Możliwość stworzenia materiału o ujemnym kącie załamania światła przewidział już w 1967 roku radziecki fizyk Viktor Veselago, ale dopiero teraz pojawiają się pierwsze próbki rzeczywistych struktur o takich właściwościach. Ze względu na ujemny kąt załamania promienie światła zaginają się wokół obiektu, czyniąc go niewidocznym. W ten sposób obserwator zauważa tylko to, co dzieje się za plecami osoby noszącej „cudowny” płaszcz.
Aby zyskać przewagę na polu bitwy, współczesne siły wojskowe zwracają się ku potencjalnie destrukcyjnym zdolnościom, takim jak zaawansowana kamizelka kuloodporna i opancerzenie pojazdów oraz nanotechnologia. innowacyjny kamuflaż, nowe urządzenia elektryczne, superakumulatory oraz „inteligentna” lub reaktywna ochrona platform i personelu. Systemy wojskowe stają się coraz bardziej złożone, opracowywane i produkowane są nowe zaawansowane materiały wielofunkcyjne i podwójnego zastosowania, a miniaturyzacja wytrzymałej i elastycznej elektroniki odbywa się skokowo.
Przykłady obejmują obiecujące materiały samonaprawiające się, zaawansowane materiały kompozytowe, ceramikę funkcjonalną, materiały elektrochromowe, materiały „cyberosłonowe”, które reagują na zakłócenia elektromagnetyczne. Oczekuje się, że staną się podstawą przełomowych technologii, które nieodwołalnie zmienią pole bitwy i charakter przyszłych działań wojennych.
Zaawansowane materiały nowej generacji, takie jak metamateriały, grafen i nanorurki węglowe, cieszą się dużym zainteresowaniem i inwestycjami, ponieważ mają właściwości i funkcje niespotykane w naturze i nadają się do zastosowań obronnych oraz zadań wykonywanych w ekstremalnych lub nieprzyjaznych przestrzeniach. Nanotechnologia wykorzystuje materiały w skali nanometrycznej (10-9), aby móc modyfikować struktury na poziomie atomowym i molekularnym oraz tworzyć różne tkanki, urządzenia lub systemy. Materiały te są bardzo obiecującym obszarem iw przyszłości mogą mieć poważny wpływ na skuteczność bojową.
Metamateriały
Zanim przejdziemy dalej, zdefiniujmy metamateriały. Metamateriał to materiał kompozytowy, którego właściwości determinują nie tyle właściwości jego elementów składowych, ile sztucznie wytworzona struktura okresowa. Są to sztucznie uformowane i specjalnie ustrukturyzowane media o właściwościach elektromagnetycznych lub akustycznych, które są trudne do osiągnięcia technologicznie lub nie występują w naturze.
Kymeta Corporation, spółka zależna Intellectual Ventures, weszła na rynek zbrojeniowy w 2016 roku z anteną metamateriałową mTenna. Według dyrektora firmy Nathana Kundza, przenośna antena w postaci anteny nadawczo-odbiorczej waży około 18 kg i zużywa 10 watów. Sprzęt do anten metamateriałowych jest wielkości książki lub netbooka, nie ma ruchomych części i jest produkowany w taki sam sposób, jak monitory LCD czy ekrany smartfonów z wykorzystaniem technologii TFT.
Metamateriały składają się z mikrostruktur subfalowych, czyli struktur, których wymiary są mniejsze niż długość fali promieniowania, które muszą kontrolować. Struktury te mogą być wykonane z materiałów niemagnetycznych, takich jak miedź, i wytrawione na podłożu z włókna szklanego PCB.
Metamateriały mogą być tworzone do interakcji z głównymi składnikami fal elektromagnetycznych - stałą dielektryczną i przepuszczalnością magnetyczną. Według Pablosa Holmana, wynalazcy z Intellectual Ventures, anteny stworzone przy użyciu technologii metamateriałów mogą ostatecznie zastąpić wieże komórkowe, stacjonarne linie telefoniczne oraz kable koncentryczne i światłowodowe.
Tradycyjne anteny są dostrojone do przechwytywania kontrolowanej energii o określonej długości fali, która pobudza elektrony w antenie do generowania prądów elektrycznych. Z kolei te zakodowane sygnały mogą być interpretowane jako informacje.
Nowoczesne systemy antenowe są kłopotliwe, ponieważ różne częstotliwości wymagają innego typu anteny. W przypadku anten wykonanych z metamateriałów warstwa wierzchnia pozwala na zmianę kierunku zaginania fal elektromagnetycznych. Metamateriały wykazują zarówno ujemną przenikalność dielektryczną, jak i ujemną magnetyczną, a zatem mają ujemny współczynnik załamania. Ten ujemny współczynnik załamania światła, niespotykany w żadnym materiale naturalnym, determinuje zmianę fal elektromagnetycznych podczas przekraczania granicy dwóch różnych mediów. W ten sposób odbiornik anteny metamateriałowej może być elektronicznie dostrojony do odbioru różnych częstotliwości, co umożliwia programistom osiągnięcie szerokości pasma i zmniejszenie rozmiaru elementów antenowych.
Metamateriały wewnątrz takich anten są składane w płaską matrycę gęsto upakowanych pojedynczych komórek (bardzo podobne do rozmieszczenia pikseli na ekranie telewizora) z kolejną płaską matrycą równoległych prostokątnych falowodów, a także modułem sterującym emisją fal za pomocą oprogramowania i pozwala antenie określić kierunek promieniowania.
Holman wyjaśnił, że najłatwiejszym sposobem zrozumienia zalet anten metamateriałowych jest przyjrzenie się fizycznym otworom anteny oraz niezawodności połączeń internetowych na statkach, samolotach, dronach i innych ruchomych systemach.
„Każdy nowy satelita komunikacyjny wystrzelony na orbitę w dzisiejszych czasach - kontynuował Holman - ma większą pojemność niż konstelacja satelitów zaledwie kilka lat temu. Mamy ogromny potencjał do komunikacji bezprzewodowej w tych sieciach satelitarnych, ale jedynym sposobem komunikacji z nimi jest zabranie anteny satelitarnej, która jest duża, ciężka i droga w instalacji i utrzymaniu. Dzięki antenie opartej na metamateriałach możemy wykonać płaski panel, który może sterować wiązką i celować bezpośrednio w satelitę.
„Pięćdziesiąt procent czasu, gdy fizycznie sterowana antena nie jest zorientowana na satelitę, a użytkownik jest praktycznie offline” – powiedział Holman. „Dlatego antena metamateriałowa może być szczególnie przydatna w kontekście morskim, ponieważ czasza jest fizycznie sterowana, aby skierować ją na satelitę, ponieważ statek często zmienia kurs i stale kołysze się na falach”.
Bionika
Rozwój nowych materiałów zmierza również w kierunku tworzenia elastycznych systemów wielofunkcyjnych o skomplikowanych kształtach. Ważną rolę odgrywa tu nauka stosowana dotycząca stosowania zasad organizacji, właściwości, funkcji i struktur przyrody ożywionej w urządzeniach i systemach technicznych. Bionika (w literaturze zachodniej biomimetyka) pomaga człowiekowi tworzyć oryginalne systemy techniczne i procesy technologiczne w oparciu o pomysły znalezione i zapożyczone z natury.
Centrum Badawcze Okrętów Podwodnych Marynarki Wojennej USA testuje autonomiczny aparat do wyszukiwania min (APU), który wykorzystuje zasady bioniczne. naśladowanie ruchów życia morskiego. Brzytwa ma 3 metry długości i może być niesiona przez dwie osoby. Jego elektronika koordynuje pracę czterech trzepoczących skrzydeł i dwóch tylnych śmigieł. Ruchy trzepoczące imitują ruchy niektórych zwierząt, takich jak ptaki i żółwie. Pozwala to APU unosić się w powietrzu, wykonywać precyzyjne manewrowanie przy niskich prędkościach i osiągać wysokie prędkości. Ta zwrotność pozwala również brzytwie na łatwą zmianę pozycji i unoszenie się wokół obiektów w celu obrazowania 3D.
Agencja Badawcza Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych finansuje opracowanie przez firmę Pliant Energy Systems prototypu opcjonalnie autonomicznego pojazdu podwodnego Velox, który zastępuje śmigła systemem multistabilnych, nieliniowych, papieropodobnych płetw, które generują powtarzalne, falujące ruchy przypominające rampę. Urządzenie zamienia ruchy elektroaktywnych, falistych, elastycznych płetw polimerowych o płaskiej geometrii hiperbolicznej na ruch translacyjny, swobodnie poruszający się pod wodą, na falach przyboju, w piasku, nad roślinnością morską i lądową, na śliskich skałach lub lodzie.
Według rzecznika firmy Pliant Energy Systems, falisty ruch do przodu zapobiega zaplątaniu się w gęstą roślinność, ponieważ nie ma obracających się części, jednocześnie minimalizując uszkodzenia roślin i osadów. Cicha jednostka, zasilana baterią litowo-jonową, może poprawić swoją pływalność, aby utrzymać pozycję pod lodem, podczas gdy może być zdalnie sterowana. Jego główne zadania to: komunikacja, w tym GPS, WiFi, kanały radiowe czy satelitarne; wywiad i zbieranie informacji; szukać i ratować; oraz skanowanie i identyfikacja min.
Rozwój nanotechnologii i mikrostruktur jest również bardzo ważny w technologiach bionicznych, dla których inspirację czerpie się z natury w celu symulacji procesów fizycznych lub optymalizacji produkcji nowych materiałów.
Laboratorium Badawcze Marynarki Wojennej USA opracowuje przezroczystą osłonę polimerową, która ma warstwową mikrostrukturę podobną do chitynowej skorupy skorupiaków, ale wykonaną z tworzyw sztucznych. Pozwala to na zachowanie konformacji materiału w szerokim zakresie temperatur i obciążeń, co pozwala na stosowanie go do ochrony personelu, stacjonarnych platform, pojazdów i samolotów.
Według Yasa Sanghera, szefa materiałów i urządzeń optycznych w tym laboratorium, dostępne na rynku zabezpieczenia są zwykle wykonane z trzech rodzajów plastiku i nie są w stanie w stu procentach wytrzymać 9-milimetrowego pocisku wystrzelonego z 1-2 metrów i lecącego z prędkości. 335 m/s.
Przezroczysty pancerz opracowany przez to laboratorium pozwala na 40% redukcję masy przy zachowaniu integralności balistycznej i pochłania o 68% więcej energii pocisku. Sanghera wyjaśnił, że pancerz może być idealny do kilku zastosowań wojskowych, takich jak pojazdy chronione przed minami, opancerzone pojazdy amfibie, pojazdy zaopatrzeniowe i okna kokpitu samolotu.
Według Sanghera jego laboratorium zamierza, w oparciu o istniejące rozwiązania, stworzyć lekki konformalny przezroczysty pancerz o charakterystyce wielokrotnego uderzenia i osiągnąć redukcję masy o ponad 20%, co zapewni ochronę przed pociskami karabinowymi kalibru 7, 62x39 mm.
DARPA opracowuje również przezroczystą zbroję Spinelową o unikalnych właściwościach. Materiał ten posiada doskonałe właściwości wieloudarowe, wysoką twardość i odporność na erozję, podwyższoną odporność na czynniki zewnętrzne; przepuszcza szersze średniofalowe promieniowanie podczerwone, co zwiększa możliwości noktowizorów (możliwość widzenia obiektów za szklanymi powierzchniami), a także waży o połowę mniej niż tradycyjne szkło kuloodporne.
Ta działalność jest częścią programu DARPA Atoms to Product (A2P), który „opracowuje technologie i procesy wymagane do łączenia cząstek w nanoskali (zbliżonych do rozmiarów atomowych) w systemy, komponenty lub materiały co najmniej w skali milimetrowej”.
W ciągu ostatnich ośmiu lat Agencja osiągnęła redukcję grubości bazowego przezroczystego pancerza z około 18 cm do 6 cm, przy jednoczesnym zachowaniu jego charakterystyk wytrzymałościowych, według szefa programu A2P w DARPA, Johna Maine. Składa się z wielu różnych warstw, „nie wszystkie z nich ceramiczne, a nie wszystkie z tworzyw sztucznych lub szkła”, które są przyklejone do materiału nośnika, aby zapobiec pękaniu. „Powinieneś myśleć o tym jako o systemie obronnym, a nie jako o monolitycznym kawałku materiału”.
Szkło spinelowe zostało wyprodukowane do montażu na prototypach ciężarówek amerykańskiej armii FMTV (Rodzina Średnich Pojazdów Taktycznych) do oceny przez Armored Research Center.
W ramach programu A2P DARPA przyznała firmie Voxtel, Oregon Institute for Nanomaterials and Microelectronics kontrakt o wartości 5,59 miliona dolarów na badania procesów produkcyjnych w skali od nano do makro. Ten bioniczny projekt obejmuje opracowanie syntetycznego kleju, który naśladuje możliwości jaszczurki gekona.
„Na podeszwach gekona jest coś w rodzaju małych włosków… o długości około 100 mikronów, które gwałtownie się rozgałęziają. Na końcu każdej małej gałęzi znajduje się maleńka nanopłytka o wielkości około 10 nanometrów. W kontakcie ze ścianą lub sufitem płyty te pozwalają gekonowi przylegać do ściany lub sufitu.
Maine powiedział, że producenci nigdy nie mogliby odtworzyć tych możliwości, ponieważ nie mogli stworzyć rozgałęzionych nanostruktur.
„Voxtel opracowuje technologie produkcyjne, które odtwarzają tę biologiczną strukturę i wychwytują te biologiczne właściwości. Wykorzystuje nanorurki węglowe w naprawdę nowy sposób, pozwala tworzyć złożone struktury 3D i wykorzystywać je w bardzo oryginalny sposób, niekoniecznie jako struktury, ale na inne, bardziej pomysłowe sposoby.”
Voxtel chce opracować zaawansowane techniki wytwarzania przyrostowego, które pozwolą produkować „materiały, które same są składane w funkcjonalnie kompletne bloki, a następnie składane w złożone systemy heterogeniczne”. Techniki te będą opierać się na symulowaniu prostych kodów genetycznych i ogólnych reakcji chemicznych występujących w przyrodzie, które pozwalają molekułom na samoorganizację z poziomu atomowego w duże struktury zdolne do samozaopatrywania się w energię.
„Chcemy opracować zaawansowany klej wielokrotnego użytku. Chcielibyśmy uzyskać materiał o właściwościach kleju epoksydowego, ale bez jego usuwania i zanieczyszczenia powierzchni – powiedział Główny. „Piękno materiału w stylu gekona polega na tym, że nie pozostawia pozostałości i działa natychmiast”.
Inne szybko rozwijające się zaawansowane materiały obejmują ultracienkie materiały, takie jak grafen i nanorurki węglowe, które mają właściwości strukturalne, termiczne, elektryczne i optyczne, które zrewolucjonizują dzisiejszą przestrzeń bojową.
Grafen
Podczas gdy nanorurki węglowe mają duży potencjał do zastosowań w systemach elektronicznych i kamuflażowych, a także w dziedzinie biomedycyny, grafen jest „bardziej interesujący, ponieważ oferuje, przynajmniej na papierze, więcej możliwości” – powiedział Giuseppe Dakvino, rzecznik European Defense Agencja (EOA).
Grafen to ultracienki nanomateriał utworzony przez warstwę atomów węgla o grubości jednego atomu. Lekki i wytrzymały grafen ma rekordowo wysoką przewodność cieplną i elektryczną. Przemysł obronny wnikliwie bada możliwość wykorzystania grafenu w zastosowaniach wymagających jego wytrzymałości, elastyczności i odporności na wysokie temperatury, np. w misjach bojowych wykonywanych w ekstremalnych warunkach.
Dakvino powiedział, że grafen „jest, przynajmniej teoretycznie, materiałem przyszłości. Powodem, dla którego toczy się teraz tak dużo interesującej debaty, jest to, że po tylu latach badań w sektorze cywilnym stało się jasne, że faktycznie zmieni to scenariusze bojowe”.
„Wymienię tylko kilka z możliwości: elastyczna elektronika, systemy zasilania, ochrona balistyczna, kamuflaż, filtry/membrany, materiały o wysokim współczynniku rozpraszania ciepła, zastosowania i czujniki biomedyczne. To są w rzeczywistości główne kierunki technologiczne”.
W grudniu 2017 r. EAO rozpoczął roczne badanie możliwych obiecujących zastosowań wojskowych grafenu i jego wpływu na europejski przemysł obronny. Pracami tym kierowała hiszpańska Fundacja Badań Technicznych i Innowacji, z którą Uniwersytet Cartagena i brytyjska firma Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. W maju 2018 r. odbyło się seminarium badaczy i ekspertów dotyczące grafenu, podczas którego ustalono mapę drogową jego wykorzystania w sektorze obronnym.
Według EOA: „Wśród materiałów, które mogą zrewolucjonizować zdolności obronne w następnej dekadzie, wysoko na liście znajduje się grafen. Lekki, elastyczny, 200 razy mocniejszy niż stal, a jego przewodność elektryczna jest niesamowita (lepsza niż krzem), podobnie jak jego przewodność cieplna.”
EOA zauważył również, że grafen ma niezwykłe właściwości w obszarze „zarządzania sygnaturą”. Oznacza to, że można go wykorzystać do produkcji „powłok pochłaniających promieniowanie, które zamienią pojazdy wojskowe, samoloty, okręty podwodne i okręty nawodne w prawie niewykrywalne obiekty”. Wszystko to sprawia, że grafen jest niezwykle atrakcyjnym materiałem nie tylko dla przemysłu cywilnego, ale także dla zastosowań wojskowych, lądowych, powietrznych i morskich.”
W tym celu wojsko USA bada zastosowanie grafenu w pojazdach i odzieży ochronnej. Według inżyniera Emila Sandoza-Rosado z Wojskowego Laboratorium Badawczego Armii Stanów Zjednoczonych (ARL) materiał ten ma doskonałe właściwości mechaniczne, jedna atomowa warstwa grafenu jest 10 razy sztywniejsza i ponad 30 razy mocniejsza niż ta sama warstwa komercyjnego włókna balistycznego. „Pułap dla grafenu jest bardzo wysoki. Jest to jeden z powodów, dla których kilka grup roboczych w ARL wykazało zainteresowanie nim, ponieważ jego cechy konstrukcyjne są bardzo obiecujące pod względem rezerwacji.
Jednak są też dość duże trudności. Jednym z nich jest skalowanie materiału; armia potrzebuje materiałów ochronnych, które mogą pokryć czołgi, pojazdy i żołnierzy. „Potrzebujemy znacznie więcej. Ogólnie mówimy o milionie lub więcej warstw, których potrzebujemy w tej chwili”.
Sandoz-Rosado powiedział, że grafen można wytwarzać na jeden lub dwa sposoby, albo poprzez proces peelingu, w którym wysokiej jakości grafit jest rozdzielany na oddzielne warstwy atomowe, albo przez hodowanie pojedynczej warstwy atomowej grafenu na folii miedzianej. Proces ten jest dobrze ugruntowany w laboratoriach produkujących wysokiej jakości grafen. „Nie jest idealnie, ale jest całkiem blisko. Jednak dzisiaj nadszedł czas, aby porozmawiać o więcej niż jednej warstwie atomowej, potrzebujemy pełnowartościowego produktu”. W związku z tym niedawno uruchomiono program mający na celu opracowanie ciągłych procesów produkcji grafenu na skalę przemysłową.
„Czy to nanorurki węglowe, czy grafen, trzeba wziąć pod uwagę specyficzne wymagania, które muszą być spełnione”, ostrzega Dakvino, zauważając, że formalny opis cech nowych zaawansowanych materiałów, standaryzacja precyzyjnych procesów tworzenia nowych materiałów, odtwarzalność tych procesów, produkcyjność całego łańcucha (od badań podstawowych po produkcję demonstracji i prototypów) wymagają starannych badań i uzasadnienia, jeśli chodzi o zastosowanie przełomowych materiałów, takich jak grafen i nanorurki węglowe w platformach wojskowych.
„To nie są tylko badania, bo przecież trzeba mieć pewność, że dany materiał jest oficjalnie opisany, a potem trzeba mieć pewność, że da się go wyprodukować w określonym procesie. Nie jest to takie proste, ponieważ proces produkcyjny może się zmieniać, jakość wytwarzanego produktu może się różnić w zależności od procesu, dlatego proces trzeba powtórzyć kilka razy.”
Według Sandoz-Rosado, firma ARL współpracowała z producentami grafenu, aby ocenić klasę jakości produktu i jego skalowalność. Choć nie jest jeszcze jasne, czy procesy ciągłe, które są na początku ich powstawania, mają model biznesowy, odpowiednią wydajność i czy mogą zapewnić wymaganą jakość.
Dakvino zauważył, że postępy w modelowaniu komputerowym i obliczeniach kwantowych mogą w niedalekiej przyszłości przyspieszyć badania i rozwój, a także opracowanie metod produkcji zaawansowanych materiałów. „Dzięki komputerowemu wspomaganiu projektowania i modelowaniu materiałów można modelować wiele rzeczy: można modelować właściwości materiałów, a nawet procesy produkcyjne. Możesz nawet stworzyć wirtualną rzeczywistość, w której możesz zasadniczo przyjrzeć się różnym etapom tworzenia materiału.”
Dakwino powiedział również, że zaawansowane techniki modelowania komputerowego i wirtualnej rzeczywistości zapewniają przewagę, tworząc „zintegrowany system, w którym można symulować określony materiał i sprawdzić, czy można go zastosować w określonym środowisku”. Obliczenia kwantowe mogą radykalnie zmienić tutaj stan rzeczy.
„W przyszłości widzę jeszcze większe zainteresowanie nowymi sposobami wytwarzania, nowymi sposobami tworzenia nowych materiałów i nowymi procesami produkcyjnymi poprzez symulację komputerową, ponieważ ogromną moc obliczeniową można potencjalnie uzyskać tylko przy użyciu komputerów kwantowych”.
Według Dakwino niektóre zastosowania grafenu są bardziej zaawansowane technologicznie, inne mniej. Na przykład kompozyty ceramiczne oparte na osnowie można ulepszyć poprzez zintegrowanie płyt grafenowych, które wzmacniają materiał i zwiększają jego odporność mechaniczną, jednocześnie zmniejszając jego wagę. „Jeżeli mówimy na przykład o kompozytach” – kontynuował Dakvino – „lub najogólniej o materiałach wzmacnianych grafenem, to otrzymamy realne materiały i realne procesy ich masowej produkcji, jeśli nie jutro, ale może w ciągu najbliższych pięciu lat”.
„Dlatego grafen jest tak interesujący dla systemów ochrony balistycznej. Nie dlatego, że grafen może być użyty jako zbroja. Ale jeśli użyjesz grafenu w swojej zbroi jako materiału wzmacniającego, może on stać się silniejszy niż nawet Kevlar.”
Obszary priorytetowe, np. systemy autonomiczne i sensory, a także obszary wojskowe wysokiego ryzyka, takie jak podwodne, kosmiczne i cybernetyczne, zależą przede wszystkim od nowych zaawansowanych materiałów i styku nano- i mikrotechnologii z biotechnologią, „ukryciem” materiały, materiały reaktywne oraz systemy wytwarzania i magazynowania energii.
Metamateriały i nanotechnologia, takie jak grafen i nanorurki węglowe, przechodzą obecnie szybki rozwój. W tych nowych technologiach wojsko poszukuje nowych możliwości, bada ich zastosowania i potencjalne bariery, ponieważ jest zmuszone do balansowania między potrzebami współczesnego pola bitwy a długofalowymi celami badawczymi.
