Kemungkinan membuat bahan dengan sudut pembiasan negatif telah diramalkan pada tahun 1967 oleh ahli fizik Soviet Viktor Veselago, tetapi hanya sekarang adalah contoh pertama struktur nyata dengan sifat seperti itu muncul. Oleh kerana sudut pembiasan negatif, sinar cahaya membengkokkan objek, menjadikannya tidak kelihatan. Oleh itu, pemerhati hanya memerhatikan apa yang berlaku di belakang punggung orang yang memakai jubah "luar biasa".
Untuk mendapatkan kelebihan di medan perang, kekuatan tentera moden beralih ke kemampuan berpotensi mengganggu seperti perisai badan maju dan perisai kenderaan, dan nanoteknologi. penyamaran inovatif, peranti elektrik baru, penumpuk super dan perlindungan platform dan kakitangan yang "pintar" atau reaktif. Sistem ketenteraan menjadi lebih kompleks, bahan multifungsi dan penggunaan ganda maju yang baru sedang dikembangkan dan dihasilkan, dan miniaturisasi elektronik berat dan fleksibel berlaku secara pesat.
Contohnya termasuk bahan penyembuhan diri yang menjanjikan, bahan komposit maju, seramik berfungsi, bahan elektrokromik, bahan "perisai siber" yang bertindak balas terhadap gangguan elektromagnetik. Mereka diharapkan dapat menjadi tulang belakang teknologi mengganggu yang akan mengubah medan perang dan sifat permusuhan di masa depan.
Bahan canggih generasi seterusnya, seperti metamaterials, graphene dan carbon nanotube, menghasilkan minat dan pelaburan yang besar kerana mempunyai sifat dan fungsi yang tidak terdapat di alam semula jadi dan sesuai untuk aplikasi pertahanan dan tugas yang dilakukan di ruang yang melampau atau bermusuhan. Nanoteknologi menggunakan bahan skala nanometer (10-9) agar dapat mengubah struktur pada tahap atom dan molekul dan membuat pelbagai tisu, peranti atau sistem. Bahan-bahan ini adalah bidang yang sangat menjanjikan dan pada masa akan datang boleh memberi kesan serius terhadap keberkesanan pertempuran.
Bahan Metamaterial
Sebelum meneruskan, mari kita tentukan metamaterial. Metamaterial adalah bahan komposit, yang sifatnya tidak banyak ditentukan oleh sifat unsur penyusunnya tetapi oleh struktur berkala yang dibuat secara buatan. Mereka dibentuk secara buatan dan disusun khas dengan sifat elektromagnetik atau akustik yang sukar dicapai oleh teknologi, atau tidak dijumpai di alam semula jadi.
Kymeta Corporation, anak syarikat Intellectual Ventures, memasuki pasaran pertahanan pada tahun 2016 dengan antena metamaterial mTenna. Menurut pengarah syarikat Nathan Kundz, antena mudah alih dalam bentuk antena transceiver beratnya sekitar 18 kg dan menggunakan 10 watt. Peralatan untuk antena metamaterial berukuran seukuran buku atau netbook, tidak mempunyai bahagian yang bergerak, dan dihasilkan dengan cara yang sama seperti monitor LCD atau skrin telefon pintar yang menggunakan teknologi TFT.
Metamaterial terdiri daripada struktur mikro panjang gelombang, iaitu struktur yang dimensinya kurang daripada panjang gelombang sinaran yang mesti mereka kendalikan. Struktur ini boleh dibuat dari bahan bukan magnetik seperti tembaga dan terukir pada substrat PCB gentian kaca.
Metamaterial dapat dibuat untuk berinteraksi dengan komponen utama gelombang elektromagnetik - pemalar dielektrik dan kebolehtelapan magnetik. Menurut Pablos Holman, penemu di Intellectual Ventures, antena yang dibuat menggunakan teknologi metamaterial akhirnya dapat menggantikan menara sel, saluran telefon darat, dan kabel koaksial dan serat optik.
Antena tradisional diselaraskan untuk memintas tenaga terkawal dengan panjang gelombang tertentu, yang menggerakkan elektron dalam antena untuk menghasilkan arus elektrik. Sebaliknya, isyarat yang dikodkan ini dapat ditafsirkan sebagai maklumat.
Sistem antena moden tidak membebankan kerana frekuensi yang berbeza memerlukan jenis antena yang berbeza. Sekiranya antena terbuat dari metamaterial, lapisan permukaan membolehkan anda mengubah arah lenturan gelombang elektromagnetik. Metamaterial menunjukkan kedua kebolehtelapan magnetik dielektrik dan negatif dan oleh itu mempunyai indeks biasan negatif. Indeks bias negatif ini, tidak terdapat dalam bahan semula jadi, menentukan perubahan gelombang elektromagnetik ketika melintasi sempadan dua media yang berbeza. Oleh itu, penerima antena metamaterial dapat diselaraskan secara elektronik untuk menerima frekuensi yang berbeza, yang memungkinkan pembangun mencapai jalur lebar dan mengurangkan ukuran elemen antena.
Metamaterial di dalam antena seperti itu dipasang ke dalam matriks rata sel individu yang padat (sangat mirip dengan penempatan piksel pada skrin TV) dengan matriks rata lain dari panduan gelombang segiempat selari, serta modul yang mengawal pelepasan gelombang melalui perisian dan membolehkan antena menentukan arah sinaran.
Holman menjelaskan bahawa cara termudah untuk memahami kelebihan antena metamaterial adalah dengan melihat lebih dekat lubang fizikal antena dan kebolehpercayaan sambungan Internet pada kapal, kapal terbang, drone dan sistem bergerak lain.
"Setiap satelit komunikasi baru dilancarkan ke orbit hari ini," lanjut Holman, "memiliki kapasitas lebih banyak daripada konstelasi satelit beberapa tahun yang lalu. Kami mempunyai potensi besar untuk komunikasi tanpa wayar dalam rangkaian satelit ini, tetapi satu-satunya cara untuk berkomunikasi dengan mereka adalah dengan mengambil hidangan satelit, yang besar, berat dan mahal untuk dipasang dan diselenggara. Dengan antena berdasarkan metamaterial, kita dapat membuat panel rata yang dapat mengarahkan balok dan mengarahkan langsung ke satelit.
"Lima puluh peratus masa antena yang dapat dikendalikan secara fizikal tidak berorientasikan satelit dan anda secara efektif di luar talian," kata Holman. "Oleh itu, antena metamaterial sangat berguna dalam konteks maritim, kerana piring itu dikawal secara fizikal untuk mengarahkannya ke satelit, kerana kapal sering berubah arah dan terus bergerak di atas ombak."
Bionik
Perkembangan bahan baru juga bergerak menuju penciptaan sistem multifungsi yang fleksibel dengan bentuk yang kompleks. Di sini peranan penting dimainkan oleh sains gunaan mengenai penerapan prinsip organisasi, sifat, fungsi dan struktur alam hidup dalam alat dan sistem teknikal. Bionics (dalam biomimetics sastera Barat) membantu seseorang membuat sistem teknikal dan proses teknologi yang asli berdasarkan idea yang dijumpai dan dipinjam dari alam semula jadi.
Pusat Penyelidikan Peperangan Kapal Selam Angkatan Laut AS sedang menguji alat carian lombong autonomi (APU) yang menggunakan prinsip bionik. meniru pergerakan hidupan laut. Cukur panjang 3 meter dan boleh dibawa oleh dua orang. Elektroniknya menyelaraskan kerja empat sayap mengepakkan dan dua baling-baling belakang. Pergerakan mengepak meniru pergerakan beberapa haiwan, seperti burung dan kura-kura. Ini membolehkan APU melayang, melakukan manuver tepat pada kelajuan rendah dan mencapai kelajuan tinggi. Kemampuan manuver ini juga membolehkan Razor dengan mudah meletakkan semula dirinya dan melayang di sekitar objek untuk pengimejan 3D.
Agensi Penyelidikan Tentera Laut AS membiayai pengembangan prototaip Pliant Energy Systems untuk kapal selam Velox autonomi pilihan, yang menggantikan baling-baling dengan sistem sirip kertas bertingkat, tidak linier, seperti kertas yang menghasilkan pergerakan bergelombang seperti tanjakan berulang. Peranti ini mengubah pergerakan sirip polimer elektroaaktif, bergelombang, fleksibel dengan geometri hiperbolik planar menjadi gerakan translasi, bergerak bebas di bawah air, dalam gelombang ombak, di pasir, di atas laut dan tumbuh-tumbuhan daratan, di atas batu licin atau ais.
Menurut jurucakap Pliant Energy Systems, gerakan ke depan beralun mencegah terjeratnya vegetasi lebat, kerana tidak ada bahagian berputar, sambil meminimumkan kerosakan pada tanaman dan sedimen. Kapal kebisingan rendah, dikuasakan oleh bateri lithium-ion, dapat meningkatkan daya apungnya untuk mengekalkan kedudukannya di bawah ais, sementara dapat dikendalikan dari jarak jauh. Tugas utamanya adalah: komunikasi, termasuk GPS, WiFi, radio atau saluran satelit; perisik dan pengumpulan maklumat; cari dan selamat; dan pengimbasan dan pengenalpastian min.
Pembangunan nanoteknologi dan struktur mikro juga sangat penting dalam teknologi bionik, inspirasi yang diambil dari alam semula jadi untuk mensimulasikan proses fizikal atau mengoptimumkan pengeluaran bahan baru.
Makmal Penyelidikan Tentera Laut AS sedang mengembangkan perisai polimer lutsinar yang mempunyai struktur mikro berlapis yang serupa dengan cangkang krustasea, tetapi dibuat dari bahan plastik. Ini memungkinkan bahan tetap sesuai dengan berbagai suhu dan beban, yang memungkinkannya digunakan untuk melindungi personel, platform pegun, kenderaan dan pesawat terbang.
Menurut Yas Sanghera, ketua bahan optik dan alat di makmal ini, perlindungan yang terdapat di pasaran biasanya dibuat dari tiga jenis plastik dan tidak dapat seratus persen menahan peluru 9 mm yang ditembakkan dari jarak 1-2 meter dan terbang dari kecepatan 335 m / s.
Perisai lutsinar yang dikembangkan oleh makmal ini membolehkan pengurangan jisim 40% sambil mengekalkan integriti balistik dan menyerap 68% lebih banyak tenaga peluru. Sanghera menjelaskan bahawa baju besi itu sesuai untuk beberapa aplikasi ketenteraan, seperti kenderaan yang dilindungi ranjau, kenderaan perisai amfibi, kenderaan bekalan dan tingkap kokpit pesawat.
Menurut Sanghera, makmalnya bermaksud, berdasarkan perkembangan yang ada, untuk membuat perisai telus konformal ringan dengan ciri multi-impak dan mencapai penurunan berat badan lebih dari 20%, yang akan memberikan perlindungan terhadap peluru senapan berkaliber 7, 62x39 mm.
DARPA juga mengembangkan perisai Spinel yang telus dengan sifat unik. Bahan ini mempunyai ciri-ciri pelbagai hentaman yang sangat baik, kekerasan tinggi dan rintangan hakisan, peningkatan daya tahan terhadap faktor luaran; ia memancarkan radiasi inframerah gelombang sederhana yang lebih luas, yang meningkatkan kemampuan alat penglihatan malam (kemampuan untuk melihat objek di belakang permukaan kaca), dan juga beratnya setengah berat kaca kalis peluru tradisional.
Aktiviti ini adalah sebahagian daripada program Atom to Product (A2P) DARPA, yang "mengembangkan teknologi dan proses yang diperlukan untuk memasang zarah skala nano (hampir dengan ukuran atom) ke dalam sistem, komponen atau bahan sekurang-kurangnya pada skala milimeter."
Selama lapan tahun kebelakangan ini, Agensi telah mencapai pengurangan ketebalan perisai transparan dasar dari sekitar 18 cm menjadi 6 cm, sambil mengekalkan ciri kekuatannya, menurut ketua program A2P di DARPA, John Maine. Ini terdiri dari banyak lapisan yang berbeda, "tidak semuanya keramik dan tidak semuanya plastik atau kaca," yang dilekatkan pada bahan pendukung untuk mencegah keretakan. "Anda harus menganggapnya sebagai sistem pertahanan, bukan sebagai bahan monolitik."
Kaca spinel dihasilkan untuk pemasangan pada prototaip trak FMTV Amerika Syarikat (Keluarga Kenderaan Taktikal Sederhana) untuk dinilai oleh Pusat Penyelidikan Perisai.
Di bawah program A2P, DARPA menganugerahkan Voxtel, sebuah Oregon Institute for Nanomaterials and Microelectronics, kontrak $ 5.59 juta untuk meneliti proses pembuatan yang bermula dari nano hingga makro. Projek bionik ini melibatkan pengembangan pelekat sintetik yang meniru kemampuan kadal tokek.
"Di telapak tokek, ada seperti rambut kecil … panjangnya sekitar 100 mikron, yang bercabang dengan ganas. Di hujung setiap cabang kecil terdapat plat nano kecil berukuran 10 nanometer. Apabila bersentuhan dengan dinding atau siling, plat ini membolehkan tokek melekat pada dinding atau siling."
Maine mengatakan bahawa pengeluar tidak akan dapat meniru kemampuan ini kerana mereka tidak dapat membuat struktur nano bercabang.
"Voxtel mengembangkan teknologi pengeluaran yang meniru struktur biologi ini dan menangkap kualiti biologi ini. Ia menggunakan nanotube karbon dengan cara yang sangat baru, ia membolehkan anda membuat struktur 3D yang kompleks dan menggunakannya dengan cara yang sangat asli, tidak semestinya sebagai struktur, tetapi dengan cara lain yang lebih inventif."
Voxtel ingin mengembangkan teknik pembuatan aditif canggih yang akan menghasilkan "bahan-bahan yang disatukan menjadi blok lengkap berfungsi, kemudian dipasang ke dalam sistem heterogen yang kompleks." Teknik-teknik ini akan didasarkan pada mensimulasikan kod genetik sederhana dan tindak balas kimia umum yang terdapat di alam semula jadi, yang memungkinkan molekul untuk berkumpul sendiri dari peringkat atom menjadi struktur besar yang mampu membekalkan tenaga dengan diri mereka sendiri.
"Kami ingin mengembangkan pelekat yang boleh digunakan semula yang canggih. Kami ingin mendapatkan bahan dengan sifat perekat epoksi, tetapi tanpa boleh guna dan pencemaran permukaannya, - kata Main. "Keindahan bahan gaya tokek adalah bahawa ia tidak meninggalkan sisa dan berfungsi dengan serta-merta."
Bahan maju yang maju dengan pesat lain termasuk bahan ultra tipis seperti graphene dan carbon nanotube, yang mempunyai sifat struktur, terma, elektrik, dan optik yang akan merevolusikan ruang tempur masa kini.
Grafena
Walaupun nanotube karbon berpotensi baik untuk aplikasi dalam sistem elektronik dan penyamaran, serta dalam bidang bioperubatan, graphene "lebih menarik kerana ia menawarkan, sekurang-kurangnya di atas kertas, lebih banyak kemungkinan," kata Giuseppe Dakvino, jurucakap Pertahanan Eropah Agensi (EOA).
Graphene adalah nanomaterial ultra tipis yang dibentuk oleh lapisan atom karbon setebal satu atom. Grafena ringan dan tahan lama mempunyai kekonduksian terma dan elektrik yang tinggi. Industri pertahanan mengkaji dengan teliti kemungkinan menggunakan graphene dalam aplikasi yang memerlukan kekuatan, fleksibilitas dan ketahanan terhadap suhu tinggi, misalnya, dalam misi tempur yang dilakukan dalam keadaan ekstrem.
Dakvino berkata, graphene “paling tidak secara teori, adalah bahan masa depan. Sebab mengapa terdapat begitu banyak perdebatan yang menarik sekarang adalah kerana setelah bertahun-tahun melakukan penyelidikan di sektor awam, telah menjadi jelas bahawa ia sebenarnya akan mengubah senario pertempuran."
"Untuk menyenaraikan beberapa kemungkinan: elektronik fleksibel, sistem tenaga, perlindungan balistik, penyamaran, penapis / membran, bahan pelesapan panas tinggi, aplikasi biomedik dan sensor. Sebenarnya, ini adalah petunjuk teknologi utama."
Pada bulan Disember 2017, EAO memulakan kajian selama setahun mengenai kemungkinan aplikasi tentera graphene yang menjanjikan dan kesannya terhadap industri pertahanan Eropah. Karya ini diketuai oleh Yayasan Sepanyol untuk Penyelidikan dan Inovasi Teknikal, dengan mana University of Cartagena dan syarikat Britain Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. Pada bulan Mei 2018, diadakan seminar penyelidik dan pakar mengenai graphene, di mana peta jalan untuk penggunaannya di sektor pertahanan telah ditentukan.
Menurut EOA, "Di antara bahan-bahan yang berpotensi merevolusikan kemampuan pertahanan dalam dekade berikutnya, graphene berada dalam daftar yang tinggi. Ringan, fleksibel, 200 kali lebih kuat daripada keluli, dan kekonduksian elektriknya luar biasa (lebih baik daripada silikon), begitu juga kekonduksian termalnya."
EOA juga menyatakan bahawa graphene mempunyai sifat luar biasa di bidang "pengurusan tandatangan". Artinya, ia dapat digunakan untuk menghasilkan "lapisan penyerap radio, yang akan mengubah kendaraan militer, pesawat udara, kapal selam dan kapal permukaan menjadi objek yang hampir tidak dapat dikesan." Semua ini menjadikan graphene sebagai bahan yang sangat menarik bukan hanya untuk industri awam, tetapi juga untuk aplikasi ketenteraan, darat, udara dan laut."
Untuk tujuan ini, tentera AS sedang mengkaji penggunaan graphene untuk kenderaan dan pakaian pelindung. Menurut jurutera Emil Sandoz-Rosado dari Makmal Penyelidikan Ketenteraan Tentera Darat AS (ARL), bahan ini mempunyai sifat mekanik yang sangat baik, satu lapisan atom graphene 10 kali lebih kaku dan lebih daripada 30 kali lebih kuat daripada lapisan serat balistik komersial yang sama. Siling untuk graphene sangat tinggi. Ini adalah salah satu sebab mengapa beberapa kumpulan kerja di ARL menunjukkan minat terhadapnya, kerana ciri reka bentuknya sangat menjanjikan dari segi tempahan.
Walau bagaimanapun, terdapat juga kesukaran yang besar. Salah satunya ialah menskalakan bahan; tentera memerlukan bahan pelindung yang dapat meliputi kereta kebal, kenderaan dan tentera. Kami memerlukan lebih banyak lagi. Secara amnya, kita bercakap mengenai sejuta atau lebih strata yang kita perlukan pada masa ini”.
Sandoz-Rosado mengatakan bahawa graphene dapat dihasilkan dengan satu atau dua cara, baik melalui proses pengelupasan di mana grafit berkualiti tinggi dipisahkan menjadi lapisan atom yang terpisah, atau dengan menanam satu lapisan atom graphene tunggal pada foil tembaga. Proses ini mantap oleh makmal yang menghasilkan graphene berkualiti tinggi. Ia tidak sempurna, tetapi cukup dekat dengannya. Namun, hari ini sudah tiba masanya untuk membincangkan lebih dari satu lapisan atom, kita memerlukan produk yang lengkap”. Akibatnya, sebuah program baru-baru ini dilancarkan untuk mengembangkan proses pengeluaran graphene berskala industri yang berterusan.
"Sama ada nanotube karbon atau graphene, anda harus mengambil kira keperluan khusus yang mesti dipenuhi," Dakvino mengingatkan, menyatakan bahawa penerangan rasmi mengenai ciri-ciri bahan canggih baru, penyeragaman proses tepat untuk membuat bahan baru, kebolehulangan proses ini, kemampuan pembuatan keseluruhan rantai (dari penyelidikan asas hingga pengeluaran demonstrasi dan prototaip) memerlukan kajian dan justifikasi yang teliti ketika menggunakan bahan terobosan seperti graphene dan nanotube karbon di platform ketenteraan.
"Ini bukan hanya penelitian, kerana bagaimanapun, Anda harus memastikan bahawa bahan tertentu dijelaskan secara rasmi dan kemudian anda harus yakin bahawa ia dapat dihasilkan dalam proses tertentu. Ini tidak begitu mudah, kerana proses pembuatannya dapat berubah, kualiti produk yang dihasilkan dapat bervariasi bergantung pada prosesnya, jadi prosesnya harus diulang beberapa kali."
Menurut Sandoz-Rosado, ARL bekerjasama dengan pengeluar graphene untuk menilai kelas kualiti produk dan skalabilitasnya. Walaupun belum jelas apakah proses berterusan, yang pada awal pembentukannya, memiliki model bisnis, kapasitas yang sesuai dan apakah mereka dapat memberikan kualitas yang diperlukan.
Dakvino menyatakan bahawa kemajuan dalam pemodelan komputer dan pengkomputeran kuantum dapat mempercepat penyelidikan dan pengembangan, serta pengembangan metode untuk produksi bahan canggih dalam waktu dekat. “Dengan reka bentuk berbantukan komputer dan pemodelan bahan, banyak hal dapat dimodelkan: ciri-ciri material dan bahkan proses pembuatan dapat dimodelkan. Anda bahkan boleh membuat realiti maya, di mana anda pada dasarnya dapat melihat pelbagai peringkat pembuatan bahan."
Dakwino juga mengatakan bahawa pemodelan komputer canggih dan teknik realiti maya memberikan kelebihan dengan membuat "sistem bersepadu di mana anda dapat mensimulasikan bahan tertentu dan melihat apakah bahan itu dapat diterapkan dalam lingkungan tertentu." Pengkomputeran kuantum secara radikal dapat mengubah keadaan di sini.
"Di masa depan, saya melihat lebih banyak minat terhadap kaedah pembuatan baru, cara baru membuat bahan baru, dan proses pembuatan baru melalui simulasi komputer, kerana kekuatan pengkomputeran yang besar berpotensi hanya diperoleh dengan menggunakan komputer kuantum."
Menurut Dakwino, beberapa aplikasi graphene lebih maju dari segi teknologi, sementara yang lain kurang. Sebagai contoh, komposit seramik berasaskan matriks dapat diperbaiki dengan menyatukan plat graphene yang menguatkan bahan dan meningkatkan ketahanan mekanikalnya sambil mengurangkan beratnya. "Jika kita berbicara, misalnya, mengenai komposit," sambung Dakvino, "atau, dalam istilah yang paling umum, mengenai bahan yang diperkuat dengan menambahkan graphene, maka kita akan mendapatkan bahan dan proses sebenar pengeluaran besar-besaran mereka, jika tidak besok, tetapi mungkin dalam lima tahun akan datang ".
"Inilah sebabnya mengapa graphene sangat menarik untuk sistem perlindungan balistik. Bukan kerana graphene boleh digunakan sebagai perisai. Tetapi jika anda menggunakan graphene di perisai anda sebagai bahan penguat, maka ia dapat menjadi lebih kuat daripada Kevlar."
Kawasan keutamaan, misalnya, sistem autonomi dan sensor, serta kawasan ketenteraan berisiko tinggi, seperti bawah laut, ruang dan cybernetic, kebanyakan bergantung pada bahan canggih baru dan antara muka nano- dan mikroteknologi dengan bioteknologi, "stealth" bahan, bahan reaktif dan sistem penjanaan dan penyimpanan tenaga.
Metamaterials dan nanotechnology seperti graphene dan carbon nanotube sedang berkembang pesat hari ini. Dalam teknologi baru ini, tentera mencari peluang baru, meneroka aplikasi mereka dan potensi halangan, kerana mereka terpaksa menyeimbangkan antara keperluan medan perang moden dan tujuan penyelidikan jangka panjang.
