foarte mare. Acesta este unul dintre motivele pentru care mai multe grupuri de lucru din ARL și-au exprimat interesul față de acesta, deoarece caracteristicile sale de design în ceea ce privește armura sunt foarte promițătoare.
Cu toate acestea, există și dificultăți destul de mari. Una este scalarea materialului; armata are nevoie de materiale de protectie care ar putea inchide rezervoare, mașini și soldați. „Avem nevoie de mult mai mult. În general, vorbim despre un milion sau mai multe straturi de care avem nevoie în prezent.
Sandoz-Rosado a spus că grafenul poate fi produs în una sau două moduri, fie printr-un proces de descuamare în care grafitul de înaltă calitate este separat în straturi atomice individuale, fie prin creșterea unui singur strat atomic de grafen pe folie de cupru. Acest proces este bine acceptat de laboratoarele implicate în producția de grafen de înaltă calitate. „Nu este perfect, dar este destul de aproape. Cu toate acestea, astăzi este timpul să vorbim despre mai mult de un strat atomic, avem nevoie de un produs cu drepturi depline.” În consecință, recent a fost lansat un program de dezvoltare a proceselor continue de producere a grafenului la scară industrială.
„Fie că este vorba despre nanotuburi de carbon sau grafen, trebuie să țineți cont de cerințele specifice care trebuie îndeplinite”, a avertizat Dakvino, menționând că descrierea oficială a caracteristicilor noilor materiale avansate, standardizarea proceselor precise pentru crearea de noi materiale, reproductibilitatea acestor procese, fabricabilitatea întregului lanț (de la cercetarea de bază până la producția de demonstrații și prototipuri) necesită un studiu atent și o justificare atunci când vine vorba de utilizarea materialelor inovatoare precum grafenul și nanotuburile de carbon în platformele militare.
„Nu este vorba doar de cercetare, pentru că la sfârșitul zilei, trebuie să fii sigur că un anumit material a primit o descriere oficială și după aceea trebuie să fii sigur că poate fi produs printr-un anumit proces. Nu este atât de ușor, deoarece procesul de fabricație se poate schimba, calitatea produsului produs poate varia în funcție de proces, așa că procesul trebuie repetat de mai multe ori.”
ARL a lucrat cu producătorii de grafen pentru a evalua calitatea produsului și modul în care acesta poate fi extins, a spus Sandoz-Rosado. Deși nu este încă clar dacă procesele continue, aflate la început, au un model de afaceri, capacități adecvate și dacă pot oferi calitatea necesară.
Dakquino a remarcat că progresele în simularea computerizată și în calculul cuantic ar putea accelera cercetarea și dezvoltarea, precum și dezvoltarea metodelor de producere a materialelor avansate în viitorul apropiat. „Cu proiectarea asistată de calculator și simularea materialelor, multe lucruri pot fi simulate: va fi posibilă simularea caracteristicilor materialelor și chiar proceselor de fabricație. Puteți chiar să creați o realitate virtuală în care puteți privi în esență diferitele etape ale creației materiale.”
Dakquino a mai spus că modelarea computerizată avansată și tehnicile de realitate virtuală oferă un avantaj prin crearea „un sistem integrat în care puteți simula un anumit material și puteți vedea dacă acel material poate fi aplicat în anumite condiții”. Calculul cuantic ar putea schimba radical starea de fapt aici.
„În viitor, văd și mai mult interes pentru noile moduri de producție, noi modalități de a crea noi materiale și noi procese de fabricație prin simulări pe computer, deoarece o putere uriașă de calcul poate fi obținută numai cu ajutorul computerelor cuantice.”
Potrivit lui Dakquino, unele aplicații ale grafenului sunt mai mature din punct de vedere tehnologic, în timp ce altele sunt mai puțin. De exemplu, compozitele ceramice pe bază de matrice pot fi îmbunătățite prin integrarea lamelelor de grafen, care întăresc materialul și îi măresc rezistența mecanică reducând în același timp masa. „Dacă vorbim, de exemplu, despre compozite”, a continuat Dakquino, „sau în termenii cei mai generali despre materiale întărite prin adăugarea de grafen, atunci vom obține materiale reale și procese reale pentru producția lor în masă, dacă nu mâine, dar poate în următorii cinci ani”.
„De aceea, grafenul este atât de interesant pentru sistemele de protecție balistică. Nu pentru că grafenul poate fi folosit ca armură. Dar dacă folosești grafenul ca material de întărire în armură, atunci acesta poate deveni mai puternic chiar și decât Kevlar.
Zonele prioritare, cum ar fi sistemele autonome și senzorii, precum și zonele militare cu risc ridicat, cum ar fi subacvatice, spațiale și cibernetice, depind cel mai mult de noile materiale avansate și de interfața dintre nano și microtehnologii cu biotehnologii, materiale ascunse, materiale reactive. și sisteme de generare și stocare a energiei.
Metamaterialele și nanotehnologiile, cum ar fi grafenul și nanotuburile de carbon, sunt în prezent în curs de dezvoltare rapidă. În aceste noi tehnologii, armata caută noi oportunități, explorând aplicațiile și potențialele bariere ale acestora, deoarece sunt forțate să echilibreze nevoile câmpului de luptă modern și obiectivele de cercetare pe termen lung.
Viitorul vine la noi. Dispozitiv Velox de la Pliant Energy Systems
Conform site-urilor:
www.nationaldefensemagazine.org
www.metamaterial.com
metamaterialscenter.com
science.howstuffworks.com
www.kymetacorp.com
www.pliantenergy.com
www.darpa.mil
voxtel-inc.com
www.eda.europa.eu
www.facebook.com
www.habr.com
www.wikipedia.org
ru.wikipedia.org
pinterest.com
eandt.theiet.org
informații