Možnost vytvoření materiálu s negativním úhlem lomu předpovídal již v roce 1967 sovětský fyzik Viktor Veselago, ale teprve nyní se objevují první vzorky skutečných struktur s takovými vlastnostmi. Vzhledem k negativnímu úhlu lomu se paprsky světla ohýbají kolem předmětu a činí jej neviditelným. Pozorovatel si tedy všimne pouze toho, co se děje za zády osoby, která nosí „nádherný“plášť.
Aby získaly náskok na bojišti, moderní vojenské síly se obracejí k potenciálně rušivým schopnostem, jako jsou pokročilé neprůstřelné vesty a brnění vozidel a nanotechnologie. inovativní kamufláž, nová elektrická zařízení, superakumulátory a „inteligentní“nebo reaktivní ochrana platforem a personálu. Vojenské systémy jsou stále komplexnější, vyvíjejí a vyrábějí se nové pokročilé multifunkční materiály a materiály dvojího užití a miniaturizace těžké a flexibilní elektroniky probíhá mílovými kroky.
Mezi příklady patří slibné samoopravné materiály, pokročilé kompozitní materiály, funkční keramika, elektrochromní materiály, materiály „kybernetického stínění“, které reagují na elektromagnetické rušení. Očekává se, že se stanou páteří převratných technologií, které nenávratně změní bojiště a povahu budoucích nepřátelských akcí.
Pokročilé materiály nové generace, jako jsou metamateriály, grafen a uhlíkové nanotrubice, vyvolávají velký zájem a investice, protože mají vlastnosti a funkce, které se v přírodě nenacházejí a jsou vhodné pro obranné aplikace a úkoly prováděné v extrémních nebo nepřátelských prostorech. Nanotechnologie používá materiály v měřítku nanometrů (10-9), aby bylo možné modifikovat struktury na atomové a molekulární úrovni a vytvářet různé tkáně, zařízení nebo systémy. Tyto materiály jsou velmi slibnou oblastí a v budoucnosti mohou mít vážný dopad na účinnost boje.
Metamateriály
Než budeme pokračovat, definujme metamateriály. Metamateriál je kompozitní materiál, jehož vlastnosti nejsou určeny ani tak vlastnostmi jeho základních prvků, jako uměle vytvořenou periodickou strukturou. Jsou to uměle vytvořená a speciálně strukturovaná média s elektromagnetickými nebo akustickými vlastnostmi, jejichž dosažení je technologicky obtížné nebo se v přírodě nenacházejí.
Kymeta Corporation, dceřiná společnost Intellectual Ventures, vstoupila na obranný trh v roce 2016 s metamateriálem antény mTenna. Podle ředitele společnosti Nathana Kundze přenosná anténa v podobě antény transceiveru váží asi 18 kg a spotřebuje 10 wattů. Zařízení pro metamateriálové antény je velké přibližně jako kniha nebo netbook, nemá žádné pohyblivé části a je vyrobeno stejným způsobem jako LCD monitory nebo obrazovky smartphonů využívající technologii TFT.
Metamateriály se skládají ze substrukturních mikrostruktur, tj. Struktur, jejichž rozměry jsou menší než vlnová délka záření, které musí ovládat. Tyto struktury mohou být vyrobeny z nemagnetických materiálů, jako je měď, a leptány na sklolaminátový PCB substrát.
Metamateriály lze vytvářet pro interakci s hlavními složkami elektromagnetických vln - dielektrickou konstantou a magnetickou permeabilitou. Podle Pablose Holmana, vynálezce společnosti Intellectual Ventures, by antény vytvořené pomocí metamateriálové technologie mohly nakonec nahradit věže buněk, pevné telefonní linky a koaxiální a optické kabely.
Tradiční antény jsou naladěny tak, aby zachytávaly regulovanou energii konkrétní vlnové délky, která excituje elektrony v anténě a generuje elektrické proudy. Na druhé straně mohou být tyto kódované signály interpretovány jako informace.
Moderní anténní systémy jsou těžkopádné, protože různé frekvence vyžadují jiný typ antény. V případě antén z metamateriálů vám povrchová vrstva umožňuje změnit směr ohybu elektromagnetických vln. Metamateriály vykazují negativní dielektrickou i negativní magnetickou permeabilitu, a proto mají negativní index lomu. Tento negativní index lomu, který se nenachází v žádném přírodním materiálu, určuje změnu elektromagnetických vln při překročení hranice dvou různých médií. Přijímač metamateriálové antény lze tedy elektronicky naladit na příjem různých frekvencí, což vývojářům umožňuje dosáhnout širokopásmového připojení a zmenšit velikost anténních prvků.
Metamateriály uvnitř takových antén jsou sestaveny do ploché matice hustě zabalených jednotlivých buněk (velmi podobné umístění pixelů na televizní obrazovce) s další plochou maticí rovnoběžných pravoúhlých vlnovodů, jakož i modulem, který ovládá vlnění pomocí softwaru a umožňuje anténě určit směr záření.
Holman vysvětlil, že nejsnadnějším způsobem, jak porozumět výhodám metamateriálových antén, je blíže se podívat na fyzické otvory antény a spolehlivost internetového připojení na lodích, letadlech, dronech a dalších pohyblivých systémech.
"Každý nový komunikační satelit vypuštěný na oběžnou dráhu v těchto dnech," pokračoval Holman, "má větší kapacitu, než měla konstelace satelitů před několika lety." V těchto satelitních sítích máme obrovský potenciál pro bezdrátovou komunikaci, ale jediný způsob, jak s nimi komunikovat, je vzít satelitní anténu, která je velká, těžká a nákladná na instalaci a údržbu. S anténou založenou na metamateriálech můžeme vyrobit plochý panel, který může směrovat paprsek a mířit přímo na satelit.
"Padesát procent času fyzicky řiditelné antény není orientováno na satelit a jste skutečně offline," řekl Holman. „Proto může být metamateriálová anténa obzvláště užitečná v námořním kontextu, protože parabola je fyzicky ovládána tak, aby byla nasměrována na satelit, protože loď často mění kurz a neustále se houpe na vlnách.“
Bionika
Vývoj nových materiálů také směřuje k vytváření flexibilních multifunkčních systémů se složitými tvary. Zde hraje důležitou roli aplikovaná věda o aplikaci principů organizace, vlastností, funkcí a struktur živé přírody v technických zařízeních a systémech. Bionika (v západní literatuře biomimetika) pomáhá člověku vytvářet originální technické systémy a technologické postupy na základě myšlenek nalezených a vypůjčených z přírody.
Americké námořní výzkumné centrum Submarine Warfare Research Center testuje autonomní aparát pro vyhledávání min (APU), který využívá bionické principy. napodobující pohyby mořského života. Žiletka je 3 metry dlouhá a mohou ji nosit dvě osoby. Jeho elektronika koordinuje práci čtyř mávajících křídel a dvou zadních vrtulí. Mávání pohyby napodobují pohyby některých zvířat, například ptáků a želv. To umožňuje APU vznášet se, provádět přesné manévrování při nízkých rychlostech a dosahovat vysokých rychlostí. Tato manévrovatelnost také umožňuje Razoru snadno se přemístit a plavat kolem objektů pro 3D zobrazování.
Americká agentura pro výzkum námořnictva financuje vývoj prototypu společnosti Pliant Energy Systems pro volitelně autonomní ponorné plavidlo Velox, které nahrazuje vrtule systémem multistabilních, nelineárních, papírových ploutví, která generují opakující se vlnité pohyby podobné rampě. Zařízení převádí pohyby elektroaktivních, vlnitých, pružných polymerních ploutví s planární hyperbolickou geometrií na translační pohyb, volně se pohybující pod vodou, ve vlnách příboje, v písku, nad mořskou a suchozemskou vegetací, na kluzkých skalách nebo ledu.
Podle mluvčího společnosti Pliant Energy Systems zvlněný dopředný pohyb brání zapletení do husté vegetace, protože zde nejsou žádné rotující části, a zároveň minimalizuje poškození rostlin a sedimentů. Nízkohlučné plavidlo poháněné lithium-iontovou baterií může zlepšit svůj vztlak, aby si udrželo polohu pod ledem, a přitom může být dálkově ovládáno. Jeho hlavní úkoly jsou: komunikace, včetně GPS, WiFi, rádiových nebo satelitních kanálů; shromažďování zpravodajských informací a informací; Najdi a zachraň; a skenování a identifikace min.
Rozvoj nanotechnologií a mikrostruktur je také velmi důležitý v bionických technologiích, jejichž inspirace je čerpána z přírody za účelem simulace fyzikálních procesů nebo optimalizace výroby nových materiálů.
Americká námořní výzkumná laboratoř vyvíjí průhledný polymerový štít, který má vrstvenou mikrostrukturu podobnou chitinózní skořápce korýšů, ale je vyroben z plastových materiálů. To umožňuje, aby materiál zůstal konformní v širokém rozsahu teplot a zatížení, což umožňuje jeho použití k ochraně personálu, stacionárních plošin, vozidel a letadel.
Podle Yase Sanghery, vedoucího optických materiálů a zařízení v této laboratoři, je ochrana dostupná na trhu obvykle vyrobena ze tří druhů plastů a nemůže stoprocentně odolat 9mm střele vypálené z 1–2 metrů a létající z rychlosti 335 m / s.
Průhledné brnění vyvinuté touto laboratoří umožňuje 40% snížení hmotnosti při zachování balistické integrity a absorbuje o 68% více energie kulky. Sanghera vysvětlil, že brnění by mohlo být ideální pro několik vojenských aplikací, jako jsou vozidla chráněná proti minám, obojživelná obrněná vozidla, zásobovací vozidla a okna kokpitu letadel.
Podle Sanghery má jeho laboratoř na základě stávajícího vývoje v úmyslu vytvořit lehké konformní průhledné brnění s charakteristikami více rázů a dosáhnout snížení hmotnosti o více než 20%, které poskytne ochranu před střelami pušky ráže 7, 62x39 mm.
DARPA také vyvíjí transparentní brnění Spinel s unikátními vlastnostmi. Tento materiál má vynikající víceúčelové vlastnosti, vysokou tvrdost a odolnost proti erozi, zvýšenou odolnost vůči vnějším faktorům; přenáší širší středovlnné infračervené záření, které zvyšuje možnosti zařízení pro noční vidění (schopnost vidět předměty za skleněnými plochami), a také váží polovinu hmotnosti tradičního neprůstřelného skla.
Tato aktivita je součástí programu DARPA Atoms to Product (A2P), který „vyvíjí technologie a procesy potřebné k montáži částic nanoměřítka (blízkých atomovým velikostem) do systémů, komponent nebo materiálů alespoň v milimetrovém měřítku“.
Podle vedoucího programu A2P v DARPA Johna Maineho dosáhla agentura za posledních osm let snížení tloušťky základního průhledného pancíře z přibližně 18 cm na 6 cm při zachování jeho pevnostních charakteristik. Skládá se z mnoha různých vrstev, „ne všechny jsou keramické a ne všechny jsou plastové nebo skleněné“, které jsou přilepeny k podkladovému materiálu, aby se zabránilo praskání. „Měl bys to považovat za obranný systém, ne jako monolitický kus materiálu.“
Sklo Spinel bylo vyrobeno pro instalaci na prototypy nákladních vozidel americké armády FMTV (Family of Medium Tactical Vehicles) pro vyhodnocení Armored Research Center.
V rámci programu A2P udělila DARPA společnosti Voxtel, Oregonský institut pro nanomateriály a mikroelektroniku, kontrakt na výzkum ve výši 5,59 milionu dolarů na výzkum výrobních procesů, které sahají od nano po makro. Tento bionický projekt zahrnuje vývoj syntetického lepidla, které napodobuje schopnosti ještěrky gekona.
"Na chodidlech gekona jsou něco jako malé chloupky … asi 100 mikronů dlouhé, které se prudce větví." Na konci každé malé větve je malá nanoplata o velikosti asi 10 nanometrů. Při kontaktu se stěnou nebo stropem umožňují tyto desky gekonům přilnout ke zdi nebo stropu. “
Maine řekl, že výrobci nikdy nemohli replikovat tyto schopnosti, protože nemohli vytvářet rozvětvené nanostruktury.
"Voxtel vyvíjí výrobní technologie, které replikují tuto biologickou strukturu a zachycují tyto biologické vlastnosti." Využívá uhlíkové nanotrubice opravdu novým způsobem, umožňuje vám vytvářet složité 3D struktury a používat je velmi originálním způsobem, ne nutně jako struktury, ale jinými, vynalézavějšími způsoby. “
Voxtel chce vyvinout pokročilé aditivní výrobní techniky, které budou produkovat „materiály, které jsou samy sestaveny do funkčně celých bloků, poté sestaveny do složitých heterogenních systémů“. Tyto techniky budou založeny na simulaci jednoduchých genetických kódů a obecných chemických reakcí nacházejících se v přírodě, které umožňují molekulám, aby se samy shromáždily z atomové úrovně do velkých struktur schopných zásobovat se energií.
"Chceme vyvinout pokročilé opakovaně použitelné lepidlo." Chtěli bychom získat materiál s vlastnostmi epoxidového lepidla, ale bez jeho jednorázovosti a povrchové kontaminace, - řekl Main. "Krása materiálu ve stylu gekona spočívá v tom, že nezanechává žádné zbytky a funguje okamžitě."
Mezi další rychle se rozvíjející pokročilé materiály patří ultratenké materiály, jako jsou grafenové a uhlíkové nanotrubičky, které mají strukturální, tepelné, elektrické a optické vlastnosti, které způsobí revoluci v dnešním bojovém prostoru.
Grafen
Zatímco uhlíkové nanotrubičky mají dobrý potenciál pro aplikace v elektronických a maskovacích systémech, stejně jako v biomedicínském poli, grafen je „zajímavější, protože nabízí alespoň na papíře více možností,“řekl Giuseppe Dakvino, mluvčí evropské obrany. Agentura (EOA).
Graphene je ultratenký nanomateriál tvořený vrstvou atomů uhlíku o tloušťce jednoho atomu. Lehký a odolný grafen má rekordně vysokou tepelnou a elektrickou vodivost. Obranný průmysl pečlivě studuje možnost využití grafenu v aplikacích, které vyžadují jeho pevnost, pružnost a odolnost vůči vysokým teplotám, například v bojových misích prováděných v extrémních podmínkách.
Dakvino řekl, že grafen „je, alespoň teoreticky, materiálem budoucnosti. Důvodem, proč je nyní tolik zajímavých debat, je to, že po tolika letech výzkumu v civilním sektoru se ukázalo, že ve skutečnosti změní bojové scénáře. “
"Chcete -li uvést jen několik možností: flexibilní elektronika, energetické systémy, balistická ochrana, kamufláž, filtry / membrány, materiály s vysokým odvodem tepla, biomedicínské aplikace a senzory." To jsou ve skutečnosti hlavní technologické směry. “
V prosinci 2017 zahájil EAO roční studii možných slibných vojenských aplikací grafenu a jeho dopadu na evropský obranný průmysl. V čele této práce stála Španělská nadace pro technický výzkum a inovace, se kterou University of Cartagena a britská společnost Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. V květnu 2018 se konal seminář vědců a odborníků na grafen, kde byl stanoven plán jeho využití v obranném sektoru.
Podle EOA „mezi materiály, které mají potenciál v příštím desetiletí znamenat revoluci v obranných schopnostech, je grafen na prvním místě. Je lehký, pružný, 200krát silnější než ocel a jeho elektrická vodivost je neuvěřitelná (lepší než křemík), stejně jako tepelná vodivost."
EOA rovněž poznamenala, že grafen má pozoruhodné vlastnosti v oblasti „správy podpisů“. To znamená, že z něj lze vyrábět „radioabsorpční povlaky, které z vojenských vozidel, letadel, ponorek a povrchových lodí udělají téměř nezjistitelné objekty“. To vše dělá z grafenu mimořádně atraktivní materiál nejen pro civilní průmysl, ale také pro vojenské aplikace, pozemní, vzdušný a námořní. “
Za tímto účelem americká armáda studuje používání grafenu pro vozidla a ochranný oděv. Podle inženýra Emila Sandoz-Rosada z americké armádní vojenské výzkumné laboratoře (ARL) má tento materiál vynikající mechanické vlastnosti, jedna atomová vrstva grafenu je 10krát tužší a více než 30krát silnější než stejná vrstva komerčního balistického vlákna. "Strop grafenu je velmi vysoký." To je jeden z důvodů, proč o něj projevilo zájem několik pracovních skupin v ARL, protože jeho designové vlastnosti jsou z hlediska rezervace velmi slibné.
Existují však také poměrně velké potíže. Jedním z nich je škálování materiálu; armáda potřebuje ochranný materiál, který dokáže zakrýt tanky, vozidla a vojáky. "Potřebujeme mnohem víc." Obecně mluvíme o milionu a více vrstvách, které v tuto chvíli potřebujeme “.
Sandoz-Rosado uvedl, že grafen lze vyrábět jedním nebo dvěma způsoby, a to buď loupacím procesem, kdy se vysoce kvalitní grafit odděluje do samostatných atomových vrstev, nebo pěstováním jedné atomové vrstvy grafenu na měděné fólii. Tento proces dobře zavedly laboratoře vyrábějící vysoce kvalitní grafen. "Není to úplně dokonalé, ale je to docela blízko." Dnes je však čas mluvit o více než jedné atomové vrstvě, potřebujeme plnohodnotný produkt “. V důsledku toho byl nedávno zahájen program pro rozvoj kontinuálních procesů výroby grafenu v průmyslovém měřítku.
"Ať už jde o uhlíkové nanotrubice nebo grafen, musíte vzít v úvahu specifické požadavky, které musí být splněny," varoval Dakvino s tím, že formální popis charakteristik nových pokročilých materiálů, standardizace přesných postupů pro vytváření nových materiálů, reprodukovatelnost těchto procesů, vyrobitelnost celého řetězce (od základního výzkumu po výrobu demonstrace a prototypů) vyžadují pečlivé studium a zdůvodnění, pokud jde o používání průlomových materiálů, jako jsou grafen a uhlíkové nanotrubičky, na vojenských platformách.
"Nejde jen o výzkum, protože koneckonců si musíte být jisti, že určitý materiál je oficiálně popsán, a pak si musíte být jisti, že může být vyroben v určitém procesu."Není to tak snadné, protože výrobní proces se může měnit, kvalita vyráběného produktu se může lišit v závislosti na procesu, takže se proces musí několikrát opakovat. “
Podle společnosti Sandoz-Rosado spolupracovala společnost ARL s výrobci grafenu na posouzení třídy kvality produktu a jeho škálovatelnosti. I když zatím není jasné, zda kontinuální procesy, které jsou na začátku jejich formování, mají obchodní model, odpovídající kapacitu a zda dokážou zajistit požadovanou kvalitu.
Dakvino poznamenal, že pokroky v počítačovém modelování a kvantové výpočetní technice by mohly urychlit výzkum a vývoj, stejně jako vývoj metod pro výrobu pokročilých materiálů v blízké budoucnosti. "S počítačem podporovaným designem a modelováním materiálů lze modelovat mnoho věcí: lze modelovat vlastnosti materiálu a dokonce i výrobní procesy." Můžete dokonce vytvořit virtuální realitu, kde se v podstatě můžete podívat na různé fáze vytváření materiálu. “
Dakwino také řekl, že pokročilé počítačové modelování a techniky virtuální reality poskytují výhodu tím, že vytvářejí „integrovaný systém, kde můžete simulovat konkrétní materiál a zjistit, zda lze tento materiál použít v konkrétním prostředí“. Kvantová výpočetní technika by zde mohla radikálně změnit stav věcí.
"V budoucnosti vidím ještě větší zájem o nové způsoby výroby, nové způsoby vytváření nových materiálů a nové výrobní procesy prostřednictvím počítačové simulace, protože obrovský výpočetní výkon lze potenciálně získat pouze pomocí kvantových počítačů."
Podle Dakwina jsou některé aplikace grafenu technologicky pokročilejší, jiné méně. Například keramické kompozity na bázi matrice lze zlepšit integrací grafenových desek, které zpevňují materiál a zvyšují jeho mechanickou odolnost a zároveň snižují jeho hmotnost. "Pokud mluvíme například o kompozitech," pokračoval Dakvino, "nebo obecněji o materiálech vyztužených přidáním grafenu, pak získáme skutečné materiály a skutečné procesy jejich hromadné výroby, pokud ne zítra, ale možná v příštích pěti letech “.
"Proto je grafen pro systémy balistické ochrany tak zajímavý." Ne proto, že grafen lze použít jako brnění. Ale pokud použijete ve výzbroji grafen jako výztužný materiál, pak může být silnější než dokonce kevlar. “
Prioritní oblasti, například autonomní systémy a senzory, stejně jako vysoce rizikové vojenské oblasti, jako je podvodní, vesmírná a kybernetická, závisí především na nových pokročilých materiálech a rozhraní nano- a mikrotechnologie s biotechnologiemi, „utajením“materiály, reaktivní materiály a systémy pro výrobu a skladování energie.
Metamateriály a nanotechnologie, jako jsou grafen a uhlíkové nanotrubičky, dnes procházejí rychlým vývojem. V těchto nových technologiích armáda hledá nové příležitosti, zkoumá své aplikace a potenciální bariéry, protože je nucena vyvážit rovnováhu mezi potřebami moderního bojiště a dlouhodobými cíli výzkumu.
