Metamateriales, grafeno, biónicos. Nuevos materiales y tecnologías luchan por luchar.
El ritmo acelerado del desarrollo tecnológico está cambiando la naturaleza de la conducción de las operaciones militares, con más y más fuerzas y medios que se gastan en investigación y desarrollo, cuyo objetivo es crear nuevos materiales avanzados y su uso en la esfera de la defensa.
La posibilidad de crear material con un ángulo de refracción negativo fue predicha por el físico soviético Viktor Veselago en 1967, pero solo ahora aparecen las primeras muestras de estructuras reales con tales propiedades. Debido al ángulo negativo de refracción, los rayos de luz se doblan alrededor del objeto, haciéndolo invisible. Por lo tanto, el observador solo se da cuenta de lo que sucede detrás de su espalda en un impermeable "maravilloso".
Con el fin de obtener una ventaja en el campo de batalla, las fuerzas armadas modernas están recurriendo a oportunidades de grandes avances como, por ejemplo, la protección portátil avanzada y la armadura de vehículos, la nanotecnología. Camuflaje innovador, nuevos dispositivos eléctricos, superkkumulyatory y protección "inteligente" o reactiva de plataformas y personal. Los sistemas militares se están volviendo más complejos, se están desarrollando y fabricando nuevos materiales multifuncionales avanzados y materiales de doble uso, y la miniaturización de la electrónica pesada y flexible está avanzando a pasos agigantados.
Los ejemplos incluyen materiales prometedores de autorreparación, materiales compuestos avanzados, materiales cerámicos funcionales, materiales electrocrómicos, materiales "ciberservicios" que responden a la interferencia electromagnética. Se espera que se conviertan en la base de tecnologías innovadoras que cambiarán irrevocablemente el campo de batalla y la naturaleza de las futuras operaciones militares.
Los materiales avanzados de la próxima generación, por ejemplo, metamateriales, grafeno y nanotubos de carbono, son de gran interés y atraen inversiones sólidas porque tienen propiedades y funcionalidades que no se encuentran en la naturaleza y son adecuados para las industrias de defensa y tareas realizadas en espacios extremos u hostiles. La nanotecnología utiliza materiales a escala nanométrica (10-9) para que fuera posible modificar las estructuras a nivel atómico y molecular y crear diversos tejidos, dispositivos o sistemas. Estos materiales son una dirección muy prometedora y en el futuro podrán tener un impacto serio en la efectividad del combate.
Metamateriales
Antes de proceder, definiremos los metamateriales. Un metamaterial es un material compuesto cuyas propiedades son causadas no tanto por las propiedades de sus elementos constituyentes como por la estructura periódica creada artificialmente. Son entornos formados artificialmente y especialmente estructurados que tienen propiedades electromagnéticas o acústicas que son tecnológicamente difíciles de alcanzar o que no se encuentran en la naturaleza.
Kymeta Corporation, una subsidiaria de la compañía de patentes Intellectual Ventures, entró al mercado de la defensa con una antena del metamater de mTenna en 2016. Según Nathan Kundz, director de la compañía, la antena portátil en forma de antena de transceptor pesa aproximadamente 18 kg y consume vatios 10. El equipo para antenas de metamateriales es del tamaño de un libro o una netbook, no tiene partes móviles y se fabrica de la misma manera que los monitores LCD o las pantallas de teléfonos inteligentes que utilizan tecnología de transistores de película delgada.
Los metamateriales consisten en microestructuras subwave, es decir, estructuras cuyas dimensiones son más pequeñas que la longitud de onda de la radiación que deben controlar. Estas estructuras pueden estar hechas de materiales no magnéticos, como el cobre, y grabarse en una placa de circuito impreso de sustrato de fibra de vidrio.
Se pueden crear metamateriales para interactuar con los componentes principales de las ondas electromagnéticas: constante dieléctrica y permeabilidad magnética. Según Pablos Holman, el inventor de Intellectual Ventures, las antenas creadas por la tecnología de metamateriales pueden eventualmente expulsar torres celulares, líneas terrestres y cables coaxiales y de fibra óptica.
Las antenas tradicionales están sintonizadas para interceptar la energía controlada de una longitud de onda específica, que excita los electrones en la antena, generando corrientes eléctricas. A su vez, estas señales codificadas pueden interpretarse como información.
Los sistemas modernos de antenas son voluminosos, ya que las diferentes frecuencias requieren su propio tipo de antena. En el caso de antenas de metamateriales, la capa superficial le permite cambiar la dirección de la flexión de las ondas electromagnéticas. Los metamateriales muestran una permeabilidad magnética negativa y dieléctrica negativa y, por lo tanto, tienen un índice de refracción negativo. Este índice de refracción negativo, que no se encuentra en ningún material natural, determina el cambio en las ondas electromagnéticas al cruzar el borde de dos medios diferentes. Por lo tanto, el receptor de antena metamaterial puede sintonizarse electrónicamente para recibir varias frecuencias y, por lo tanto, los desarrolladores pueden lograr banda ancha y reducir el tamaño de los elementos de antena.
Los metamateriales dentro de dichas antenas se ensamblan en una matriz plana de celdas individuales muy compactas (muy similar a la colocación de los píxeles de la pantalla del televisor) con otra matriz plana de guías de onda rectangulares paralelas, así como un módulo que controla la radiación de la onda a través del software y permite que la antena determine la dirección de la radiación.
Holman explicó que la forma más fácil de comprender las virtudes de las antenas de metamateriales es observar más de cerca las aperturas físicas de la antena y la confiabilidad de las conexiones a Internet en barcos, aviones, drones y otros sistemas de movimiento.
"Cada nuevo satélite de comunicaciones que se está poniendo en órbita en estos días", continuó Holman, "tiene más ancho de banda que la constelación de satélites hace varios años. Tenemos un gran potencial para la comunicación inalámbrica en estas redes satelitales, pero la única forma de conectarnos es tomar una antena parabólica que sea grande, pesada y costosa de instalar y mantener. Al tener una antena basada en metamateriales, podemos hacer un panel plano que pueda controlar el haz y apuntar directamente al satélite.
"El cincuenta por ciento de las veces que una antena controlada físicamente no está orientada a satélites y realmente no estás conectado", dijo Holman. "Por lo tanto, una antena de metamaterial puede ser especialmente útil en un contexto marítimo, porque la antena está físicamente controlada para ser enviada al satélite, ya que el barco cambia de rumbo y está en constante movimiento sobre las olas".
Actualmente, existe un rápido desarrollo de plataformas no tripuladas tecnológicas con propiedades biónicas. Por ejemplo, APA Razor (modelo a escala en la foto de abajo) y APA Velox (arriba) imitan los movimientos naturales de los animales o las plantas, lo cual es ideal para tareas de reconocimiento y secretas.
Biónica
El desarrollo de nuevos materiales también se dirige hacia la creación de sistemas multifuncionales flexibles con formas complejas. Aquí, la ciencia aplicada desempeña un papel importante en la aplicación en dispositivos técnicos y sistemas de principios de organización, propiedades, funciones y estructuras de la naturaleza viva. Bionics (en la literatura biomimética occidental) ayuda a una persona a crear sistemas técnicos y procesos tecnológicos originales basados en ideas encontradas y tomadas de la naturaleza.
El centro de investigación para los problemas de la guerra submarina de la Armada de los EE. UU. Tiene un vehículo submarino autónomo (APA) para la búsqueda de minas, que utiliza principios biónicos. Imitando los movimientos de la vida marina. Aparato Razor longitud 3 metro puede llevar a dos personas. Su electrónica coordina el trabajo de cuatro alas batientes y dos hélices en la popa. Los movimientos de las moscas imitan los movimientos de algunos animales, como las aves y las tortugas. Esto permite que la APA se desplace, realice maniobras precisas a bajas velocidades y desarrolle altas velocidades. Dicha maniobrabilidad también permite a Razor cambiar fácilmente su posición en el espacio y flotar alrededor de los objetos para obtener su imagen tridimensional.
La Administración de Investigación y Desarrollo de la Armada de los EE. UU. Está financiando el desarrollo por parte de Pliant Energy Systems de un prototipo del vehículo submarino autónomo opcional Velox, que en lugar de hélices usó un sistema de aletas de papel flexible, no lineal, similar a una hoja, que genera movimientos repetitivos en forma de ondas similares a los movimientos de patines. El dispositivo convierte los movimientos de aletas de polímero electroactivas, onduladas y flexibles con una geometría hiperbólica plana en movimiento de traslación, moviéndose libremente bajo el agua, en las olas del oleaje, en la arena, sobre la vegetación marina y terrestre, sobre rocas resbaladizas o hielo.
Según el representante de la compañía Pliant Energy Systems, el movimiento hacia adelante ondulado no le permite enredarse en una densa vegetación, ya que no hay partes giratorias y se causa un daño mínimo a las plantas y las rocas sedimentarias. Una unidad de bajo ruido alimentada por una batería de iones de litio puede mejorar su flotabilidad para mantener su posición bajo el hielo, mientras que puede controlarse de forma remota. Sus tareas principales incluyen: comunicación, incluyendo GPS, WiFi, radio o canales satelitales; inteligencia y recopilación de información; búsqueda y rescate; y escanear e identificar min.
El desarrollo de nanotecnologías y microestructuras también es muy importante en las tecnologías biónicas, cuya inspiración proviene de la naturaleza para imitar procesos físicos u optimizar la producción de nuevos materiales.
La armadura transparente se utiliza no solo para la protección balística de personas y vehículos. También es ideal para proteger dispositivos electrónicos, láseres de alta energía, sistemas de imágenes endurecidos, máscaras de protección facial, UAV y otras plataformas sensibles a la masa.
El laboratorio de investigación de la Marina de los Estados Unidos desarrolla una protección de polímero transparente que tiene una microestructura en capas similar a la cáscara quitinosa de los crustáceos, pero está hecha de materiales plásticos. Esto permite que el material permanezca conforme a una amplia gama de temperaturas y cargas, lo que permite que se utilice para proteger al personal, plataformas estacionarias, vehículos y aviones.
Según Yasa Sanghera, el jefe de materiales y dispositivos ópticos en este laboratorio, la protección disponible en el mercado generalmente está hecha de tres tipos de plástico y no puede resistir el cien por ciento de la bala 9-mm disparada desde los medidores 1-2 Velocidad 335 m / s.
La armadura transparente de este laboratorio puede reducir el peso en un 40% mientras mantiene la integridad balística y absorbe más energía de la bala en un 68%. Sanghera explicó que la armadura podría ser excelente para varias aplicaciones militares, por ejemplo, vehículos protegidos contra minas, vehículos blindados flotantes, vehículos de suministro y ventanas de cabina de aviación.
De acuerdo con Sanghera, su laboratorio pretende, sobre la base de los desarrollos existentes, crear una armadura transparente conformada y liviana con características de impacto múltiple y lograr una reducción de peso de más del 20%, que brindará protección contra las balas de rifle del calibre 7,62x39 mm.
La Dirección de Investigación de Defensa Avanzada DARPA también está desarrollando una armadura transparente de espinela (Spinel) con propiedades únicas. Este material tiene excelentes características de impacto múltiple, alta dureza y resistencia a la erosión, mayor resistencia a factores externos; transmite una gama más amplia de radiación infrarroja de onda media, lo que aumenta las capacidades de los dispositivos de visión nocturna (la capacidad de ver objetos detrás de superficies de vidrio) y también pesa la mitad del tamaño del vidrio tradicional a prueba de balas.
Esta actividad forma parte del programa DARPA llamado Átomos al producto (А2Р), en cuyo marco se desarrollan “las tecnologías y procesos necesarios para ensamblar partículas nanométricas (tamaños cercanos al tamaño de los átomos) en sistemas, componentes o materiales de escala al menos milimétrica”.
Según el jefe del programa A2P en DARPA, John Mayne, en los últimos ocho años, la Oficina ha logrado reducir el grosor de la armadura transparente de la base de aproximadamente 18 cm a 6 cm mientras mantiene sus características de resistencia. Se compone de muchas capas diferentes, "no todas ellas son de cerámica y no todas son de plástico o vidrio", que se pegan al sustrato para evitar que se agrieten. "Deberías considerarlo como un sistema de protección, no como una pieza monolítica de material".
Las gafas de "Spinel" se fabricaron para la instalación en prototipos de camiones de FMTV (Familia de vehículos tácticos medianos, una familia de vehículos militares de carga mediana) del ejército estadounidense para su evaluación por el Centro blindado de investigación y desarrollo.
Como parte del programa A2P, DARPA emitió Voxtel, en colaboración con el Instituto de Nanomateriales y Microelectrónica de Oregón, un contrato por un valor de 5,9 millones de dólares para investigar procesos de producción que sean escalables de nano a macro. Este proyecto biónico implica el desarrollo de un adhesivo sintético que replica las capacidades de un lagarto gecko.
“En las plantas de un gecko, hay algo así como pelos pequeños ... de unos 100 de micras de longitud, que se ramifican violentamente. Al final de cada rama pequeña hay una diminuta nanoplata del tamaño de los nanómetros 10. Cuando entran en contacto con una pared o techo, estas placas permiten que el gecko se adhiera a la pared o al techo ".
Maine dijo que los fabricantes nunca podrían repetir estas posibilidades, porque no podían crear nanoestructuras ramificadas.
“Voxtel desarrolla tecnologías de producción que permiten replicar una estructura biológica similar y capturar estas cualidades biológicas. Utiliza los nanotubos de carbono de una forma realmente nueva, le permite crear estructuras complejas 3D y usarlas de formas muy originales, no necesariamente como estructuras, sino de otras formas más inventivas ".
Voxtel quiere desarrollar técnicas avanzadas de fabricación aditiva que produzcan "materiales que se ensamblan en bloques funcionalmente completos y luego se ensamblan en complejos sistemas heterogéneos". Estas técnicas se basarán en la imitación de códigos genéticos simples que se encuentran en la naturaleza y en reacciones químicas generales que permiten que las moléculas se auto-armen desde el nivel atómico a grandes estructuras capaces de abastecerse de energía.
“Queremos desarrollar material adhesivo repetible avanzado. "Nos gustaría obtener un material con las propiedades del pegamento epoxi, pero sin su desechabilidad y contaminación de la superficie", dijo Maine. "La belleza del material a la gecko es que no deja residuos y actúa instantáneamente".
Otros materiales avanzados de rápido desarrollo incluyen materiales ultra delgados, por ejemplo, grafeno y nanotubos de carbono, que tienen propiedades estructurales, térmicas, eléctricas y ópticas que cambiarán fundamentalmente el espacio de combate moderno.
Ventanas transparentes de "Spinel" fueron hechas para prototipos de camiones FMTV del Ejército de los EE. UU.
Grafeno
Aunque los nanotubos de carbono tienen un buen potencial de uso en sistemas electrónicos y de camuflaje, así como en el campo biomédico, el grafeno es "más interesante porque ofrece más posibilidades, al menos en el papel", dijo Giuseppe Duquino, un representante de la Agencia Europea de Defensa ( EoA).
El grafeno es un nanomaterial ultrafino formado por una capa de átomos de carbono de un átomo de espesor. El grafeno liviano y duradero tiene una conductividad térmica y conductividad eléctrica récord. La industria de la defensa está estudiando cuidadosamente la posibilidad de usar el grafeno en aquellas aplicaciones que requieren su fuerza, flexibilidad y resistencia a altas temperaturas, por ejemplo, en misiones de combate realizadas en condiciones extremas.
Dakvino dijo que el grafeno es "al menos en teoría el material del futuro". La razón por la que se están celebrando tantos debates interesantes ahora es que después de tantos años de investigación en el sector civil se ha hecho evidente que realmente cambiará los escenarios de batalla ".
“Enumeraré solo algunas de las posibilidades: electrónica flexible, sistemas de potencia, protección balística, camuflaje, filtros / membranas, materiales con alta disipación de calor, aplicaciones biomédicas y sensores. Estas son, de hecho, las principales orientaciones tecnológicas ".
En diciembre, la EAU comenzó un estudio de un año de duración sobre posibles áreas prometedoras para el uso del grafeno en la esfera militar y su impacto en la industria de defensa europea. Estos trabajos fueron dirigidos por la Fundación Española para la Investigación e Innovación Técnica, con la que colaboran la Universidad de Cartagena y la compañía británica Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. En mayo, 2017, se llevó a cabo un seminario de investigadores y expertos en grafeno, donde se definió una hoja de ruta para su uso en el campo de la defensa.
Según la EAW, “entre los materiales que pueden cambiar fundamentalmente las capacidades de defensa en la próxima década, el grafeno está en la lista de prioridades. Ligero, flexible, más fuerte que el acero en 200, y su conductividad eléctrica es simplemente increíble (mejor que el silicio), así como su conductividad térmica ".
La EAA también señaló que el grafeno tiene propiedades notables en el área de "gestión de firmas". Es decir, se puede utilizar para la producción de "revestimientos absorbentes de radar, que convertirán los vehículos militares, aviones, submarinos y barcos de superficie en objetos casi indetectables. Todo esto hace del grafeno un material extremadamente atractivo no solo para la industria civil, sino también para aplicaciones militares, terrestres, aéreas y marinas ".
El proceso de sinterización mediante el método de prensado en caliente (arriba) El laboratorio de investigación de la Marina de los EE. UU. Utiliza para crear cerámicas transparentes "Espinela". El polvo se comprime al vacío para obtener transparencia. El material resultante (abajo) se puede pulir y pulir como piedras preciosas.
Con este fin, el Ejército de los EE. UU. Está estudiando el uso del grafeno para vehículos y prendas de protección. Según el ingeniero Emil Sandoz-Rosado del Laboratorio de Investigación Militar del Ejército de EE. UU. (ARL), este material tiene excelentes propiedades mecánicas: una capa atómica de grafeno es 10 veces más dura y más que 30 más fuerte que la misma capa de fibra balística comercial. “El techo para el grafeno es muy alto. Esta es una de las razones por las que varios grupos de trabajo en la ARL han mostrado interés en ella, porque sus características estructurales en términos de reservas son muy prometedoras.
Sin embargo, hay dificultades bastante grandes. Uno de ellos es el escalado de material; el ejército necesita materiales protectores que puedan cerrar tanques, autos y soldados. “Necesitamos mucho más. En general, estamos hablando del millón o más capas que necesitamos actualmente ”.
Sandoz-Rosado dijo que el grafeno se puede obtener de una o dos maneras, ya sea a través del proceso de exfoliación, cuando el grafito de alta calidad se divide en capas atómicas separadas, o mediante el crecimiento de una sola capa atómica de grafeno en una lámina de cobre. Este proceso está bien dominado por laboratorios dedicados a la producción de grafeno de alta calidad. "No es del todo perfecto, pero está muy cerca de eso. Sin embargo, hoy es el momento de hablar de más de una capa atómica, necesitamos un producto completo ". Como resultado, recientemente se ha lanzado un programa para desarrollar procesos continuos de producción de grafeno a escala industrial.
"Tanto si se trata de nanotubos de carbono como de grafeno, debe tener en cuenta los requisitos específicos que deben cumplirse", advirtió Dakvino, señalando que la descripción oficial de las características de los nuevos materiales avanzados, la estandarización de procesos precisos para la creación de nuevos materiales, la reproducibilidad de estos procesos, la posibilidad de fabricación de toda la cadena. (desde la investigación básica hasta la producción de demostraciones y prototipos) necesitan un estudio cuidadoso y una justificación cuando se trata de usar en el ejército. avance plataformas de materiales tales como grafeno y nanotubos de carbono.
“Esto no es solo una investigación, porque al final, debe asegurarse de que cierto material haya recibido una descripción oficial y, después, debe asegurarse de que se pueda llevar a cabo de acuerdo con un determinado proceso. Esto no es tan fácil, ya que el proceso de fabricación puede variar, la calidad del producto producido puede variar según el proceso, por lo que el proceso debe repetirse varias veces ".
Según Sandoz-Rosado, ARL trabajó con los productores de grafeno para evaluar la clase de calidad del producto y la posibilidad de su escalado. Aunque aún no está claro si los procesos continuos que están al comienzo de su formación tienen un modelo de negocio, las capacidades correspondientes y si pueden proporcionar la calidad necesaria.
Dakvino señaló que el progreso en el modelado por computadora y la computación cuántica podría acelerar la investigación y el desarrollo, así como el desarrollo de métodos avanzados de producción de materiales en un futuro próximo. “Con el diseño asistido por computadora y el modelado de materiales, se pueden modelar muchas cosas: se pueden modelar las características de los materiales e incluso los procesos de producción. Incluso puede crear una realidad virtual, donde, de hecho, puede considerar las distintas etapas de creación de material ".
Dakvino también dijo que el modelado avanzado por computadora y las técnicas de realidad virtual ofrecen una ventaja al crear "un sistema integrado en el que puede simular material específico y ver si este material se puede aplicar en ciertas condiciones". Aquí, los cálculos cuánticos podrían cambiar radicalmente la situación aquí.
"En el futuro, veo aún más interés en nuevas formas de producción, nuevas formas de crear nuevos materiales y nuevos procesos de producción a través del modelado por computadora, ya que potencialmente se puede obtener una enorme capacidad de computación solo con el uso de computadoras cuánticas".
Según Dakvino, algunas aplicaciones del grafeno están más desarrolladas tecnológicamente y otras menos. Por ejemplo, los materiales compuestos de cerámica con una base de matriz pueden mejorarse integrando placas de grafeno que mejoran el material y aumentan su resistencia mecánica, al mismo tiempo que reducen su masa. "Si estamos hablando, por ejemplo, de materiales compuestos", continuó Dakvino, "o en los términos más generales sobre materiales mejorados mediante la adición de grafeno, obtendremos materiales reales y procesos reales de su producción en masa, si no mañana, pero quizás en los próximos cinco años. años
“Es por esto que el grafeno es tan interesante para los sistemas de protección balística. No porque el grafeno pueda usarse como armadura. Pero si usas grafeno en tu armadura como material de refuerzo, entonces puede volverse incluso más fuerte que el Kevlar ".
Las áreas prioritarias, por ejemplo, los sistemas autónomos y los sensores, así como las esferas militares de alto riesgo, por ejemplo, submarinas, espaciales y cibernéticas, dependen más de los nuevos materiales avanzados y de la conjugación de nano y microtecnologías con biotecnologías, materiales furtivos, materiales reactivos. y sistemas de generación y almacenamiento de energía.
Los metamateriales y las nanotecnologías, por ejemplo, el grafeno y los nanotubos de carbono, están experimentando un rápido desarrollo en la actualidad. En estas nuevas tecnologías, el ejército está buscando nuevas oportunidades, explorando formas de aplicarlas y barreras potenciales, porque tienen que equilibrarse entre las necesidades del campo de batalla moderno y los objetivos de investigación a largo plazo.
El futuro se nos acerca. Aparato Velox Company Pliant Energy Systems
En los materiales de los sitios:
www.nationaldefensemagazine.org
www.metamaterial.com
metamaterialescenter.com
science.howstuffworks.com
www.kymetacorp.com
www.pliantenergy.com
www.darpa.mil
voxtel-inc.com
www.eda.europa.eu
www.facebook.com
habr.com
www.wikipedia.org
en.wikipedia.org
pinterest.com
eandt.theiet.org
La posibilidad de crear material con un ángulo de refracción negativo fue predicha por el físico soviético Viktor Veselago en 1967, pero solo ahora aparecen las primeras muestras de estructuras reales con tales propiedades. Debido al ángulo negativo de refracción, los rayos de luz se doblan alrededor del objeto, haciéndolo invisible. Por lo tanto, el observador solo se da cuenta de lo que sucede detrás de su espalda en un impermeable "maravilloso".
Con el fin de obtener una ventaja en el campo de batalla, las fuerzas armadas modernas están recurriendo a oportunidades de grandes avances como, por ejemplo, la protección portátil avanzada y la armadura de vehículos, la nanotecnología. Camuflaje innovador, nuevos dispositivos eléctricos, superkkumulyatory y protección "inteligente" o reactiva de plataformas y personal. Los sistemas militares se están volviendo más complejos, se están desarrollando y fabricando nuevos materiales multifuncionales avanzados y materiales de doble uso, y la miniaturización de la electrónica pesada y flexible está avanzando a pasos agigantados.
Los ejemplos incluyen materiales prometedores de autorreparación, materiales compuestos avanzados, materiales cerámicos funcionales, materiales electrocrómicos, materiales "ciberservicios" que responden a la interferencia electromagnética. Se espera que se conviertan en la base de tecnologías innovadoras que cambiarán irrevocablemente el campo de batalla y la naturaleza de las futuras operaciones militares.
Los materiales avanzados de la próxima generación, por ejemplo, metamateriales, grafeno y nanotubos de carbono, son de gran interés y atraen inversiones sólidas porque tienen propiedades y funcionalidades que no se encuentran en la naturaleza y son adecuados para las industrias de defensa y tareas realizadas en espacios extremos u hostiles. La nanotecnología utiliza materiales a escala nanométrica (10-9) para que fuera posible modificar las estructuras a nivel atómico y molecular y crear diversos tejidos, dispositivos o sistemas. Estos materiales son una dirección muy prometedora y en el futuro podrán tener un impacto serio en la efectividad del combate.
Metamateriales
Antes de proceder, definiremos los metamateriales. Un metamaterial es un material compuesto cuyas propiedades son causadas no tanto por las propiedades de sus elementos constituyentes como por la estructura periódica creada artificialmente. Son entornos formados artificialmente y especialmente estructurados que tienen propiedades electromagnéticas o acústicas que son tecnológicamente difíciles de alcanzar o que no se encuentran en la naturaleza.
Kymeta Corporation, una subsidiaria de la compañía de patentes Intellectual Ventures, entró al mercado de la defensa con una antena del metamater de mTenna en 2016. Según Nathan Kundz, director de la compañía, la antena portátil en forma de antena de transceptor pesa aproximadamente 18 kg y consume vatios 10. El equipo para antenas de metamateriales es del tamaño de un libro o una netbook, no tiene partes móviles y se fabrica de la misma manera que los monitores LCD o las pantallas de teléfonos inteligentes que utilizan tecnología de transistores de película delgada.
Los metamateriales consisten en microestructuras subwave, es decir, estructuras cuyas dimensiones son más pequeñas que la longitud de onda de la radiación que deben controlar. Estas estructuras pueden estar hechas de materiales no magnéticos, como el cobre, y grabarse en una placa de circuito impreso de sustrato de fibra de vidrio.
Se pueden crear metamateriales para interactuar con los componentes principales de las ondas electromagnéticas: constante dieléctrica y permeabilidad magnética. Según Pablos Holman, el inventor de Intellectual Ventures, las antenas creadas por la tecnología de metamateriales pueden eventualmente expulsar torres celulares, líneas terrestres y cables coaxiales y de fibra óptica.
Las antenas tradicionales están sintonizadas para interceptar la energía controlada de una longitud de onda específica, que excita los electrones en la antena, generando corrientes eléctricas. A su vez, estas señales codificadas pueden interpretarse como información.
Los sistemas modernos de antenas son voluminosos, ya que las diferentes frecuencias requieren su propio tipo de antena. En el caso de antenas de metamateriales, la capa superficial le permite cambiar la dirección de la flexión de las ondas electromagnéticas. Los metamateriales muestran una permeabilidad magnética negativa y dieléctrica negativa y, por lo tanto, tienen un índice de refracción negativo. Este índice de refracción negativo, que no se encuentra en ningún material natural, determina el cambio en las ondas electromagnéticas al cruzar el borde de dos medios diferentes. Por lo tanto, el receptor de antena metamaterial puede sintonizarse electrónicamente para recibir varias frecuencias y, por lo tanto, los desarrolladores pueden lograr banda ancha y reducir el tamaño de los elementos de antena.
Los metamateriales dentro de dichas antenas se ensamblan en una matriz plana de celdas individuales muy compactas (muy similar a la colocación de los píxeles de la pantalla del televisor) con otra matriz plana de guías de onda rectangulares paralelas, así como un módulo que controla la radiación de la onda a través del software y permite que la antena determine la dirección de la radiación.
Holman explicó que la forma más fácil de comprender las virtudes de las antenas de metamateriales es observar más de cerca las aperturas físicas de la antena y la confiabilidad de las conexiones a Internet en barcos, aviones, drones y otros sistemas de movimiento.
"Cada nuevo satélite de comunicaciones que se está poniendo en órbita en estos días", continuó Holman, "tiene más ancho de banda que la constelación de satélites hace varios años. Tenemos un gran potencial para la comunicación inalámbrica en estas redes satelitales, pero la única forma de conectarnos es tomar una antena parabólica que sea grande, pesada y costosa de instalar y mantener. Al tener una antena basada en metamateriales, podemos hacer un panel plano que pueda controlar el haz y apuntar directamente al satélite.
"El cincuenta por ciento de las veces que una antena controlada físicamente no está orientada a satélites y realmente no estás conectado", dijo Holman. "Por lo tanto, una antena de metamaterial puede ser especialmente útil en un contexto marítimo, porque la antena está físicamente controlada para ser enviada al satélite, ya que el barco cambia de rumbo y está en constante movimiento sobre las olas".
Actualmente, existe un rápido desarrollo de plataformas no tripuladas tecnológicas con propiedades biónicas. Por ejemplo, APA Razor (modelo a escala en la foto de abajo) y APA Velox (arriba) imitan los movimientos naturales de los animales o las plantas, lo cual es ideal para tareas de reconocimiento y secretas.
Biónica
El desarrollo de nuevos materiales también se dirige hacia la creación de sistemas multifuncionales flexibles con formas complejas. Aquí, la ciencia aplicada desempeña un papel importante en la aplicación en dispositivos técnicos y sistemas de principios de organización, propiedades, funciones y estructuras de la naturaleza viva. Bionics (en la literatura biomimética occidental) ayuda a una persona a crear sistemas técnicos y procesos tecnológicos originales basados en ideas encontradas y tomadas de la naturaleza.
El centro de investigación para los problemas de la guerra submarina de la Armada de los EE. UU. Tiene un vehículo submarino autónomo (APA) para la búsqueda de minas, que utiliza principios biónicos. Imitando los movimientos de la vida marina. Aparato Razor longitud 3 metro puede llevar a dos personas. Su electrónica coordina el trabajo de cuatro alas batientes y dos hélices en la popa. Los movimientos de las moscas imitan los movimientos de algunos animales, como las aves y las tortugas. Esto permite que la APA se desplace, realice maniobras precisas a bajas velocidades y desarrolle altas velocidades. Dicha maniobrabilidad también permite a Razor cambiar fácilmente su posición en el espacio y flotar alrededor de los objetos para obtener su imagen tridimensional.
La Administración de Investigación y Desarrollo de la Armada de los EE. UU. Está financiando el desarrollo por parte de Pliant Energy Systems de un prototipo del vehículo submarino autónomo opcional Velox, que en lugar de hélices usó un sistema de aletas de papel flexible, no lineal, similar a una hoja, que genera movimientos repetitivos en forma de ondas similares a los movimientos de patines. El dispositivo convierte los movimientos de aletas de polímero electroactivas, onduladas y flexibles con una geometría hiperbólica plana en movimiento de traslación, moviéndose libremente bajo el agua, en las olas del oleaje, en la arena, sobre la vegetación marina y terrestre, sobre rocas resbaladizas o hielo.
Según el representante de la compañía Pliant Energy Systems, el movimiento hacia adelante ondulado no le permite enredarse en una densa vegetación, ya que no hay partes giratorias y se causa un daño mínimo a las plantas y las rocas sedimentarias. Una unidad de bajo ruido alimentada por una batería de iones de litio puede mejorar su flotabilidad para mantener su posición bajo el hielo, mientras que puede controlarse de forma remota. Sus tareas principales incluyen: comunicación, incluyendo GPS, WiFi, radio o canales satelitales; inteligencia y recopilación de información; búsqueda y rescate; y escanear e identificar min.
El desarrollo de nanotecnologías y microestructuras también es muy importante en las tecnologías biónicas, cuya inspiración proviene de la naturaleza para imitar procesos físicos u optimizar la producción de nuevos materiales.
La armadura transparente se utiliza no solo para la protección balística de personas y vehículos. También es ideal para proteger dispositivos electrónicos, láseres de alta energía, sistemas de imágenes endurecidos, máscaras de protección facial, UAV y otras plataformas sensibles a la masa.
El laboratorio de investigación de la Marina de los Estados Unidos desarrolla una protección de polímero transparente que tiene una microestructura en capas similar a la cáscara quitinosa de los crustáceos, pero está hecha de materiales plásticos. Esto permite que el material permanezca conforme a una amplia gama de temperaturas y cargas, lo que permite que se utilice para proteger al personal, plataformas estacionarias, vehículos y aviones.
Según Yasa Sanghera, el jefe de materiales y dispositivos ópticos en este laboratorio, la protección disponible en el mercado generalmente está hecha de tres tipos de plástico y no puede resistir el cien por ciento de la bala 9-mm disparada desde los medidores 1-2 Velocidad 335 m / s.
La armadura transparente de este laboratorio puede reducir el peso en un 40% mientras mantiene la integridad balística y absorbe más energía de la bala en un 68%. Sanghera explicó que la armadura podría ser excelente para varias aplicaciones militares, por ejemplo, vehículos protegidos contra minas, vehículos blindados flotantes, vehículos de suministro y ventanas de cabina de aviación.
De acuerdo con Sanghera, su laboratorio pretende, sobre la base de los desarrollos existentes, crear una armadura transparente conformada y liviana con características de impacto múltiple y lograr una reducción de peso de más del 20%, que brindará protección contra las balas de rifle del calibre 7,62x39 mm.
La Dirección de Investigación de Defensa Avanzada DARPA también está desarrollando una armadura transparente de espinela (Spinel) con propiedades únicas. Este material tiene excelentes características de impacto múltiple, alta dureza y resistencia a la erosión, mayor resistencia a factores externos; transmite una gama más amplia de radiación infrarroja de onda media, lo que aumenta las capacidades de los dispositivos de visión nocturna (la capacidad de ver objetos detrás de superficies de vidrio) y también pesa la mitad del tamaño del vidrio tradicional a prueba de balas.
Esta actividad forma parte del programa DARPA llamado Átomos al producto (А2Р), en cuyo marco se desarrollan “las tecnologías y procesos necesarios para ensamblar partículas nanométricas (tamaños cercanos al tamaño de los átomos) en sistemas, componentes o materiales de escala al menos milimétrica”.
Según el jefe del programa A2P en DARPA, John Mayne, en los últimos ocho años, la Oficina ha logrado reducir el grosor de la armadura transparente de la base de aproximadamente 18 cm a 6 cm mientras mantiene sus características de resistencia. Se compone de muchas capas diferentes, "no todas ellas son de cerámica y no todas son de plástico o vidrio", que se pegan al sustrato para evitar que se agrieten. "Deberías considerarlo como un sistema de protección, no como una pieza monolítica de material".
Las gafas de "Spinel" se fabricaron para la instalación en prototipos de camiones de FMTV (Familia de vehículos tácticos medianos, una familia de vehículos militares de carga mediana) del ejército estadounidense para su evaluación por el Centro blindado de investigación y desarrollo.
Como parte del programa A2P, DARPA emitió Voxtel, en colaboración con el Instituto de Nanomateriales y Microelectrónica de Oregón, un contrato por un valor de 5,9 millones de dólares para investigar procesos de producción que sean escalables de nano a macro. Este proyecto biónico implica el desarrollo de un adhesivo sintético que replica las capacidades de un lagarto gecko.
“En las plantas de un gecko, hay algo así como pelos pequeños ... de unos 100 de micras de longitud, que se ramifican violentamente. Al final de cada rama pequeña hay una diminuta nanoplata del tamaño de los nanómetros 10. Cuando entran en contacto con una pared o techo, estas placas permiten que el gecko se adhiera a la pared o al techo ".
Maine dijo que los fabricantes nunca podrían repetir estas posibilidades, porque no podían crear nanoestructuras ramificadas.
“Voxtel desarrolla tecnologías de producción que permiten replicar una estructura biológica similar y capturar estas cualidades biológicas. Utiliza los nanotubos de carbono de una forma realmente nueva, le permite crear estructuras complejas 3D y usarlas de formas muy originales, no necesariamente como estructuras, sino de otras formas más inventivas ".
Voxtel quiere desarrollar técnicas avanzadas de fabricación aditiva que produzcan "materiales que se ensamblan en bloques funcionalmente completos y luego se ensamblan en complejos sistemas heterogéneos". Estas técnicas se basarán en la imitación de códigos genéticos simples que se encuentran en la naturaleza y en reacciones químicas generales que permiten que las moléculas se auto-armen desde el nivel atómico a grandes estructuras capaces de abastecerse de energía.
“Queremos desarrollar material adhesivo repetible avanzado. "Nos gustaría obtener un material con las propiedades del pegamento epoxi, pero sin su desechabilidad y contaminación de la superficie", dijo Maine. "La belleza del material a la gecko es que no deja residuos y actúa instantáneamente".
Otros materiales avanzados de rápido desarrollo incluyen materiales ultra delgados, por ejemplo, grafeno y nanotubos de carbono, que tienen propiedades estructurales, térmicas, eléctricas y ópticas que cambiarán fundamentalmente el espacio de combate moderno.
Ventanas transparentes de "Spinel" fueron hechas para prototipos de camiones FMTV del Ejército de los EE. UU.
Grafeno
Aunque los nanotubos de carbono tienen un buen potencial de uso en sistemas electrónicos y de camuflaje, así como en el campo biomédico, el grafeno es "más interesante porque ofrece más posibilidades, al menos en el papel", dijo Giuseppe Duquino, un representante de la Agencia Europea de Defensa ( EoA).
El grafeno es un nanomaterial ultrafino formado por una capa de átomos de carbono de un átomo de espesor. El grafeno liviano y duradero tiene una conductividad térmica y conductividad eléctrica récord. La industria de la defensa está estudiando cuidadosamente la posibilidad de usar el grafeno en aquellas aplicaciones que requieren su fuerza, flexibilidad y resistencia a altas temperaturas, por ejemplo, en misiones de combate realizadas en condiciones extremas.
Dakvino dijo que el grafeno es "al menos en teoría el material del futuro". La razón por la que se están celebrando tantos debates interesantes ahora es que después de tantos años de investigación en el sector civil se ha hecho evidente que realmente cambiará los escenarios de batalla ".
“Enumeraré solo algunas de las posibilidades: electrónica flexible, sistemas de potencia, protección balística, camuflaje, filtros / membranas, materiales con alta disipación de calor, aplicaciones biomédicas y sensores. Estas son, de hecho, las principales orientaciones tecnológicas ".
En diciembre, la EAU comenzó un estudio de un año de duración sobre posibles áreas prometedoras para el uso del grafeno en la esfera militar y su impacto en la industria de defensa europea. Estos trabajos fueron dirigidos por la Fundación Española para la Investigación e Innovación Técnica, con la que colaboran la Universidad de Cartagena y la compañía británica Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. En mayo, 2017, se llevó a cabo un seminario de investigadores y expertos en grafeno, donde se definió una hoja de ruta para su uso en el campo de la defensa.
Según la EAW, “entre los materiales que pueden cambiar fundamentalmente las capacidades de defensa en la próxima década, el grafeno está en la lista de prioridades. Ligero, flexible, más fuerte que el acero en 200, y su conductividad eléctrica es simplemente increíble (mejor que el silicio), así como su conductividad térmica ".
La EAA también señaló que el grafeno tiene propiedades notables en el área de "gestión de firmas". Es decir, se puede utilizar para la producción de "revestimientos absorbentes de radar, que convertirán los vehículos militares, aviones, submarinos y barcos de superficie en objetos casi indetectables. Todo esto hace del grafeno un material extremadamente atractivo no solo para la industria civil, sino también para aplicaciones militares, terrestres, aéreas y marinas ".
El proceso de sinterización mediante el método de prensado en caliente (arriba) El laboratorio de investigación de la Marina de los EE. UU. Utiliza para crear cerámicas transparentes "Espinela". El polvo se comprime al vacío para obtener transparencia. El material resultante (abajo) se puede pulir y pulir como piedras preciosas.
Con este fin, el Ejército de los EE. UU. Está estudiando el uso del grafeno para vehículos y prendas de protección. Según el ingeniero Emil Sandoz-Rosado del Laboratorio de Investigación Militar del Ejército de EE. UU. (ARL), este material tiene excelentes propiedades mecánicas: una capa atómica de grafeno es 10 veces más dura y más que 30 más fuerte que la misma capa de fibra balística comercial. “El techo para el grafeno es muy alto. Esta es una de las razones por las que varios grupos de trabajo en la ARL han mostrado interés en ella, porque sus características estructurales en términos de reservas son muy prometedoras.
Sin embargo, hay dificultades bastante grandes. Uno de ellos es el escalado de material; el ejército necesita materiales protectores que puedan cerrar tanques, autos y soldados. “Necesitamos mucho más. En general, estamos hablando del millón o más capas que necesitamos actualmente ”.
Sandoz-Rosado dijo que el grafeno se puede obtener de una o dos maneras, ya sea a través del proceso de exfoliación, cuando el grafito de alta calidad se divide en capas atómicas separadas, o mediante el crecimiento de una sola capa atómica de grafeno en una lámina de cobre. Este proceso está bien dominado por laboratorios dedicados a la producción de grafeno de alta calidad. "No es del todo perfecto, pero está muy cerca de eso. Sin embargo, hoy es el momento de hablar de más de una capa atómica, necesitamos un producto completo ". Como resultado, recientemente se ha lanzado un programa para desarrollar procesos continuos de producción de grafeno a escala industrial.
"Tanto si se trata de nanotubos de carbono como de grafeno, debe tener en cuenta los requisitos específicos que deben cumplirse", advirtió Dakvino, señalando que la descripción oficial de las características de los nuevos materiales avanzados, la estandarización de procesos precisos para la creación de nuevos materiales, la reproducibilidad de estos procesos, la posibilidad de fabricación de toda la cadena. (desde la investigación básica hasta la producción de demostraciones y prototipos) necesitan un estudio cuidadoso y una justificación cuando se trata de usar en el ejército. avance plataformas de materiales tales como grafeno y nanotubos de carbono.
“Esto no es solo una investigación, porque al final, debe asegurarse de que cierto material haya recibido una descripción oficial y, después, debe asegurarse de que se pueda llevar a cabo de acuerdo con un determinado proceso. Esto no es tan fácil, ya que el proceso de fabricación puede variar, la calidad del producto producido puede variar según el proceso, por lo que el proceso debe repetirse varias veces ".
Según Sandoz-Rosado, ARL trabajó con los productores de grafeno para evaluar la clase de calidad del producto y la posibilidad de su escalado. Aunque aún no está claro si los procesos continuos que están al comienzo de su formación tienen un modelo de negocio, las capacidades correspondientes y si pueden proporcionar la calidad necesaria.
Dakvino señaló que el progreso en el modelado por computadora y la computación cuántica podría acelerar la investigación y el desarrollo, así como el desarrollo de métodos avanzados de producción de materiales en un futuro próximo. “Con el diseño asistido por computadora y el modelado de materiales, se pueden modelar muchas cosas: se pueden modelar las características de los materiales e incluso los procesos de producción. Incluso puede crear una realidad virtual, donde, de hecho, puede considerar las distintas etapas de creación de material ".
Dakvino también dijo que el modelado avanzado por computadora y las técnicas de realidad virtual ofrecen una ventaja al crear "un sistema integrado en el que puede simular material específico y ver si este material se puede aplicar en ciertas condiciones". Aquí, los cálculos cuánticos podrían cambiar radicalmente la situación aquí.
"En el futuro, veo aún más interés en nuevas formas de producción, nuevas formas de crear nuevos materiales y nuevos procesos de producción a través del modelado por computadora, ya que potencialmente se puede obtener una enorme capacidad de computación solo con el uso de computadoras cuánticas".
Según Dakvino, algunas aplicaciones del grafeno están más desarrolladas tecnológicamente y otras menos. Por ejemplo, los materiales compuestos de cerámica con una base de matriz pueden mejorarse integrando placas de grafeno que mejoran el material y aumentan su resistencia mecánica, al mismo tiempo que reducen su masa. "Si estamos hablando, por ejemplo, de materiales compuestos", continuó Dakvino, "o en los términos más generales sobre materiales mejorados mediante la adición de grafeno, obtendremos materiales reales y procesos reales de su producción en masa, si no mañana, pero quizás en los próximos cinco años. años
“Es por esto que el grafeno es tan interesante para los sistemas de protección balística. No porque el grafeno pueda usarse como armadura. Pero si usas grafeno en tu armadura como material de refuerzo, entonces puede volverse incluso más fuerte que el Kevlar ".
Las áreas prioritarias, por ejemplo, los sistemas autónomos y los sensores, así como las esferas militares de alto riesgo, por ejemplo, submarinas, espaciales y cibernéticas, dependen más de los nuevos materiales avanzados y de la conjugación de nano y microtecnologías con biotecnologías, materiales furtivos, materiales reactivos. y sistemas de generación y almacenamiento de energía.
Los metamateriales y las nanotecnologías, por ejemplo, el grafeno y los nanotubos de carbono, están experimentando un rápido desarrollo en la actualidad. En estas nuevas tecnologías, el ejército está buscando nuevas oportunidades, explorando formas de aplicarlas y barreras potenciales, porque tienen que equilibrarse entre las necesidades del campo de batalla moderno y los objetivos de investigación a largo plazo.
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En los materiales de los sitios:
www.nationaldefensemagazine.org
www.metamaterial.com
metamaterialescenter.com
science.howstuffworks.com
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