Die moontlikheid om 'n materiaal met 'n negatiewe brekingshoek te skep, is in 1967 deur die Sowjet -fisikus Viktor Veselago voorspel, maar eers nou verskyn die eerste voorbeelde van werklike strukture met sulke eienskappe. As gevolg van die negatiewe brekingshoek buig die ligstrale om die voorwerp, wat dit onsigbaar maak. Die waarnemer sien dus slegs agter wat agter die rug van die persoon wat die 'wonderlike' mantel dra, gebeur.
Om 'n voorsprong op die slagveld te kry, wend moderne militêre magte hulle tot moontlik ontwrigtende vermoëns, soos gevorderde lyfwapens en voertuigwapens, en nanotegnologie. innoverende kamoeflering, nuwe elektriese toestelle, superakkumulatore en 'intelligente' of reaktiewe beskerming van platforms en personeel. Militêre stelsels word meer kompleks, nuwe gevorderde multifunksionele en dubbele gebruik materiaal word ontwikkel en vervaardig, en die miniatuur van swaar en buigsame elektronika vind met rasse skrede plaas.
Voorbeelde hiervan is belowende selfgenesende materiale, gevorderde saamgestelde materiale, funksionele keramiek, elektrochromiese materiale, "kuberafskerming" -materiaal wat reageer op elektromagnetiese interferensie. Daar word verwag dat hulle die ruggraat sal wees van ontwrigtende tegnologieë wat die slagveld en die aard van toekomstige vyandelikhede onherroeplik sal verander.
Die volgende generasie gevorderde materiale, soos metamateriaal, grafeen en koolstof-nanobuise, genereer groot belangstelling en belegging omdat dit eienskappe en funksies het wat nie in die natuur voorkom nie en geskik is vir verdedigingstoepassings en take wat in uiterste of vyandige ruimtes uitgevoer word. Nanotegnologie gebruik materiale op nanometer-skaal (10-9) om strukture op atoom- en molekulêre vlak te kan verander en verskillende weefsels, toestelle of stelsels te kan skep. Hierdie materiaal is 'n baie belowende gebied en kan in die toekoms 'n ernstige impak hê op die doeltreffendheid van die geveg.
Metamateriaal
Voordat ons verder gaan, laat ons metamateriaal definieer. Metamateriaal is 'n saamgestelde materiaal waarvan die eienskappe nie soseer bepaal word deur die eienskappe van die samestellende elemente as deur 'n kunsmatig geskep periodieke struktuur nie. Dit is kunsmatig gevormde en spesiaal gestruktureerde media met elektromagnetiese of akoestiese eienskappe wat tegnologies moeilik is om te bereik, of wat nie in die natuur voorkom nie.
Kymeta Corporation, 'n filiaal van Intellectual Ventures, betree die verdedigingsmark in 2016 met die mTenna metamateriaal antenna. Volgens die direkteur van die maatskappy Nathan Kundz weeg 'n draagbare antenna in die vorm van 'n transceiver -antenna ongeveer 18 kg en verbruik dit 10 watt. Toerusting vir metamateriaal -antennas is ongeveer die grootte van 'n boek of netbook, het geen bewegende onderdele nie en word op dieselfde manier vervaardig as LCD -monitors of slimfoonskerms met behulp van TFT -tegnologie.
Metamateriaal bestaan uit subgolflengte mikrostrukture, dit wil sê strukture waarvan die afmetings kleiner is as die golflengte van die straling wat hulle moet beheer. Hierdie strukture kan van nie-magnetiese materiale soos koper gemaak word en op 'n veselglas PCB substraat geëts word.
Metamateriaal kan geskep word om interaksie te hê met die hoofkomponente van elektromagnetiese golwe - diëlektriese konstante en magnetiese deurlaatbaarheid. Volgens Pablos Holman, 'n uitvinder van Intellectual Ventures, kan antennas wat met behulp van metamateriaal -tegnologie geskep is, uiteindelik sel torings, vaste telefoonlyne en koaksiale en veseloptiese kabels verdring.
Tradisionele antennas is ingestel om beheerde energie van 'n spesifieke golflengte te onderskep, wat elektrone in die antenna opgewonde maak om elektriese strome op te wek. Op sy beurt kan hierdie gekodeerde seine as inligting geïnterpreteer word.
Moderne antennasisteme is omslagtig omdat verskillende frekwensies 'n ander tipe antenna benodig. In die geval van antennas van metamateriaal, kan die oppervlaklaag die buigrigting van elektromagnetiese golwe verander. Metamateriaal toon negatiewe diëlektriese en negatiewe magnetiese deurlaatbaarheid en het dus 'n negatiewe brekingsindeks. Hierdie negatiewe brekingsindeks, wat nie in enige natuurlike materiaal voorkom nie, bepaal die verandering in elektromagnetiese golwe wanneer die grens van twee verskillende media oorgesteek word. So kan die ontvanger van 'n metamateriaal -antenna elektronies ingestel word om verskillende frekwensies te ontvang, wat dit vir ontwikkelaars moontlik maak om breëband te bereik en die grootte van antenna -elemente te verminder.
Die metamateriaal in sulke antennas word saamgevoeg in 'n plat matriks van dig verpakte individuele selle (baie soortgelyk aan die plasing van pixels op 'n TV -skerm) met 'n ander plat matriks van parallelle reghoekige golfgeleiers, sowel as 'n module wat die golfemissie deur sagteware beheer en laat die antenna die stralingsrigting bepaal.
Holman het verduidelik dat die maklikste manier om die meriete van metamateriaal -antennas te verstaan, die fisiese opening van die antenna en die betroubaarheid van internetverbindings op skepe, vliegtuie, hommeltuie en ander bewegende stelsels van nader beskou word.
'Elke nuwe kommunikasiesatelliet wat deesdae in 'n wentelbaan gelanseer word', het Holman voortgegaan, 'het meer kapasiteit as wat die konstellasie van satelliete net 'n paar jaar gelede gehad het. Ons het 'n groot potensiaal vir draadlose kommunikasie in hierdie satellietnetwerke, maar die enigste manier om met hulle te kommunikeer, is om 'n satellietskottel te neem, wat groot, swaar en duur is om te installeer en te onderhou. Met 'n antenna gebaseer op metamateriaal, kan ons 'n plat paneel maak wat die balk kan stuur en direk op die satelliet kan mik.
"Vyftig persent van die tyd is die fisies bestuurbare antenna nie satellietgerig nie en jy is effektief vanlyn," het Holman gesê. 'Daarom kan 'n metamateriaal -antenna veral nuttig wees in 'n maritieme konteks, omdat die skottel fisies beheer word om dit na die satelliet te stuur, aangesien die skip dikwels van koers verander en voortdurend op die golwe swaai.
Bionics
Die ontwikkeling van nuwe materiale beweeg ook na die skepping van buigsame multifunksionele stelsels met komplekse vorms. Hier speel die toegepaste wetenskap 'n belangrike rol oor die toepassing van die beginsels van organisasie, eienskappe, funksies en strukture van die lewende natuur in tegniese toestelle en stelsels. Bionika (in die Westerse literatuur biomimetika) help 'n persoon om oorspronklike tegniese stelsels en tegnologiese prosesse te skep wat gebaseer is op idees wat uit die natuur gevind en geleen is.
Die navorsingsentrum van die Amerikaanse vloot se duikbootoorlogvoering toets 'n outonome mynsoekapparaat (APU) wat gebruik maak van bioniese beginsels. die bewegings van die seelewe naboots. Die skeermes is 3 meter lank en kan deur twee mense gedra word. Die elektronika koördineer die werk van vier wapperende vlerke en twee agterste skroewe. Die flapbewegings boots die bewegings van sommige diere, soos voëls en skilpaaie, na. Dit stel die APU in staat om te sweef, presiese maneuver te voer teen lae snelhede en hoë snelhede te bereik. Hierdie manoeuvreerbaarheid stel die Razor ook in staat om homself maklik te herposisioneer en om voorwerpe te dryf vir 3D -beeldvorming.
Die US Navy Research Agency finansier Pliant Energy Systems se ontwikkeling van 'n prototipe vir die opsioneel outonome Velox-dompelpomp, wat propellers vervang met 'n stelsel van meerstabiele, nie-lineêre, papieragtige vinne wat herhalende opritagtige golwende bewegings genereer. Die toestel omskep die bewegings van elektroaktiewe, golwende, buigsame polimeervinne met 'n vlak hiperboliese meetkunde in translasiebeweging, wat vrylik onder water beweeg, in die golwe van die branders, in die sand, oor see en landplantegroei, op gladde rotse of ys.
Volgens 'n woordvoerder van Pliant Energy Systems, voorkom die golwende voorwaartse beweging verstrengeling in digte plantegroei, aangesien daar geen roterende dele is nie, terwyl dit skade aan plante en sediment tot 'n minimum beperk. Die vaartuie met 'n lae geraas, aangedryf deur 'n litium-ioonbattery, kan sy dryfvermoë verbeter om sy posisie onder die ys te behou, terwyl dit op afstand beheer kan word. Die hooftake daarvan is: kommunikasie, insluitend GPS-, WiFi-, radio- of satellietkanale; intelligensie- en inligtingsversameling; soek en redding; en skandering en identifisering van min.
Die ontwikkeling van nanotegnologie en mikrostrukture is ook baie belangrik in bioniese tegnologieë, waarvan die inspirasie uit die natuur geneem word om fisiese prosesse te simuleer of die produksie van nuwe materiale te optimaliseer.
Die US Navy Research Laboratory ontwikkel 'n deursigtige polimeerskerm met 'n gelaagde mikrostruktuur soortgelyk aan die chitineuse dop van skaaldiere, maar gemaak van plastiekmateriaal. Dit stel die materiaal in staat om oor 'n wye reeks temperature en vragte conform te bly, wat dit moontlik maak om personeel, stilstaande platforms, voertuie en vliegtuie te beskerm.
Volgens Yas Sanghera, hoof van optiese materiale en toestelle in hierdie laboratorium, bestaan die beskerming op die mark gewoonlik uit drie soorte plastiek en kan dit nie honderd persent weerstaan teen 'n 9 mm-koeël wat van 1-2 meter afgevuur word en teen spoed vlieg nie 335 m / s.
Deurskynende wapenrusting wat deur hierdie laboratorium ontwikkel is, laat 'n 40% -vermindering in massa toe, terwyl ballistiese integriteit behoue bly en 68% meer koeëlenergie absorbeer. Sanghera het verduidelik dat die pantser perfek kan wees vir verskeie militêre toepassings, soos mynbeskermde voertuie, amfibiese pantservoertuie, voorraadvoertuie en vliegtuie se kajuitvensters.
Volgens Sanghera beoog sy laboratorium, gebaseer op bestaande ontwikkelings, om 'n ligte, deursigtige wapenrusting met multi-impakkenmerke te skep en 'n gewigsvermindering van meer as 20%te behaal, wat beskerming bied teen geweerkoeëls van kaliber 7, 62x39 mm.
DARPA ontwikkel ook deursigtige Spinel -pantsers met unieke eienskappe. Hierdie materiaal het uitstekende multi-impak eienskappe, hoë hardheid en erosie weerstand, verhoogde weerstand teen eksterne faktore; Dit stuur breër mediumgolf infrarooi straling uit, wat die vermoëns van nagvis toestelle (die vermoë om voorwerpe agter glasoppervlakke te sien) verhoog, en ook die helfte van die gewig van tradisionele koeëlvaste glas weeg.
Hierdie aktiwiteit is deel van DARPA se Atoms to Product (A2P) -program, wat "die tegnologieë en prosesse ontwikkel wat nodig is om nanoskaaldeeltjies (naby atomiese groottes) in stelsels, komponente of materiale te samel, ten minste op 'n millimeter skaal."
Volgens die hoof van die A2P -program by DARPA, John Maine, het die agentskap die afgelope agt jaar 'n afname in die dikte van die basiese deurskynende wapenrusting van ongeveer 18 cm tot 6 cm behaal, met behoud van sy sterkte -eienskappe. Dit bestaan uit baie verskillende lae, “nie almal keramiek nie en nie almal plastiek of glas nie”, wat aan die agterkantmateriaal geheg is om krake te voorkom. 'U moet dit as 'n verdedigingstelsel beskou, nie as 'n monolitiese materiaal nie.'
Spinelglas is vervaardig vir installasie op prototipes van die Amerikaanse weermag FMTV (Family of Medium Tactical Vehicles) vragmotors vir evaluering deur die gepantserde navorsingsentrum.
Onder die A2P -program het DARPA Voxtel, 'n Oregon Institute for Nanomaterials and Microelectronics, 'n kontrak van $ 5,59 miljoen toegeken om produksieprosesse te ondersoek wat van nano tot makro skaal. Hierdie bioniese projek behels die ontwikkeling van 'n sintetiese gom wat die vermoëns van die gekko -akkedis naboots.
'Op die sole van die gekko is daar iets soos klein haartjies … ongeveer 100 mikron lank, wat gewelddadig vertak. Aan die einde van elke klein tak is 'n klein nanoplaat van ongeveer 10 nanometer groot. As dit in aanraking kom met 'n muur of plafon, laat hierdie plate die gekko aan die muur of plafon vasmaak."
Maine het gesê dat vervaardigers hierdie vermoëns nooit kan herhaal nie omdat hulle nie vertakkende nanostrukture kan skep nie.
“Voxtel ontwikkel produksietegnologieë wat hierdie biologiese struktuur herhaal en hierdie biologiese eienskappe vasvang. Dit gebruik koolstof -nanobuisies op 'n baie nuwe manier; dit stel u in staat om komplekse 3D -strukture te skep en op baie oorspronklike maniere te gebruik, nie noodwendig as strukture nie, maar op ander, meer vindingryke maniere."
Voxtel wil gevorderde addisionele vervaardigingstegnieke ontwikkel wat 'materiaal vervaardig wat self in funksioneel volledige blokke saamgevoeg word en dan in komplekse heterogene stelsels saamgevoeg word'. Hierdie tegnieke sal gebaseer wees op die simulasie van eenvoudige genetiese kodes en algemene chemiese reaksies wat in die natuur voorkom, wat molekules in staat stel om self van atoomvlak bymekaar te kom in groot strukture wat hulself kan voorsien van energie.
'Ons wil 'n gevorderde herbruikbare kleefstof ontwikkel. Ons wil graag 'n materiaal kry met die eienskappe van 'n epoxy gom, maar sonder die besteebareheid en oppervlaktebesmetting, - het Main gesê. "Die skoonheid van 'n gekko-styl materiaal is dat dit geen spore agterlaat nie en onmiddellik werk."
Ander vinnig gevorderde gevorderde materiale sluit in ultra-dun materiale soos grafeen en koolstof nanobuisies, wat strukturele, termiese, elektriese en optiese eienskappe het wat die huidige gevegsruimte gaan verander.
Grafeen
Alhoewel koolstof -nanobuise 'n goeie potensiaal het vir toepassings in elektroniese en kamoefleringstelsels, sowel as in die biomediese veld, is grafeen 'meer interessant omdat dit ten minste op papier meer moontlikhede bied', sê Giuseppe Dakvino, woordvoerder van die Europese verdediging. Agentskap (EOA).
Grafeen is 'n ultradun nanomateriaal wat gevorm word deur 'n laag koolstofatome wat een atoom dik is. Ligte en duursame grafeen het rekord hoë termiese en elektriese geleidingsvermoë. Die verdedigingsbedryf bestudeer noukeurig die moontlikheid om grafeen te gebruik in toepassings wat sy sterkte, buigsaamheid en weerstand teen hoë temperature vereis, byvoorbeeld in gevegsopdragte wat in uiterste omstandighede uitgevoer word.
Dakvino het gesê dat grafeen ten minste in teorie die materiaal van die toekoms is. Die rede waarom daar nou soveel interessante debat is, is omdat dit na soveel jare se navorsing in die burgerlike sektor duidelik geword het dat dit eintlik gevegscenario's sal verander.”
'Om slegs 'n paar van die moontlikhede te noem: buigsame elektronika, kragstelsels, ballistiese beskerming, kamoeflering, filters / membrane, materiale vir hoë hitte -afvoer, biomediese toepassings en sensors. Dit is eintlik die belangrikste tegnologiese rigtings.”
In Desember 2017 het die EAO 'n jaar lange studie begin met moontlike belowende militêre toepassings van grafeen en die impak daarvan op die Europese verdedigingsbedryf. Die werk is gelei deur die Spaanse Stigting vir Tegniese Navorsing en Innovasie, waarmee die Universiteit van Cartagena en die Britse onderneming Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. In Mei 2018 is 'n seminaar gehou van navorsers en kundiges oor grafeen, waar 'n padkaart vir die gebruik daarvan in die verdedigingsektor bepaal is.
Volgens die EOA, "Onder die materiaal wat die potensiaal het om die verdedigingsvermoëns in die volgende dekade te verander, is grafeen hoog op die lys. Lig, buigsaam, 200 keer sterker as staal, en sy elektriese geleidingsvermoë is ongelooflik (beter as silikon), net soos die termiese geleidingsvermoë."
Die EOA het ook opgemerk dat grafeen merkwaardige eienskappe het op die gebied van "handtekeningbestuur". Dit wil sê, dit kan gebruik word om "radio-absorberende bedekkings te vervaardig, wat militêre voertuie, vliegtuie, duikbote en oppervlakteskepe in bykans onopspoorbare voorwerpe kan verander." Dit alles maak grafeen 'n uiters aantreklike materiaal, nie net vir die burgerlike industrie nie, maar ook vir militêre toepassings, land, lug en see."
Vir hierdie doel bestudeer die Amerikaanse weermag die gebruik van grafeen vir voertuie en beskermende klere. Volgens die ingenieur Emil Sandoz-Rosado van die US Army Military Research Laboratory (ARL), het hierdie materiaal uitstekende meganiese eienskappe, een atoomlaag grafeen is 10 keer stywer en meer as 30 keer sterker as dieselfde laag kommersiële ballistiese vesel. 'Die plafon vir grafeen is baie hoog. Dit is een van die redes waarom verskeie werkgroepe in ARL daarin belanggestel het, omdat die ontwerpkenmerke daarvan baie belowend is ten opsigte van bespreking.
Daar is egter ook baie groot probleme. Een daarvan is die skaal van die materiaal; die weermag benodig beskermende materiaal wat tenks, voertuie en soldate kan dek. 'Ons het baie meer nodig. Oor die algemeen praat ons van ongeveer 'n miljoen of meer lae wat ons tans nodig het.
Sandoz-Rosado het gesê dat grafeen op een of twee maniere vervaardig kan word, hetsy deur 'n afskilferingsproses waar grafiet van hoë gehalte in aparte atoomlae geskei word, of deur 'n enkele atoomlaag grafeen op koperfoelie te kweek. Hierdie proses is goed gevestig deur laboratoriums wat grafeen van hoë gehalte vervaardig. 'Dit is nie heeltemal perfek nie, maar dit is redelik naby daaraan. Vandag is dit egter tyd om oor meer as een atoomlaag te praat, ons benodig 'n volwaardige produk.” As gevolg hiervan is daar onlangs 'n program van stapel gestuur om deurlopende grafeenproduksieprosesse op industriële skaal te ontwikkel.
'Of dit nou koolstof -nanobuise of grafeen is, u moet die spesifieke vereistes in ag neem,' het Dakvino gewaarsku en opgemerk dat die formele beskrywing van die eienskappe van nuwe gevorderde materiale, die standaardisering van die presiese prosesse vir die skep van nuwe materiale, die reproduceerbaarheid van hierdie prosesse, die vervaardigingsvermoë van die hele ketting (van basiese navorsing tot die vervaardiging van demonstrasies en prototipes) verg deeglike studie en regverdiging wanneer dit kom by die gebruik van deurbraakmateriaal soos grafeen en koolstof -nanobuise in militêre platforms.
'Dit is nie net navorsing nie, want u moet immers seker wees dat 'n sekere materiaal amptelik beskryf word, en dan moet u seker wees dat dit in 'n sekere proses geproduseer kan word. Dit is nie so maklik nie, want die vervaardigingsproses kan verander, die kwaliteit van die vervaardigde produk kan afhang van die proses, dus die proses moet verskeie kere herhaal word."
Volgens Sandoz-Rosado het ARL saam met grafeenvervaardigers saamgewerk om die kwaliteitsklas van die produk en die skaalbaarheid daarvan te beoordeel. Alhoewel dit nog nie duidelik is of deurlopende prosesse, wat aan die begin van hul vorming is, 'n sakemodel, gepaste kapasiteit het en of hulle die vereiste kwaliteit kan lewer nie.
Dakvino het opgemerk dat vooruitgang in rekenaarmodellering en kwantumrekening navorsing en ontwikkeling kan versnel, sowel as die ontwikkeling van metodes vir die vervaardiging van gevorderde materiaal in die nabye toekoms. 'Met rekenaargesteunde ontwerp en materiaalmodellering kan baie dinge gemodelleer word: materiaalkenmerke en selfs vervaardigingsprosesse kan gemodelleer word. U kan selfs virtuele realiteit skep, waar u basies kan kyk na die verskillende fases van die skep van 'n materiaal."
Dakwino het ook gesê dat gevorderde rekenaarmodellering en virtuele realiteitstegnieke 'n voordeel bied deur ''n geïntegreerde stelsel te skep waar u 'n spesifieke materiaal kan simuleer en kyk of die materiaal in 'n spesifieke omgewing toegepas kan word.' Kwantumrekenaars kan die toedrag van sake hier radikaal verander.
"In die toekoms sien ek nog meer belangstelling in nuwe maniere om te vervaardig, nuwe maniere om nuwe materiale te skep en nuwe vervaardigingsprosesse deur rekenaarsimulasie, aangesien groot rekenaarkrag moontlik slegs verkry kan word deur kwantumrekenaars te gebruik."
Volgens Dakwino is sommige toepassings van grafeen tegnologies meer gevorderd, terwyl ander minder is. Keramiekomposiete wat op matriks gebaseer is, kan byvoorbeeld verbeter word deur grafeenplate te integreer wat die materiaal versterk en die meganiese weerstand daarvan verhoog terwyl dit die gewig verminder. 'As ons byvoorbeeld praat oor komposiete,' vervolg Dakvino, 'of, in die algemeenste terme, oor materiale wat versterk word deur grafeen by te voeg, dan kry ons werklike materiale en werklike prosesse van hul massaproduksie, indien nie môre nie, maar miskien in die volgende vyf jaar."
'Daarom is grafeen so interessant vir ballistiese beskermingstelsels. Nie omdat grafeen as wapenrusting gebruik kan word nie. Maar as u grafeen in u wapenrusting as versterkende materiaal gebruik, kan dit sterker word as selfs Kevlar."
Prioriteitsgebiede, byvoorbeeld, outonome stelsels en sensors, sowel as hoërisiko-militêre gebiede, soos onderwater, ruimte en kubernetika, hang veral af van nuwe gevorderde materiale en die koppelvlak van nano- en mikrotegnologie met biotegnologie, "stealth" materiale, reaktiewe materiale en energieopwekking- en bergingstelsels.
Metamateriaal en nanotegnologie soos grafeen en koolstof -nanobuise ondergaan vandag 'n vinnige ontwikkeling. In hierdie nuwe tegnologie soek die weermag na nuwe geleenthede, ondersoek hulle toepassings en moontlike hindernisse, aangesien hulle gedwing word om te balanseer tussen die behoeftes van die moderne slagveld en navorsingsdoelwitte op lang termyn.
