Muligheden for at skabe et materiale med en negativ brydningsvinkel blev forudsagt tilbage i 1967 af den sovjetiske fysiker Viktor Veselago, men først nu vises de første prøver af virkelige strukturer med sådanne egenskaber. På grund af den negative brydningsvinkel bøjer lysstrålerne rundt om objektet, hvilket gør det usynligt. Således bemærker observatøren kun, hvad der sker bag ryggen på den person, der bærer den "vidunderlige" kappe.
For at få en fordel på slagmarken vender moderne militære styrker sig mod potentielt forstyrrende kapaciteter som avanceret karosseripanser og køretøjspanser og nanoteknologi. innovativ camouflage, nye elektriske apparater, superakkumulatorer og "intelligent" eller reaktiv beskyttelse af platforme og personale. Militære systemer bliver mere komplekse, nye avancerede multifunktionelle materialer og dual-use materialer udvikles og fremstilles, og miniaturiseringen af kraftig og fleksibel elektronik finder sted med spring og grænser.
Eksempler inkluderer lovende selvhelbredende materialer, avancerede kompositmaterialer, funktionel keramik, elektrokromiske materialer, "cyberbeskyttende" materialer, der reagerer på elektromagnetisk interferens. De forventes at blive rygraden i forstyrrende teknologier, der uigenkaldeligt vil ændre slagmarken og arten af fremtidige fjendtligheder.
Næste generations avancerede materialer, såsom metamaterialer, grafen og kulnanorør, skaber stor interesse og investeringer, fordi de har egenskaber og funktionaliteter, der ikke findes i naturen og er velegnede til forsvarsapplikationer og opgaver, der udføres i ekstreme eller fjendtlige rum. Nanoteknologi bruger materialer i nanometer-skala (10-9) for at kunne ændre strukturer på atom- og molekylniveau og skabe forskellige væv, enheder eller systemer. Disse materialer er et meget lovende område og kan i fremtiden have en alvorlig indvirkning på kampens effektivitet.
Metamaterialer
Inden vi fortsætter, lad os definere metamaterialer. Metamateriale er et sammensat materiale, hvis egenskaber ikke så meget bestemmes af egenskaberne af dets bestanddele som af en kunstigt skabt periodisk struktur. De er kunstigt dannede og specielt strukturerede medier med elektromagnetiske eller akustiske egenskaber, der er teknologisk vanskelige at opnå eller ikke findes i naturen.
Kymeta Corporation, et datterselskab af Intellectual Ventures, kom ind på forsvarsmarkedet i 2016 med mTenna metamaterialeantennen. Ifølge direktøren for virksomheden Nathan Kundz vejer en bærbar antenne i form af en transceiverantenne omkring 18 kg og forbruger 10 watt. Udstyr til metamaterialeantenner er på størrelse med en bog eller netbook, har ingen bevægelige dele og fremstilles på samme måde som LCD -skærme eller smartphone -skærme ved hjælp af TFT -teknologi.
Metamaterialer er sammensat af subbølgelængde mikrostrukturer, det vil sige strukturer, hvis dimensioner er mindre end bølgelængden af den stråling, de skal kontrollere. Disse strukturer kan fremstilles af ikke-magnetiske materialer såsom kobber og ætses på et glasfiber-PCB-substrat.
Metamaterialer kan skabes til at interagere med hovedkomponenterne i elektromagnetiske bølger - dielektrisk konstant og magnetisk permeabilitet. Ifølge Pablos Holman, en opfinder hos Intellectual Ventures, kan antenner, der er skabt ved hjælp af metamaterialeteknologi, i sidste ende erstatte celletårne, fastnet telefonlinjer og koaksial- og fiberoptiske kabler.
Traditionelle antenner er indstillet til at opfange kontrolleret energi med en bestemt bølgelængde, hvilket ophidser elektroner i antennen til at generere elektriske strømme. Til gengæld kan disse kodede signaler tolkes som information.
Moderne antennesystemer er besværlige, fordi forskellige frekvenser kræver en anden type antenne. I tilfælde af antenner lavet af metamaterialer giver overfladelaget dig mulighed for at ændre bøjningsretningen for elektromagnetiske bølger. Metamaterialer viser både negative dielektriske og negative magnetiske permeabiliteter og har derfor et negativt brydningsindeks. Dette negative brydningsindeks, der ikke findes i noget naturligt materiale, bestemmer ændringen i elektromagnetiske bølger, når man krydser grænsen for to forskellige medier. Således kan modtageren af en metamaterialeantenne indstilles elektronisk til at modtage forskellige frekvenser, hvilket gør det muligt for udviklere at opnå bredbånd og reducere størrelsen på antenneelementer.
Metamaterialerne inde i sådanne antenner samles til en flad matrix af tæt pakkede individuelle celler (meget lig placeringen af pixels på en tv -skærm) med en anden flad matrix af parallelle rektangulære bølgeledere samt et modul, der styrer bølgeemissionen via software og tillader antennen at bestemme strålingsretningen.
Holman forklarede, at den nemmeste måde at forstå fordelene ved metamaterialeantenner er at se nærmere på antennens fysiske åbninger og pålideligheden af internetforbindelser på skibe, fly, droner og andre bevægelige systemer.
“Hver ny kommunikationssatellit, der blev lanceret i kredsløb i disse dage,” fortsatte Holman, “har mere kapacitet end stjernebilledet af satellitter havde for få år siden. Vi har et stort potentiale for trådløs kommunikation i disse satellitnetværk, men den eneste måde at kommunikere med dem på er at tage en parabol, som er stor, tung og dyr at installere og vedligeholde. Med en antenne baseret på metamaterialer kan vi lave et fladt panel, der kan styre strålen og sigte direkte mod satellitten.
"Halvtreds procent af tiden er den fysisk styrbare antenne ikke satellitorienteret, og du er effektivt offline," sagde Holman. "Derfor kan en metamaterialeantenne være særlig nyttig i en maritim kontekst, fordi skålen er fysisk styret for at dirigere den til satellitten, da skibet ofte skifter kurs og konstant svajer på bølgerne."
Bionik
Udviklingen af nye materialer bevæger sig også mod skabelsen af fleksible multifunktionelle systemer med komplekse former. Her spilles en vigtig rolle af anvendt videnskab om anvendelsen af principper for organisation, egenskaber, funktioner og strukturer i den levende natur i tekniske apparater og systemer. Bionik (i den vestlige litteratur biomimetik) hjælper en person med at skabe originale tekniske systemer og teknologiske processer baseret på ideer fundet og lånt fra naturen.
US Navy's Submarine Warfare Research Center tester et autonomt minesøgeapparat (APU), der anvender bioniske principper. efterligne havlivets bevægelser. Barbermaskinen er 3 meter lang og kan bæres af to personer. Dets elektronik koordinerer arbejdet med fire flappende vinger og to agterpropeller. De flappende bevægelser efterligner nogle dyrs bevægelser, såsom fugle og skildpadder. Dette gør det muligt for APU at svæve, udføre præcis manøvrering ved lave hastigheder og nå høje hastigheder. Denne manøvredygtighed gør det også muligt for barbermaskinen at flytte sig selv og flyde rundt om objekter til 3D -billeddannelse.
US Navy Research Agency finansierer Pliant Energy Systems udvikling af en prototype til den valgfrie autonome Velox nedsænkbare, der erstatter propeller med et system med multistabile, ikke-lineære, papirlignende finner, der genererer gentagne rampelignende bølgende bevægelser. Enheden konverterer bevægelser af elektroaktive, bølgede, fleksible polymerfinner med en plan hyperbolsk geometri til translationel bevægelse, frit bevægende under vand, i surfens bølger, i sandet, over havet og terrestrisk vegetation, på glatte klipper eller is.
Ifølge en talsmand for Pliant Energy Systems forhindrer den bølgende fremadgående bevægelse sammenfiltring i tæt vegetation, da der ikke er roterende dele, samtidig med at skader på planter og sediment minimeres. Det støjsvage fartøj, der drives af et lithium-ion-batteri, kan forbedre dets opdrift for at bevare sin position under isen, mens det kan fjernstyres. Dens hovedopgaver er: kommunikation, herunder GPS, WiFi, radio eller satellitkanaler; indsamling af efterretninger og oplysninger; Søg og Red; og scanning og identifikation af min.
Udviklingen af nanoteknologi og mikrostrukturer er også meget vigtig inden for bioniske teknologier, hvis inspiration hentes fra naturen for at simulere fysiske processer eller optimere produktionen af nye materialer.
US Navy Research Laboratory udvikler et gennemsigtigt polymerskjold, der har en lagdelt mikrostruktur, der ligner den chitinøse skal af krebsdyr, men fremstillet af plastmaterialer. Dette gør det muligt for materialet at forblive i overensstemmelse med en lang række temperaturer og belastninger, hvilket gør det muligt at bruge det til at beskytte personale, stationære platforme, køretøjer og fly.
Ifølge Yas Sanghera, chef for optiske materialer og enheder i dette laboratorium, er beskyttelsen på markedet normalt lavet af tre plasttyper og kan ikke hundrede procent modstå en 9 mm kugle affyret fra 1-2 meter og flyve fra hastighed 335 m / s.
Gennemsigtig rustning udviklet af dette laboratorium tillader en 40% reduktion i masse, samtidig med at den ballistiske integritet bevares og absorberer 68% mere kugleenergi. Sanghera forklarede, at rustningen kunne være perfekt til flere militære applikationer, såsom minebeskyttede køretøjer, amfibiske pansrede køretøjer, forsyningskøretøjer og flycockpitvinduer.
Ifølge Sanghera har hans laboratorium til hensigt, baseret på eksisterende udviklinger, at skabe en let, konform gennemsigtig rustning med multi-impact egenskaber og opnå en vægtreduktion på mere end 20%, som vil give beskyttelse mod geværskugler af kaliber 7, 62x39 mm.
DARPA udvikler også transparent Spinel rustning med unikke egenskaber. Dette materiale har fremragende multi-impact egenskaber, høj hårdhed og erosionsbestandighed, øget modstand mod eksterne faktorer; den sender bredere mellembølget infrarød stråling, hvilket øger mulighederne for nattesyn (evnen til at se objekter bag glasoverflader) og vejer også halvdelen af vægten af traditionelt skudsikkert glas.
Denne aktivitet er en del af DARPA's Atoms to Product (A2P) program, der "udvikler de teknologier og processer, der kræves for at samle nanoskala partikler (tæt på atomstørrelser) til systemer, komponenter eller materialer i det mindste på en millimeter skala."
I løbet af de sidste otte år har agenturet opnået en reduktion i tykkelsen af den basale gennemsigtige rustning fra ca. 18 cm til 6 cm, samtidig med at dens styrkeegenskaber bevares, ifølge lederen af A2P -programmet ved DARPA, John Maine. Den består af mange forskellige lag, "ikke alle af dem keramiske og ikke alle af plast eller glas", som er klæbet til underlaget for at forhindre revner. "Du bør tænke på det som et forsvarssystem, ikke som et monolitisk stykke materiale."
Spinelglas blev fremstillet til installation på prototyper af American Army FMTV (Family of Medium Tactical Vehicles) lastbiler til evaluering af det pansrede forskningscenter.
Under A2P -programmet tildelte DARPA Voxtel, et Oregon Institute for Nanomaterials and Microelectronics, en kontrakt på 5,59 millioner dollars til forskning i fremstillingsprocesser, der skaleres fra nano til makro. Dette bioniske projekt involverer udviklingen af et syntetisk klæbemiddel, der efterligner gecko -firbenets muligheder.
”På geckosålene er der noget som små hår … cirka 100 mikron lange, som forgrener sig voldsomt. For enden af hver lille gren er en lille nanoplade ca. 10 nanometer stor. Når de er i kontakt med en væg eller et loft, tillader disse plader gekkoen at klæbe til væggen eller loftet."
Maine sagde, at producenter aldrig kunne gentage disse muligheder, fordi de ikke kunne oprette forgrenede nanostrukturer.
”Voxtel udvikler produktionsteknologier, der replikerer denne biologiske struktur og fanger disse biologiske kvaliteter. Det bruger carbon nanorør på en virkelig ny måde, det giver dig mulighed for at oprette komplekse 3D -strukturer og bruge dem på meget originale måder, ikke nødvendigvis som strukturer, men på andre, mere opfindsomme måder."
Voxtel ønsker at udvikle avancerede additive fremstillingsteknikker, der vil producere "materialer, der selv er samlet til funktionelt komplette blokke og derefter samlet i komplekse heterogene systemer." Disse teknikker vil være baseret på simulering af simple genetiske koder og generelle kemiske reaktioner, der findes i naturen, som gør det muligt for molekyler at samle sig selv fra atomniveau til store strukturer, der er i stand til at forsyne sig selv med energi.
”Vi ønsker at udvikle et avanceret genanvendeligt klæbemiddel. Vi vil gerne have et materiale med egenskaberne af et epoxyklæbemiddel, men uden dets engangs- og overfladeforurening, - sagde Main. "Skønheden ved et materiale i gekko-stil er, at det ikke efterlader rester og virker øjeblikkeligt."
Andre hurtigt avancerede avancerede materialer omfatter ultratynde materialer såsom grafen og carbon nanorør, der har strukturelle, termiske, elektriske og optiske egenskaber, der vil revolutionere nutidens kamprum.
Graphene
Mens kulnanorør har et godt potentiale til applikationer i elektroniske systemer og camouflagesystemer såvel som i det biomedicinske område, er grafen "mere interessant, fordi det i det mindste på papiret giver flere muligheder," siger Giuseppe Dakvino, talsmand for European Defense Agentur (EOA).
Graphen er et ultratyndt nanomateriale dannet af et lag carbonatomer med et atom tykt. Let og holdbart grafen har rekordhøj termisk og elektrisk ledningsevne. Forsvarsindustrien undersøger omhyggeligt muligheden for at bruge grafen i applikationer, der kræver dets styrke, fleksibilitet og modstandsdygtighed over for høje temperaturer, for eksempel i kampopgaver udført under ekstreme forhold.
Dakvino sagde, at grafen “i det mindste i teorien er fremtidens materiale. Grunden til, at der er så meget interessant debat nu, er fordi det efter så mange års forskning i den civile sektor er blevet klart, at det faktisk vil ændre kampscenarier.”
”For at nævne nogle få af mulighederne: fleksibel elektronik, elsystemer, ballistisk beskyttelse, camouflage, filtre / membraner, materialer med høj varmeafledning, biomedicinske applikationer og sensorer. Det er faktisk de vigtigste teknologiske retninger."
I december 2017 begyndte EAO en årelang undersøgelse af mulige lovende militære anvendelser af grafen og dets indvirkning på den europæiske forsvarsindustri. Dette arbejde blev ledet af den spanske fond for teknisk forskning og innovation, som University of Cartagena og det britiske firma Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. I maj 2018 blev der afholdt et seminar med forskere og eksperter om grafen, hvor der blev fastlagt en køreplan for dens anvendelse i forsvarssektoren.
Ifølge EOA, “Blandt de materialer, der har potentiale til at revolutionere forsvarskapaciteter i det næste årti, er grafen højt på listen. Let, fleksibel, 200 gange stærkere end stål, og dets elektriske ledningsevne er utrolig (bedre end silicium), ligesom dens varmeledningsevne."
EOA bemærkede også, at grafen har bemærkelsesværdige egenskaber inden for "signaturstyring". Det vil sige, at den kan bruges til at producere "radioabsorberende belægninger, som vil gøre militære køretøjer, fly, ubåde og overfladeskibe til næsten uopdagelige objekter." Alt dette gør grafen til et ekstremt attraktivt materiale ikke kun for den civile industri, men også for militære applikationer, land, luft og hav."
Til dette formål undersøger det amerikanske militær brugen af grafen til køretøjer og beskyttelsestøj. Ifølge ingeniør Emil Sandoz-Rosado fra US Army Military Research Laboratory (ARL) har dette materiale fremragende mekaniske egenskaber, et atomlag af grafen er 10 gange stivere og mere end 30 gange stærkere end det samme lag af kommercielle ballistiske fibre.”Loftet for grafen er meget højt. Dette er en af grundene til, at flere arbejdsgrupper i ARL har vist interesse for det, fordi dets designegenskaber er meget lovende med hensyn til booking.
Der er dog også ganske store vanskeligheder. En af dem er skalering af materialet; hæren har brug for beskyttelsesmateriale, der kan dække kampvogne, køretøjer og soldater.”Vi har brug for meget mere. Generelt taler vi om en million eller flere lag, som vi har brug for i øjeblikket”.
Sandoz-Rosado sagde, at grafen kan produceres på en eller to måder, enten gennem en skrælningsproces, hvor grafit af høj kvalitet adskilles i separate atomlag eller ved at dyrke et enkelt atomlag af grafen på kobberfolie. Denne proces er veletableret af laboratorier, der producerer grafen af høj kvalitet. »Det er ikke helt perfekt, men det er temmelig tæt på det. Men i dag er det tid til at tale om mere end et atomlag, vi har brug for et fuldgyldigt produkt”. Som en konsekvens heraf er der for nylig blevet lanceret et program til at udvikle kontinuerlige grafenproduktionsprocesser i industriel skala.
"Uanset om det er carbon nanorør eller grafen, skal du tage hensyn til de specifikke krav, der skal opfyldes," advarede Dakvino og bemærkede, at den formelle beskrivelse af egenskaberne ved nye avancerede materialer, standardiseringen af de præcise processer til fremstilling af nye materialer, reproducerbarheden af disse processer, hele kædens fremstillingsevne (fra grundforskning til fremstilling af demonstrationer og prototyper) kræver grundig undersøgelse og begrundelse, når det kommer til brugen af gennembrudsmaterialer som grafen og kulnanorør i militære platforme.
”Dette er ikke bare forskning, for du skal trods alt være sikker på, at et bestemt materiale er officielt beskrevet, og så skal du være sikker på, at det kan produceres i en bestemt proces. Det er ikke så let, fordi fremstillingsprocessen kan ændre sig, kvaliteten af det producerede produkt kan variere afhængigt af processen, så processen skal gentages flere gange."
Ifølge Sandoz-Rosado arbejdede ARL sammen med grafenproducenter for at vurdere produktets kvalitetsklasse og dets skalerbarhed. Selvom det endnu ikke er klart, om kontinuerlige processer, der er i begyndelsen af deres dannelse, har en forretningsmodel, passende kapacitet og om de kan levere den krævede kvalitet.
Dakvino bemærkede, at fremskridt inden for computermodellering og kvantecomputing kunne fremskynde forskning og udvikling samt udvikling af metoder til fremstilling af avancerede materialer i den nærmeste fremtid.”Med computerstøttet design og materialemodellering kan mange ting modelleres: materialegenskaber og endda fremstillingsprocesser kan modelleres. Du kan endda skabe virtual reality, hvor du dybest set kan se på de forskellige faser af at skabe et materiale."
Dakwino sagde også, at avanceret computermodellering og virtual reality -teknikker giver en fordel ved at skabe "et integreret system, hvor du kan simulere et bestemt materiale og se, om det materiale kan anvendes i et bestemt miljø." Quantum computing kan radikalt ændre situationen her.
"I fremtiden ser jeg endnu mere interesse for nye fremstillingsmåder, nye måder at skabe nye materialer og nye fremstillingsprocesser gennem computersimulering, da enorm computerkraft potentielt kun kan opnås ved hjælp af kvantecomputere."
Ifølge Dakwino er nogle anvendelser af grafen teknologisk mere avancerede, mens andre er mindre. For eksempel kan matrixbaserede keramiske kompositter forbedres ved at integrere grafenplader, der forstærker materialet og øger dets mekaniske modstand, samtidig med at det reducerer dets vægt. "Hvis vi f.eks. Taler om kompositter," fortsatte Dakvino, "eller i de mest generelle termer om materialer forstærket ved at tilføje grafen, så får vi rigtige materialer og virkelige processer i deres masseproduktion, hvis ikke i morgen, men måske i de næste fem år”.
“Derfor er grafen så interessant for ballistiske beskyttelsessystemer. Ikke fordi grafen kan bruges som rustning. Men hvis du bruger grafen i din rustning som et forstærkende materiale, så kan det blive stærkere end endda Kevlar."
Prioriterede områder, for eksempel autonome systemer og sensorer samt militære højrisikoområder, såsom undervands-, rum- og cybernetik, afhænger mest af alt af nye avancerede materialer og grænsefladen mellem nano- og mikroteknologi med bioteknologi, "stealth" materialer, reaktive materialer og energiproduktions- og lagringssystemer.
Metamaterialer og nanoteknologi såsom grafen og kulnanorør er under hurtig udvikling i dag. I disse nye teknologier leder militæret efter nye muligheder og undersøger deres applikationer og potentielle barrierer, da de er tvunget til at balancere mellem behovene på den moderne slagmark og langsigtede forskningsmål.
