Mogućnost stvaranja materijala s negativnim kutom loma predvidio je još 1967. godine sovjetski fizičar Viktor Veselago, ali tek se sada pojavljuju prvi uzorci stvarnih struktura s takvim svojstvima. Zbog negativnog ugla loma, zrake svjetlosti se savijaju oko objekta, čineći ga nevidljivim. Dakle, posmatrač primjećuje samo ono što se događa iza leđa osobe koja nosi „divan“ogrtač.
Kako bi stekle prednost na bojnom polju, moderne vojne snage okreću se potencijalno ometajućim sposobnostima, poput naprednog oklopa i oklopa vozila, te nanotehnologije. inovativna kamuflaža, novi električni uređaji, super-akumulatori i "inteligentna" ili reaktivna zaštita platformi i osoblja. Vojni sistemi postaju sve složeniji, razvijaju se i proizvode novi napredni višenamjenski materijali i materijali dvostruke namjene, a minijaturizacija teške i fleksibilne elektronike odvija se naglo.
Primjeri uključuju obećavajuće samoiscjeljujuće materijale, napredne kompozitne materijale, funkcionalnu keramiku, elektrokromne materijale, materijale za "kibernetsku zaštitu" koji reagiraju na elektromagnetske smetnje. Od njih se očekuje da postanu okosnica remetilačkih tehnologija koje će neopozivo promijeniti bojište i prirodu budućih neprijateljstava.
Napredni materijali nove generacije, poput metamaterijala, grafenskih i ugljikovih nanocjevčica, izazivaju veliko zanimanje i ulaganja jer imaju svojstva i funkcionalnosti koje nema u prirodi i pogodni su za obrambene primjene i zadatke koji se izvode u ekstremnim ili neprijateljskim prostorima. Nanotehnologija koristi nanometarske materijale (10-9) kako bi mogli mijenjati strukture na atomskom i molekularnom nivou i stvarati različita tkiva, uređaje ili sisteme. Ovi materijali su vrlo obećavajuće područje i u budućnosti mogu imati ozbiljan utjecaj na borbenu efikasnost.
Metamaterijali
Prije nego nastavimo, definirajmo metamaterijal. Metamaterijal je kompozitni materijal čija se svojstva ne određuju toliko svojstvima sastavnih elemenata koliko umjetno stvorenom periodičnom strukturom. Oni su umjetno formirani i posebno strukturirani mediji s elektromagnetskim ili akustičnim svojstvima koja je tehnološki teško postići ili se ne nalaze u prirodi.
Kymeta Corporation, podružnica kompanije Intellectual Ventures, ušla je na tržište odbrane 2016. godine s metamaterijalnom antenom mTenna. Prema riječima direktora kompanije Nathana Kundza, prijenosna antena u obliku primopredajničke antene teži oko 18 kg i troši 10 vata. Oprema za metamaterijalne antene veličine je knjige ili netbooka, nema pokretnih dijelova i proizvodi se na isti način kao LCD monitori ili ekrani pametnih telefona pomoću TFT tehnologije.
Metamaterijali se sastoje od mikrostruktura sa podtalasnom dužinom, odnosno struktura čije su dimenzije manje od talasne dužine zračenja koje moraju kontrolisati. Ove strukture mogu biti izrađene od nemagnetnih materijala poput bakra i gravirane na PCB podlogu od stakloplastike.
Metamaterijali se mogu stvoriti za interakciju s glavnim komponentama elektromagnetskih valova - dielektričnom konstantom i magnetskom propusnošću. Prema Pablosu Holmanu, izumitelju kompanije Intellectual Ventures, antene stvorene pomoću metamaterijalne tehnologije mogle bi na kraju zamijeniti ćelijske tornjeve, fiksne telefonske linije i koaksijalne i optičke kablove.
Tradicionalne antene podešene su tako da presreću kontroliranu energiju određene valne duljine, koja pobuđuje elektrone u anteni za stvaranje električne struje. Zauzvrat, ovi kodirani signali mogu se tumačiti kao informacije.
Savremeni antenski sistemi su nezgrapni jer različite frekvencije zahtijevaju drugu vrstu antene. U slučaju antena od metamaterijala, površinski sloj vam omogućuje promjenu smjera savijanja elektromagnetskih valova. Metamaterijali pokazuju negativnu dielektričnu i negativnu magnetsku propusnost i stoga imaju negativan indeks loma. Ovaj negativni indeks loma, koji se ne nalazi ni u jednom prirodnom materijalu, određuje promjenu elektromagnetskih valova pri prelasku granice dva različita medija. Tako se prijemnik antene od metamaterijala može elektronički podesiti da prima različite frekvencije, što programerima omogućava postizanje širokopojasnog pristupa i smanjenje veličine antenskih elemenata.
Metamaterijali unutar takvih antena sastavljeni su u ravnu matricu gusto zbijenih pojedinačnih ćelija (vrlo slično postavljanju piksela na TV ekranu) s drugom ravnom matricom paralelnih pravokutnih valovoda, kao i modulom koji kontrolira emisiju valova putem softvera i omogućava anteni da odredi smjer zračenja.
Holman je objasnio da je najlakši način da se shvate prednosti metamaterijalnih antena ako se pobliže pogledaju fizički otvori antene i pouzdanost internetskih veza na brodovima, avionima, dronovima i drugim pokretnim sistemima.
"Svaki novi komunikacijski satelit koji je ovih dana lansiran u orbitu", nastavio je Holman, "ima veći kapacitet nego što je sazviježđe satelita imalo prije samo nekoliko godina. Imamo ogroman potencijal za bežičnu komunikaciju u ovim satelitskim mrežama, ali jedini način komunikacije s njima je uzimanje satelitske antene, koja je velika, teška i skupa za instalaciju i održavanje. Pomoću antene zasnovane na metamaterijalima možemo napraviti ravni panel koji može usmjeriti snop i ciljati direktno u satelit.
"Pedeset posto vremena fizički upravljana antena nije satelitski orijentirana, a vi ste efektivno van mreže", rekao je Holman. "Stoga, metamaterijalna antena može biti posebno korisna u pomorskom kontekstu, jer se antena fizički kontrolira kako bi je usmjerila prema satelitu, budući da brod često mijenja kurs i stalno se ljulja na valovima."
Bionika
Razvoj novih materijala također ide ka stvaranju fleksibilnih multifunkcionalnih sistema složenih oblika. Ovdje važnu ulogu ima primijenjena znanost o primjeni principa organizacije, svojstava, funkcija i struktura žive prirode u tehničkim uređajima i sistemima. Bionika (u zapadnoj literaturi biomimetika) pomaže osobi da stvori originalne tehničke sisteme i tehnološke procese zasnovane na idejama pronađenim i posuđenim od prirode.
Centar za istraživanje podmornica američke mornarice testira autonomni aparat za traženje mina (APU) koji koristi bioničke principe. oponašajući kretanje morskog života. Razor je dugačak 3 metra i mogu ga nositi dvije osobe. Njegova elektronika koordinira rad četiri zamahnuta krila i dva krmena propelera. Pokreti mahanjem oponašaju kretnje nekih životinja, poput ptica i kornjača. To omogućava APU -u da lebdi, izvodi precizno manevriranje pri malim brzinama i postiže velike brzine. Ova upravljivost također omogućava Razoru da se lako premjesti i pluta oko objekata za 3D snimanje.
Američka mornarička istraživačka agencija financira razvoj prototipa Pliant Energy Systems za prototip opcionalno autonomne podmornice Velox, koja zamjenjuje propelere sa sistemom višestabilnih, nelinearnih peraja nalik na papir koja generiraju ponavljajuća kretanja slična rampi. Uređaj pretvara kretanje elektroaktivnih, valovitih, fleksibilnih polimernih peraja s ravnom hiperboličkom geometrijom u translacijsko kretanje, slobodno se krećući pod vodom, u valovima talasa, u pijesku, nad morskom i kopnenom vegetacijom, na klizavim stijenama ili ledu.
Prema riječima glasnogovornika kompanije Pliant Energy Systems, valovito kretanje prema naprijed sprječava zapetljavanje u gustu vegetaciju, jer nema rotirajućih dijelova, dok se minimizira oštećenje biljaka i taloga. Letjelica s niskim šumom, pogonjena litij-ionskom baterijom, može poboljšati uzgon kako bi zadržala svoj položaj pod ledom, dok se njome može daljinski upravljati. Njegovi glavni zadaci su: komunikacija, uključujući GPS, WiFi, radio ili satelitske kanale; prikupljanje obavještajnih podataka i informacija; potraga i spašavanje; i skeniranje i identifikacija min.
Razvoj nanotehnologije i mikrostruktura također je vrlo važan u bioničkim tehnologijama, za koje se inspiracija uzima iz prirode kako bi se simulirali fizički procesi ili optimizirala proizvodnja novih materijala.
Američka mornarička istraživačka laboratorija razvija prozirni polimerni štit koji ima slojevitu mikrostrukturu sličnu hitinskoj ljusci rakova, ali napravljenu od plastičnih materijala. To omogućava materijalu da ostane konforman u širokom rasponu temperatura i opterećenja, što mu omogućuje da se koristi za zaštitu osoblja, stacionarnih platformi, vozila i zrakoplova.
Prema riječima Yas Sanghere, voditelja optičkih materijala i uređaja u ovoj laboratoriji, zaštita dostupna na tržištu obično je izrađena od tri vrste plastike i ne može sto posto izdržati metak od 9 mm ispaljen s 1-2 metra i leteći velikom brzinom 335 m / s.
Prozirni oklop koji je razvila ova laboratorija omogućuje smanjenje mase za 40% uz održavanje balističkog integriteta i apsorbira 68% više energije metka. Sanghera je objasnio da bi oklop mogao biti savršen za nekoliko vojnih aplikacija, kao što su vozila zaštićena od mina, amfibijska oklopna vozila, vozila za snabdijevanje i prozori u kabini aviona.
Prema Sangheri, njegova laboratorija namjerava, na temelju postojećih dostignuća, stvoriti lagani konformni prozirni oklop sa karakteristikama više udara i postići smanjenje težine za više od 20%, što će pružiti zaštitu od puščanih metaka kalibra 7, 62x39 mm.
DARPA takođe razvija prozirni oklop Spinel sa jedinstvenim svojstvima. Ovaj materijal ima izvrsne karakteristike više udaraca, visoku tvrdoću i otpornost na eroziju, povećanu otpornost na vanjske faktore; prenosi šire srednje infracrveno zračenje srednjih talasa, što povećava mogućnosti uređaja za noćno osmatranje (sposobnost da se vide predmeti iza staklenih površina), a teži i polovinu težine tradicionalnog neprobojnog stakla.
Ova aktivnost je dio DARPA -inog programa Atoms to Product (A2P), koji "razvija tehnologije i procese potrebne za sastavljanje čestica nanomjera (blizu atomskih veličina) u sisteme, komponente ili materijale barem na milimetarskoj ljestvici."
U posljednjih osam godina, Agencija je postigla smanjenje debljine osnovnog prozirnog oklopa sa oko 18 cm na 6 cm, zadržavajući pritom svoje karakteristike čvrstoće, kaže voditelj programa A2P u DARPA -i John Maine. Sastoji se od mnogo različitih slojeva, "nisu svi keramički, a ne svi plastični ili stakleni", koji su pričvršćeni na podlogu kako bi se spriječilo pucanje. "Trebali biste to shvatiti kao odbrambeni sistem, a ne kao monolitni materijal."
Spinel staklo proizvedeno je za ugradnju u prototipe kamiona američke vojske FMTV (Porodica srednjih taktičkih vozila) za ocjenjivanje od strane Oklopnog istraživačkog centra.
U okviru programa A2P, DARPA je dodijelila Voxtelu, Oregonskom institutu za nanomaterijali i mikroelektroniku, ugovor u iznosu od 5,59 miliona dolara za istraživanje proizvodnih procesa koji se kreću od nano do makro. Ovaj bionički projekt uključuje razvoj sintetičkog ljepila koje oponaša sposobnosti guštera od gekona.
“Na tabanima gekona postoji nešto poput dlačica … dugačkih oko 100 mikrona, koje se nasilno granaju. Na kraju svake male grane nalazi se sićušna nanoploča veličine oko 10 nanometara. U dodiru sa zidom ili stropom, ove ploče omogućuju gekonu da se zalijepi za zid ili strop."
Maine je rekao da proizvođači nikada ne bi mogli replicirati te mogućnosti jer ne mogu stvoriti razgranate nanostrukture.
“Voxtel razvija proizvodne tehnologije koje repliciraju ovu biološku strukturu i osvajaju te biološke kvalitete. Koristi ugljikove nanocijevi na zaista nov način, omogućuje vam stvaranje složenih 3D struktura i njihovu upotrebu na vrlo originalan način, ne nužno kao strukture, već na druge, inventivnije načine."
Voxtel želi razviti napredne tehnike aditivne proizvodnje koje će proizvoditi "materijale koji se sami sastavljaju u funkcionalno cjelovite blokove, a zatim sastavljaju u složene heterogene sisteme". Ove će se tehnike temeljiti na simuliranju jednostavnih genetskih kodova i općih kemijskih reakcija pronađenih u prirodi, koje omogućuju molekulama da se same sastave s atomskog nivoa u velike strukture sposobne za opskrbu energijom.
„Želimo razviti napredno ljepilo za višekratnu upotrebu. Željeli bismo dobiti materijal sa svojstvima epoksidnog ljepila, ali bez njegove jednokratne upotrebe i površinske kontaminacije - rekao je Main. "Ljepota materijala u stilu gekona je u tome što ne ostavlja tragove i djeluje trenutno."
Ostali napredni materijali koji brzo napreduju uključuju ultra tanke materijale poput grafena i ugljikovih nanocjevčica koji imaju strukturna, toplinska, električna i optička svojstva koja će revolucionirati današnji borbeni prostor.
Graphene
Dok ugljične nanocijevi imaju dobar potencijal za primjenu u elektroničkim i kamuflažnim sustavima, kao i u biomedicinskom području, grafen je "zanimljiviji jer nudi, barem na papiru, više mogućnosti", rekao je Giuseppe Dakvino, glasnogovornik Europske obrane Agencija (EOA).
Grafen je ultra tanki nanomaterijal koji se sastoji od sloja ugljikovih atoma debljine jednog atoma. Lagani i izdržljivi grafen ima rekordno visoku toplinsku i električnu vodljivost. Odbrambena industrija pomno proučava mogućnost upotrebe grafena u aplikacijama koje zahtijevaju njegovu snagu, fleksibilnost i otpornost na visoke temperature, na primjer, u borbenim misijama koje se izvode u ekstremnim uvjetima.
Dakvino je rekao da je grafen , barem u teoriji, materijal budućnosti. Razlog zašto se sada vodi toliko zanimljiva rasprava je taj što je nakon toliko godina istraživanja u civilnom sektoru postalo jasno da će to zapravo promijeniti borbene scenarije.”
“Navesti samo neke od mogućnosti: fleksibilnu elektroniku, sisteme napajanja, balističku zaštitu, kamuflažu, filtere / membrane, materijale za odvođenje velike topline, biomedicinske aplikacije i senzore. To su, u stvari, glavni tehnološki pravci."
U prosincu 2017. EAO je započeo jednogodišnju studiju o mogućim obećavajućim vojnim primjenama grafena i njegovom utjecaju na europsku obrambenu industriju. Ovim radom rukovodila je Španjolska fondacija za tehnička istraživanja i inovacije, s kojom su Univerzitet u Cartageni i britanska kompanija Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. U maju 2018. godine održan je seminar istraživača i stručnjaka za grafen, na kojem je utvrđena mapa puta za njegovu upotrebu u sektoru odbrane.
Prema EOA -i, „Među materijalima koji imaju potencijal revolucionirati odbrambene sposobnosti u sljedećoj deceniji, grafen je visoko na listi. Lagan, fleksibilan, 200 puta jači od čelika, a njegova električna vodljivost je nevjerojatna (bolja od silicija), kao i njegova toplinska vodljivost."
EOA je također primijetila da grafen ima izuzetna svojstva u području "upravljanja potpisom". Odnosno, može se koristiti za proizvodnju "radio-apsorbirajućih premaza, koji će od vojnih vozila, aviona, podmornica i površinskih brodova pretvoriti gotovo objekte koji se ne mogu otkriti". Sve to čini grafen iznimno atraktivnim materijalom ne samo za civilnu industriju, već i za vojnu primjenu, na kopnu, u zraku i na moru."
U tu svrhu američka vojska proučava upotrebu grafena za vozila i zaštitnu odjeću. Prema riječima inženjera Emila Sandoza-Rosada iz Vojno istraživačke laboratorije američke vojske (ARL), ovaj materijal ima izvrsna mehanička svojstva, jedan atomski sloj grafena je 10 puta čvršći i više od 30 puta jači od istog sloja komercijalnog balističkog vlakna. „Plafon za grafen je veoma visok. Ovo je jedan od razloga zašto je nekoliko radnih grupa u ARL -u pokazalo interes za nju, jer su njene dizajnerske karakteristike vrlo obećavajuće u smislu rezervacije.
Međutim, postoje i prilično velike poteškoće. Jedan od njih je skaliranje materijala; vojsci su potrebni zaštitni materijali koji mogu pokriti tenkove, vozila i vojnike. „Treba nam mnogo više. Općenito, govorimo o milijun ili više slojeva koji su nam trenutno potrebni”.
Sandoz-Rosado je rekao da se grafen može proizvesti na jedan ili dva načina, bilo postupkom ljuštenja gdje se visokokvalitetni grafit odvaja u zasebne atomske slojeve, ili uzgojem jednog atomskog sloja grafena na bakrenoj foliji. Ovaj proces dobro su uspostavile laboratorije koje proizvode visokokvalitetni grafen. „Nije sasvim savršeno, ali je prilično blizu toga. Međutim, danas je vrijeme da govorimo o više od jednog atomskog sloja, potreban nam je punopravni proizvod”. Kao posljedica toga, nedavno je pokrenut program za razvoj kontinuiranih industrijskih procesa proizvodnje grafena.
"Bilo da se radi o ugljikovim nanocevkama ili grafenu, morate uzeti u obzir posebne zahtjeve koji moraju biti ispunjeni", upozorio je Dakvino, ističući da formalni opis karakteristika novih naprednih materijala, standardizacija preciznih procesa za stvaranje novih materijala, ponovljivost ovih procesa, proizvodnost cijelog lanca (od osnovnih istraživanja do proizvodnje demonstracija i prototipova) trebaju pažljivo proučavanje i opravdanje kada je u pitanju upotreba probojnih materijala poput grafena i ugljikovih nanocjevčica na vojnim platformama.
“Ovo nije samo istraživanje, jer ipak morate biti sigurni da je određeni materijal službeno opisan, a zatim morate biti sigurni da se može proizvesti u određenom procesu. To nije tako jednostavno, jer se proces proizvodnje može promijeniti, kvaliteta proizvedenog proizvoda može varirati ovisno o procesu, pa se proces mora ponoviti nekoliko puta."
Prema Sandoz-Rosado-u, ARL je radio s proizvođačima grafena na procjeni klase kvalitete proizvoda i njegove skalabilnosti. Iako još nije jasno imaju li kontinuirani procesi, koji su na početku svog formiranja, poslovni model, odgovarajući kapacitet i mogu li pružiti traženu kvalitetu.
Dakvino je napomenuo da bi napredak u računarskom modeliranju i kvantnom računarstvu mogao ubrzati istraživanje i razvoj, kao i razvoj metoda za proizvodnju naprednih materijala u bliskoj budućnosti. „Uz računarski podržano projektiranje i modeliranje materijala, mnoge se stvari mogu modelirati: mogu se modelirati karakteristike materijala, pa čak i proizvodni procesi. Možete čak i stvoriti virtualnu stvarnost, gdje možete u osnovi pogledati različite faze stvaranja materijala."
Dakwino je također rekao da napredne računalne metode i tehnike virtualne stvarnosti pružaju prednost stvaranjem "integriranog sistema u kojem možete simulirati određeni materijal i vidjeti može li se taj materijal primijeniti u određenom okruženju". Kvantno računanje bi ovdje moglo radikalno promijeniti stanje stvari.
„U budućnosti vidim još veći interes za nove načine proizvodnje, nove načine stvaranja novih materijala i nove proizvodne procese putem kompjuterske simulacije, jer se ogromna računarska snaga potencijalno može postići samo upotrebom kvantnih računara.“
Prema Dakwinu, neke primjene grafena su tehnološki naprednije, dok su druge manje. Na primjer, keramički kompoziti na bazi matrice mogu se poboljšati integriranjem grafenskih ploča koje ojačavaju materijal i povećavaju njegovu mehaničku otpornost uz smanjenje njegove težine. "Ako govorimo, na primjer, o kompozitima", nastavio je Dakvino, "ili, najopćenitije, o materijalima ojačanim dodavanjem grafena, tada ćemo dobiti prave materijale i stvarne procese njihove masovne proizvodnje, ako ne sutra, ali možda u narednih pet godina ".
“Zbog toga je grafen toliko zanimljiv za sisteme balističke zaštite. Ne zato što se grafen može koristiti kao oklop. Ali ako koristite grafen u svom oklopu kao materijal za ojačanje, on može postati jači čak i od kevlara."
Prioritetna područja, na primjer, autonomni sistemi i senzori, kao i vojna područja visokog rizika, poput podmorja, svemira i kibernetike, najviše ovise o novim naprednim materijalima i sučelju nano- i mikrotehnologije s biotehnologijom, „stealth“-om materijala, reaktivnih materijala i sistema za proizvodnju i skladištenje energije.
Metamaterijali i nanotehnologija, poput grafenskih i ugljikovih nanocjevčica, danas se brzo razvijaju. U tim novim tehnologijama vojska traži nove mogućnosti, istražujući njihove primjene i potencijalne prepreke, jer su prisiljene balansirati između potreba modernog bojnog polja i dugoročnih istraživačkih ciljeva.
