Möjligheten att skapa ett material med en negativ brytningsvinkel förutspåddes redan 1967 av den sovjetiska fysikern Viktor Veselago, men först nu visas de första proverna av verkliga strukturer med sådana egenskaper. På grund av den negativa brytningsvinkeln böjer ljusstrålarna runt objektet, vilket gör det osynligt. Således märker observatören bara vad som händer bakom personen som bär den "underbara" kappan.
För att få ett försprång på slagfältet vänder moderna militära styrkor sig till potentiellt störande funktioner som avancerad karosseri och fordonsrustning och nanoteknik. innovativ kamouflage, nya elektriska apparater, superackumulatorer och "intelligent" eller reaktivt skydd av plattformar och personal. Militära system blir mer komplexa, nya avancerade multifunktionella material och dubbla användningsområden utvecklas och tillverkas, och miniatyriseringen av kraftig och flexibel elektronik sker med stormsteg.
Exempel inkluderar lovande självläkande material, avancerade kompositmaterial, funktionell keramik, elektrokromiska material,”cyber-shielding” -material som reagerar på elektromagnetisk störning. De förväntas bli ryggraden i störande teknik som oåterkalleligt kommer att förändra slagfältet och arten av framtida fientligheter.
Nästa generations avancerade material, såsom metamaterial, grafen och kolnanorör, genererar stort intresse och investeringar eftersom de har egenskaper och funktioner som inte finns i naturen och är lämpliga för försvarsapplikationer och uppgifter som utförs i extrema eller fientliga utrymmen. Nanoteknik använder material i nanometer (10-9) för att kunna modifiera strukturer på atom- och molekylnivå och skapa olika vävnader, anordningar eller system. Dessa material är ett mycket lovande område och kan i framtiden ha en allvarlig inverkan på stridseffektiviteten.
Metamaterial
Innan vi fortsätter, låt oss definiera metamaterial. Metamaterial är ett sammansatt material, vars egenskaper inte så mycket bestäms av egenskaperna hos dess beståndsdelar som av en artificiellt skapad periodisk struktur. De är konstgjorda och speciellt strukturerade medier med elektromagnetiska eller akustiska egenskaper som är tekniskt svåra att uppnå, eller som inte finns i naturen.
Kymeta Corporation, ett dotterbolag till Intellectual Ventures, gick in på försvarsmarknaden 2016 med mTenna metamaterialantenn. Enligt direktören för företaget Nathan Kundz väger en bärbar antenn i form av en sändtagarantenn cirka 18 kg och förbrukar 10 watt. Utrustning för metamaterialantenner är ungefär lika stor som en bok eller en netbook, har inga rörliga delar och tillverkas på samma sätt som LCD -skärmar eller smartphone -skärmar med TFT -teknik.
Metamaterial består av mikrovågor med subvåglängd, det vill säga strukturer vars dimensioner är mindre än våglängden för strålningen de måste kontrollera. Dessa strukturer kan tillverkas av icke-magnetiska material som koppar och etsas på ett glasfiber PCB-underlag.
Metamaterial kan skapas för att interagera med huvudkomponenterna i elektromagnetiska vågor - dielektrisk konstant och magnetisk permeabilitet. Enligt Pablos Holman, en uppfinnare på Intellectual Ventures, kan antenner som skapats med hjälp av metamaterialteknik så småningom ersätta celltorn, fasta telefonlinjer och koaxial- och fiberoptiska kablar.
Traditionella antenner är inställda för att fånga upp kontrollerad energi med en specifik våglängd, vilket väcker elektroner i antennen för att generera elektriska strömmar. I sin tur kan dessa kodade signaler tolkas som information.
Moderna antennsystem är besvärliga eftersom olika frekvenser kräver en annan typ av antenn. För antenner gjorda av metamaterial tillåter ytskiktet att ändra böjningsriktningen för elektromagnetiska vågor. Metamaterial visar både negativa dielektriska och negativa magnetiska permeabiliteter och har därför ett negativt brytningsindex. Detta negativa brytningsindex, som inte finns i något naturmaterial, bestämmer förändringen i elektromagnetiska vågor när man passerar gränsen för två olika medier. Således kan mottagaren av en metamaterialantenn justeras elektroniskt för att ta emot olika frekvenser, vilket gör det möjligt för utvecklare att uppnå bredband och minska antennelementens storlek.
Metamaterialen inuti sådana antenner samlas i en platt matris av tätt packade enskilda celler (mycket lik placering av pixlar på en TV -skärm) med en annan platt matris av parallella rektangulära vågledare, samt en modul som styr vågutsläpp genom programvara och låter antennen bestämma strålningsriktningen.
Holman förklarade att det enklaste sättet att förstå fördelarna med metamaterialantenner är att titta närmare på antennens fysiska öppningar och tillförlitligheten hos internetanslutningar på fartyg, flygplan, drönare och andra rörliga system.
"Varje ny kommunikationssatellit som lanserades i omloppsbana nuförtiden", fortsatte Holman, "har mer kapacitet än satellitbilden för bara några år sedan. Vi har en enorm potential för trådlös kommunikation i dessa satellitnät, men det enda sättet att kommunicera med dem är att ta en parabolantenn, som är stor, tung och dyr att installera och underhålla. Med en antenn baserad på metamaterial kan vi göra en platt panel som kan styra strålen och rikta direkt mot satelliten.
"Femtio procent av tiden är den fysiskt styrbara antennen inte satellitorienterad och du är effektivt offline", säger Holman. "Därför kan en metamaterialantenn vara särskilt användbar i maritimt sammanhang, eftersom maträtten är fysiskt kontrollerad för att rikta den till satelliten, eftersom fartyget ofta ändrar kurs och ständigt svajar på vågorna."
Bionik
Utvecklingen av nya material går också mot skapandet av flexibla multifunktionella system med komplexa former. Här spelas en viktig roll av tillämpad vetenskap om tillämpningen av principer för organisation, egenskaper, funktioner och strukturer för levande natur i tekniska anordningar och system. Bionik (i västlitteraturen biomimetik) hjälper en person att skapa originella tekniska system och tekniska processer baserade på idéer som finns och lånas från naturen.
US Navy's Submarine Warfare Research Center testar en autonom gruvsökningsapparat (APU) som använder bioniska principer. imitera rörelserna i det marina livet. Rakkniv är 3 meter lång och kan bäras av två personer. Dess elektronik samordnar arbetet med fyra flaxande vingar och två akterpropeller. De flaxande rörelserna imiterar vissa djurs rörelser, som fåglar och sköldpaddor. Detta gör att APU kan sväva, utföra exakt manöver vid låga hastigheter och nå höga hastigheter. Denna manövrerbarhet gör det också möjligt för rakhyveln att enkelt flytta sig själv och flyta runt objekt för 3D -avbildning.
US Navy Research Agency finansierar Pliant Energy Systems utveckling av en prototyp för den valfria autonoma Velox-dränkaren, som ersätter propellrar med ett system med multistabila, olinjära, pappersliknande fenor som genererar repetitiva rampliknande böljande rörelser. Enheten omvandlar rörelserna av elektroaktiva, vågiga, flexibla polymerfenor med en plan hyperbolisk geometri till translationell rörelse, som rör sig fritt under vatten, i vågorna i surfen, i sanden, över havet och markbunden vegetation, på hala stenar eller is.
Enligt en talesman för Pliant Energy Systems förhindrar den böljande framåtrörelsen att trassla ihop sig i tät vegetation, eftersom det inte finns några roterande delar, samtidigt som skador på växter och sediment minimeras. Lågbrusbåten, som drivs av ett litiumjonbatteri, kan förbättra sin flytkraft för att behålla sin position under isen, medan den kan fjärrstyras. Dess huvudsakliga uppgifter är: kommunikation, inklusive GPS, WiFi, radio eller satellitkanaler; insamling av information och information; Sök och rädda; och skanning och identifiering av min.
Utvecklingen av nanoteknik och mikrostrukturer är också mycket viktig inom bionisk teknik, vars inspiration hämtas från naturen för att simulera fysiska processer eller optimera produktionen av nya material.
US Navy Research Laboratory utvecklar en genomskinlig polymersköld som har en skiktad mikrostruktur som liknar chitinous skal av kräftdjur, men tillverkad av plastmaterial. Detta gör att materialet förblir överensstämmande över ett brett intervall av temperaturer och belastningar, vilket gör att det kan användas för att skydda personal, stationära plattformar, fordon och flygplan.
Enligt Yas Sanghera, chef för optiska material och enheter i detta laboratorium, är skyddet på marknaden vanligtvis tillverkat av tre plasttyper och tål inte hundra procent en 9-mm-kula som skjuts från 1-2 meter och flyger från hastighet 335 m / s.
Genomskinlig rustning som utvecklats av detta laboratorium tillåter en 40% minskning av massan samtidigt som den upprätthåller ballistisk integritet och absorberar 68% mer kulenergi. Sanghera förklarade att rustningen kan vara perfekt för flera militära applikationer, till exempel gruvskyddade fordon, amfibiska pansarfordon, leveransfordon och flygplans cockpitfönster.
Enligt Sanghera har hans laboratorium för avsikt att, baserat på befintliga utvecklingar, skapa en lättformad transparent pansar med multi-impact egenskaper och uppnå en viktminskning med mer än 20%, vilket ger skydd mot gevärskulor av kaliber 7, 62x39 mm.
DARPA utvecklar också transparent Spinel rustning med unika egenskaper. Detta material har utmärkta multi-impact egenskaper, hög hårdhet och erosionsbeständighet, ökat motstånd mot yttre faktorer; den sänder bredare mellanvågig infraröd strålning, vilket ökar möjligheterna för mörkerseende (förmågan att se föremål bakom glasytor), och väger också halva vikten av traditionellt skottsäkert glas.
Denna aktivitet är en del av DARPA: s Atoms to Product (A2P) -program, som "utvecklar den teknik och processer som krävs för att montera nanoskala partiklar (nära atomstorlekar) till system, komponenter eller material åtminstone i millimeterskala."
Under de senaste åtta åren har byrån uppnått en minskning av tjockleken på den grundläggande genomskinliga rustningen från cirka 18 cm till 6 cm, samtidigt som den behåller sina styrkaegenskaper, enligt chefen för A2P -programmet vid DARPA, John Maine. Den består av många olika lager, "inte alla av dem keramiska och inte alla av plast eller glas", som fästs på underlaget för att förhindra sprickbildning. "Du bör se det som ett försvarssystem, inte som ett monolitiskt material."
Spinelglas tillverkades för installation på prototyper av American Army FMTV (Family of Medium Tactical Vehicles) lastbilar för utvärdering av Armored Research Center.
Under A2P -programmet tilldelade DARPA Voxtel, ett Oregon Institute for Nanomaterials and Microelectronics, ett kontrakt på 5,59 miljoner dollar för forskning av tillverkningsprocesser som går från nano till makro. Detta bioniska projekt involverar utvecklingen av ett syntetiskt lim som efterliknar geckoödlans kapacitet.
”På geckosulorna finns det något som små hårstrån … cirka 100 mikron långa, som förgrenar sig våldsamt. I slutet av varje liten gren finns en liten nanoplatta med en storlek på cirka 10 nanometer. När de kommer i kontakt med en vägg eller ett tak, tillåter dessa plattor att geckot fäster vid väggen eller taket."
Maine sa att tillverkarna aldrig kunde replikera dessa funktioner eftersom de inte kunde skapa förgrenade nanostrukturer.
”Voxtel utvecklar produktionsteknik som replikerar denna biologiska struktur och fångar dessa biologiska egenskaper. Det använder kolnanorör på ett riktigt nytt sätt, det låter dig skapa komplexa 3D -strukturer och använda dem på mycket originella sätt, inte nödvändigtvis som strukturer, utan på andra, mer uppfinningsrika sätt."
Voxtel vill utveckla avancerade additiva tillverkningstekniker som kommer att producera "material som själva monteras i funktionellt kompletta block och sedan monteras i komplexa heterogena system." Dessa tekniker kommer att baseras på simulering av enkla genetiska koder och allmänna kemiska reaktioner som finns i naturen, vilket gör att molekyler kan samlas från atomnivå till stora strukturer som kan förse sig med energi.
”Vi vill utveckla ett avancerat återanvändbart lim. Vi skulle vilja få ett material med egenskaperna hos ett epoxilim, men utan dess engångsförmåga och ytförorening, - sa Main. "Det fina med ett material i geckostil är att det inte lämnar några rester och fungerar direkt."
Andra snabbt avancerade avancerade material inkluderar ultratunna material som grafen och kolnanorör, som har strukturella, termiska, elektriska och optiska egenskaper som kommer att revolutionera dagens stridsutrymme.
Grafen
Medan kolnanorör har god potential för tillämpningar i elektroniska system och kamouflagesystem, såväl som inom det biomedicinska området, är grafen "mer intressant eftersom det, åtminstone på papper, ger fler möjligheter", säger Giuseppe Dakvino, talesman för European Defense Byrå (EOA).
Grafen är ett ultratunt nanomaterial som bildas av ett lager kolatomer med en atom tjock. Lätt och hållbart grafen har rekordhög värme- och elektrisk konduktivitet. Försvarsindustrin studerar noggrant möjligheten att använda grafen i applikationer som kräver dess styrka, flexibilitet och motståndskraft mot höga temperaturer, till exempel i stridsuppdrag som utförs under extrema förhållanden.
Dakvino sa att grafen”åtminstone i teorin är framtidens material. Anledningen till att det finns så mycket intressant debatt nu är att efter så många års forskning inom den civila sektorn har det blivit klart att det faktiskt kommer att förändra stridscenarier.”
”För att bara lista några av möjligheterna: flexibel elektronik, kraftsystem, ballistiskt skydd, kamouflage, filter / membran, material med hög värmeavledning, biomedicinska tillämpningar och sensorer. Det här är i själva verket de viktigaste tekniska riktningarna."
I december 2017 inledde EAO en årslång studie av möjliga lovande militära tillämpningar av grafen och dess inverkan på den europeiska försvarsindustrin. Detta arbete leddes av den spanska stiftelsen för teknisk forskning och innovation, med vilken University of Cartagena och det brittiska företaget Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. I maj 2018 hölls ett seminarium för forskare och experter på grafen, där en färdplan för dess användning inom försvarssektorn fastställdes.
Enligt EOA,”Bland de material som har potential att revolutionera försvarsförmågan under det kommande decenniet är grafen högt på listan. Lätt, flexibel, 200 gånger starkare än stål, och dess elektriska konduktivitet är otrolig (bättre än kisel), liksom värmeledningsförmågan."
EOA noterade också att grafen har anmärkningsvärda egenskaper inom området "signaturhantering". Det vill säga att den kan användas för att producera "radioabsorberande beläggningar, som kommer att göra militära fordon, flygplan, ubåtar och ytfartyg till nästan odetekterbara föremål." Allt detta gör grafen till ett extremt attraktivt material, inte bara för den civila industrin utan också för militära tillämpningar, land, luft och hav."
För detta ändamål studerar den amerikanska militären användningen av grafen för fordon och skyddskläder. Enligt ingenjören Emil Sandoz-Rosado från US Army Military Research Laboratory (ARL) har detta material utmärkta mekaniska egenskaper, ett atomlager av grafen är 10 gånger styvare och mer än 30 gånger starkare än samma lager av kommersiell ballistisk fiber.”Taket för grafen är mycket högt. Detta är en av anledningarna till att flera arbetsgrupper i ARL har visat intresse för det, eftersom dess designegenskaper är mycket lovande vad gäller bokning.
Men det finns också ganska stora svårigheter. En av dem är att skala materialet; armén behöver skyddsmaterial som kan täcka stridsvagnar, fordon och soldater.”Vi behöver mycket mer. I allmänhet talar vi om ungefär en miljon eller fler lager som vi behöver för tillfället”.
Sandoz-Rosado sa att grafen kan produceras på ett eller två sätt, antingen genom en skalningsprocess där grafit av hög kvalitet separeras i separata atomlager, eller genom att odla ett enda atomlager av grafen på kopparfolie. Denna process är väl etablerad av laboratorier som producerar grafen av hög kvalitet.”Det är inte helt perfekt, men det är ganska nära det. Men idag är det dags att prata om mer än ett atomskikt, vi behöver en fullvärdig produkt”. Som en konsekvens har ett program nyligen lanserats för att utveckla kontinuerliga grafenproduktionsprocesser i industriell skala.
"Oavsett om det är kolnanorör eller grafen, måste du ta hänsyn till de specifika kraven som måste uppfyllas," varnade Dakvino och noterade att den formella beskrivningen av egenskaperna hos nya avancerade material, standardiseringen av de exakta processerna för att skapa nya material, reproducerbarheten av dessa processer, hela kedjans tillverkbarhet (från grundforskning till produktion av demonstrationer och prototyper) kräver noggrann undersökning och motivering när det gäller användning av genombrottsmaterial som grafen och kolnanorör i militära plattformar.
”Det här är inte bara forskning, för trots allt måste du vara säker på att ett visst material officiellt beskrivs och sedan måste du vara säker på att det kan produceras i en viss process. Det är inte så lätt, eftersom tillverkningsprocessen kan förändras, kvaliteten på den producerade produkten kan variera beroende på processen, så processen måste upprepas flera gånger."
Enligt Sandoz-Rosado arbetade ARL med grafentillverkare för att bedöma produktens kvalitetsklass och dess skalbarhet. Även om det ännu inte är klart om kontinuerliga processer, som är i början av bildandet, har en affärsmodell, lämplig kapacitet och om de kan ge den kvalitet som krävs.
Dakvino noterade att framsteg inom datormodellering och kvantberäkning kan påskynda forskning och utveckling, liksom utvecklingen av metoder för framställning av avancerat material inom en snar framtid.”Med datorstödd design och materialmodellering kan många saker modelleras: materialegenskaper och till och med tillverkningsprocesser kan modelleras. Du kan till och med skapa virtuell verklighet, där du i princip kan titta på de olika stadierna för att skapa ett material."
Dakwino sa också att avancerad datormodellering och virtual reality -tekniker ger en fördel genom att skapa "ett integrerat system där du kan simulera ett visst material och se om det materialet kan tillämpas i en viss miljö." Kvantdatorer kan radikalt förändra situationen här.
"I framtiden ser jag ännu mer intresse för nya tillverkningssätt, nya sätt att skapa nya material och nya tillverkningsprocesser genom datasimulering, eftersom enorm datorkraft potentiellt bara kan uppnås genom att använda kvantdatorer."
Enligt Dakwino är vissa tillämpningar av grafen tekniskt mer avancerade, medan andra är mindre. Till exempel kan matrisbaserade keramiska kompositer förbättras genom att integrera grafenplattor som förstärker materialet och ökar dess mekaniska motstånd samtidigt som dess vikt minskar. "Om vi till exempel pratar om kompositer", fortsatte Dakvino, "eller, i de mest allmänna termerna, om material som förstärks genom att lägga till grafen, så får vi riktiga material och verkliga processer för deras massproduktion, om inte i morgon, men kanske under de närmaste fem åren”.
”Det är därför grafen är så intressant för ballistiska skyddssystem. Inte för att grafen kan användas som rustning. Men om du använder grafen i din rustning som ett förstärkande material, kan det bli starkare än till och med Kevlar."
Prioriterade områden, till exempel autonoma system och sensorer, samt militära högriskområden, till exempel undervatten, rymd och cybernetik, beror framför allt på nya avancerade material och gränssnittet mellan nano- och mikroteknik med bioteknik, "stealth" material, reaktiva material och energiproduktions- och lagringssystem.
Metamaterial och nanoteknik som grafen och kolnanorör genomgår en snabb utveckling idag. I denna nya teknik letar militären efter nya möjligheter, utforskar deras tillämpningar och potentiella hinder, eftersom de tvingas balansera mellan behoven på det moderna slagfältet och långsiktiga forskningsmål.
