Метаматериалы, графен, бионика. Новые материалы и технологии стремятся в бой

Ускоренные темпы технологического развития меняют природу ведения военных действий, при этом всё больше сил и средств направляется на научные исследования и разработки, целью которых является создание новых продвинутых материалов и их применение в оборонной сфере.

Метаматериалы, графен, бионика. Новые материалы и технологии стремятся в бой



Возможность создания материала с отрицательным углом преломления предсказал еще в 1967 году советский физик Виктор Веселаго, но только сейчас появляются первые образцы реальных структур с такими свойствами. Благодаря отрицательному углу преломления, лучи света огибают объект, делая его невидимым. Таким образом, наблюдатель замечает лишь то, что происходит за спиной надевшего «чудесный» плащ.

Чтобы получить преимущество на поле боя, современные вооруженные силы обращаются к таким потенциально прорывным возможностям, как например, продвинутая нательная защита и броня для транспортных средств, нанотехнологии. инновационный камуфляж, новые электрические устройства, супераккумуляторы и «интеллектуальная» или реактивная защита платформ и личного состава. Военные системы становятся всё более сложными, разрабатываются и изготавливаются новые продвинутые многофункциональные материалы и материалы двойного назначения, семимильными шагами идет миниатюризация сверхпрочной и гибкой электроники.

В качестве примеров можно привести перспективные самовосстанавливающиеся материалы, продвинутые композиционные материалы, функциональную керамику, электрохромные материалы, «киберзащитные» материалы, реагирующие на электромагнитные помехи. Они, как ожидается, станут основой прорывных технологий, которые бесповоротно изменять поле боя и природу будущих военных действий.

Продвинутые материалы следующего поколения, например, метаматериалы, графен и углеродные нанотрубки, вызывают огромный интерес и привлекают солидные инвестиции, поскольку они имеют свойства и функциональности, которые не встречаются в природе, и подходят для оборонных сфер и задач, выполняемых в экстремальном или враждебном пространстве. В нанотехнологиях используются материалы нанометрового масштаба (10-9) с тем, чтобы можно было видоизменять структуры на атомном и молекулярном уровнях и создавать различные ткани, устройства или системы. Эти материалы являются очень перспективным направлением и в будущем смогут оказать серьезное влияние на боевую эффективность.

Метаматериалы

Прежде чем продолжить, дадим определение метаматериалам. Метаматериал — композиционный материал, свойства которого обусловлены не столько свойствами составляющих его элементов, сколько искусственно созданной периодической структурой. Они представляют собой искусственно сформированные и особым образом структурированные среды, обладающие электромагнитными или акустическими свойствами, сложнодостижимыми технологически, либо не встречающимися в природе.

Kymeta Corporation, дочерняя фирма патентной компании Intellectual Ventures, в 2016 году вышла на оборонный рынок с антенной из метаматериала mTenna. По словам директора компании Натана Кундца, переносная антенна в виде приемопередающей антенны весит около 18 кг и потребляет 10 Вт. Оборудование для метаматериальных антенн по размерам примерно равно книге или нетбуку, не имеет движущихся частей, и изготавливается таким же способом как ЖК-мониторы или экраны смартфонов с использованием технологии тонкопленочных транзисторов.

Метаматериалы состоят из субволновых микроструктур, то есть структур, чьи размеры меньше длины волны излучения, которым они должны управлять. Эти структуры могут быть изготовлены из немагнитных материалов, например, меди, и вытравлены на фибергласовой подложке печатной платы.

Могут быть созданы метаматериалы для взаимодействия с основными компонентами электромагнитных волн — диэлектрической проницаемостью и магнитной проницаемостью. По словам Паблоса Хольмана, изобретателя из Intellectual Ventures, антенны, созданные по технологии метаматериалов, могут со временем вытеснить вышки сотовой связи, наземные телефонные линии и коаксиальные и оптоволоконные кабели.

Традиционные антенны настраиваются на перехват управляемой энергии конкретной длины волны, которая возбуждает электроны в антенне, генерируя электрические токи. В свою очередь, эти кодированные сигналы могут быть интерпретированы как информация.

Современные антенные системы громоздки, поскольку для разных частот необходим свой тип антенны. В случае же с антеннами из метаматериалов поверхностный слой позволяет изменять направление изгиба электромагнитных волн. Метаматериалы показывают как отрицательную диэлектрическую, так и отрицательную магнитную проницаемости и, следовательно, имеют отрицательный коэффициент преломления. Этот отрицательный коэффициент преломления, не обнаруженный ни в одном природном материале, определяет изменение электромагнитных волн при пересечении границы двух разных сред. Таким образом, приемник метаматериальной антенны может настраиваться электронным образом для приема различных частот, в связи с чем у разработчиков появляется возможность достичь широкополосности и уменьшить размеры антенных элементов.

Метаматериалы внутри таких антенн компонуются в плоскую матрицу плотно упакованных отдельных ячеек (очень похоже на размещение пикселей экрана телевизора) с еще одной плоской матрицей параллельных прямоугольных волноводов, а также модулем, контролирующим излучение волны посредством программного обеспечения и позволяющим антенне определить направление излучения.


Хольман пояснил, что самый простой способ понять достоинства метаматериальных антенн — взглянуть поближе на физические апертуры антенны и надежность интернет-соединений на кораблях, самолетах, беспилотниках и других движущихся систем.

«Каждый новый спутник связи, выводимый на орбиту в наши дни, — продолжил Хольман, — имеет пропускную способность больше, чем имела группировка спутников еще несколько лет назад. У нас имеется огромный потенциал беспроводной связи в этих спутниковых сетях, но единственный способ связаться с ними — взять спутниковую тарелку, которая имеет большие размеры, большой вес и затратна в установке и обслуживании. Имея антенну на основе метаматериалов, мы сможем сделать плоскую панель, которая сможет управлять лучом и нацеливаться прямо на спутник.

«Пятьдесят процентов времени физически управляемая антенна не ориентирована на спутник и вы фактически находитесь в офлайне, — сказал Хольман. — Поэтому метаматериальная антенна может быть особенно полезной в морском контексте, ведь для направления на спутник тарелка управляется физически, поскольку судно часто меняет курс и постоянно раскачивается на волнах».



В настоящее время идет бурное развитие технологии беспилотных платформ с бионическими свойствами. Например, АПА Razor (масштабная модель на фото внизу) и АПА Velox (вверху) подражают естественным движениям животных или растений, что великолепно подходит для разведывательных и скрытных задач

Бионика

Разработка новых материалов идет также в направлении создания гибких многофункциональных систем со сложными формами. Здесь важную роль играет прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы. Бионика (в западной литературе биомиметика) помогает человеку создавать оригинальные технические системы и технологические процессы на основе идей, найденных и заимствованных у природы.

Научно-исследовательский центр проблем подводной войны ВМС США испытывает минно-поисковый автономный подводный аппарат (АПА), в котором используются бионические принципы. имитирующие движения морских обитателей. Аппарат Razor длиной 3 метра могут переносить двое человек. Его электроника координирует работу четырех машущих крыльев и двух гребных винтов в кормовой части. Маховые движения имитируют движения некоторых животных, например, птиц и черепах. Это позволяет АПА зависать, выполнять точное маневрирование на небольших скоростях и развивать высокие скорости. Подобная маневренность позволяет также аппарату Razor легко менять положение в пространстве и плавать вокруг объектов для получения их трехмерного изображения.

Научно-исследовательское управление ВМС США финансирует разработку компанией Pliant Energy Systems прототипа опционально автономного подводного аппарата Velox, в котором вместо гребных винтов использована система мультистабильных, нелинейных, похожих на лист изгибаемой бумаги плавников, которые генерируют повторяющиеся волнообразные движения похожие на движения ската. Аппарат преобразует движения электроактивных, волнообразных, гибких полимерных плавников с планарной гиперболической геометрией в поступательное движение, свободно перемещаясь под водой, в волнах прибоя, в песке, над морской и наземной растительностью, по скользким камням или льду.

По мнению представителя компании Pliant Energy Systems, волнообразное движение вперед не позволяет запутаться в густой растительности, поскольку нет вращающихся частей, при этом растениям и осадочным породам наносится минимальный ущерб. Малошумный аппарат, питающийся от литий-ионного аккумулятора, может улучшать свою плавучесть, чтобы удерживать свое положение подо льдом, при этом он может управляться дистанционно. К его основным задачам относятся: коммуникационные, включая GPS, WiFi, радио- или спутниковые каналы; разведывательные и сбора информации; поисково-спасательные; и сканирование и идентификация мин.

Развитие нанотехнологий и микроструктур также весьма важно в бионических технологиях, вдохновение для которых берется из живой природы с целью имитации физических процессов или оптимизации производства новых материалов.


Прозрачная броня применяется не только для баллистической защиты людей и транспортных средств. Она также идеально подходит для защиты электроники, стекол высокоэнергетических лазеров, упрочненных систем формирования изображения, лицевых защитных масок, БЛА, а также других платформ чувствительных к массе

Научно-исследовательская лаборатория ВМС США разрабатывает прозрачную полимерную защиту, которая имеет слоистую микроструктуру подобную хитиновому панцирю ракообразных, но изготавливается из пластических материалов. Это позволяет материалу оставаться конформным в широком диапазоне температур и нагрузок, что позволяет применять его для защиты личного состава, стационарных платформ, транспортных средств и летательных аппаратов.

По мнению Яса Сангхеры, руководителя направления оптических материалов и устройств в этой лаборатории, имеющаяся на рынке защита, как правило, изготавливается из пластика трех видов и не может на все сто процентов противостоять 9-мм пуле, отстреливаемой с 1-2 метров и летящей со скоростью 335 м/с.

Прозрачная броня разработки этой лаборатории позволяет уменьшить массу на 40% при сохранении баллистической целостности и поглощает на 68% процентов больше энергии пули. Сангхера пояснил, что броня могла бы прекрасно подойти для нескольких военных применений, например, машин с противоминной защитой, плавающих бронемашин, машин снабжения и окон кабин летательных аппаратов.

По словам Сангхеры, его лаборатория намерена на основе уже имеющихся разработок создать легкую конформную прозрачную броню с многоударными характеристиками и достичь снижения массы более чем на 20%, что обеспечит защиту от винтовочных пуль калибра 7,62x39 мм.

Управление перспективных оборонных исследований DARPA также разрабатывает прозрачную броню «Шпинель» (Spinel), имеющую уникальные свойства. Этот материал отличается превосходными многоударными характеристиками, высокой твердостью и эрозионной стойкостью, повышенным сопротивлением к внешним факторам; он пропускает средневолновое инфракрасное излучение более широкого диапазона, что повышает возможности устройств ночного видения (возможность видеть объекты за стеклянными поверхностями), а кроме того весит в два раза меньше традиционного пуленепробиваемого стекла.

Эта деятельность входит в программу DARPA под названием Atoms to Product (А2Р) в рамках которой «разрабатываются технологии и процессы, необходимые для сборки нанометровых частиц (размерами близкими размерам атомов) в системы, компоненты или материалы, по меньшей мере, миллиметрового масштаба».

По словам руководителя программы А2Р в DARPA Джона Мэйна, за последние восемь лет Управление добилось уменьшения толщины базовой прозрачной брони примерно с 18 см до 6 см при сохранении ее прочностных характеристик. Она состоит из множества различных слоев, «не все из них керамические и не все из них пластик или стекло», которые приклеиваются к материалу-подложке для предотвращения трещинообразования. «Вы должны думать о ней как о защитной системе, а не как о монолитном куске материала».

Стекла из «Шпинели» были изготовлены для установки на опытные образцы грузовиков FMTV (Family of Medium Tactical Vehicles — семейство войсковых транспортных средств средней грузоподъёмности) американской армии для оценки Научно-исследовательским бронетанковым центром.

В рамках программы А2Р Управление DARPA выдало компании Voxtel, работающей совместно с Институтом наноматериалов и микроэлектроники штатат Орегон, контракт стоимостью 5,9 миллиона долларов на исследование процессов производства, масштабируемых от нано- до макроуровня. Этот бионический проект включает разработку синтетического клеящего вещества, который копирует возможности ящерицы геккон.

«На подошвах геккона имеется что-то подобное маленьким волоскам... длиной примерно 100 микрон, которые буйно ветвятся. На конце каждой небольшой ветви имеется крошечная нанопластина размером примерно 10 нанометров. При контакте со стеной или потолком эти пластины позволяют геккону приклеиваться к стене или потолку».

Мэйн сказал, что производители никогда не могли повторить эти возможности, поскольку не могли создать разветвляющиеся наноструктуры.

«Компания Voxtel разрабатывает технологии производства, которые позволяют копировать подобную биологическую структуру и поймать эти биологические качества. Она использует углеродные нанотрубки действительно по-новому, это позволяет создавать сложные 3Д-структуры и использовать их очень оригинальными способами, не обязательно как структуры, а другими, более изобретательными способами».

Voxtel хочет разработать продвинутые аддитивные методики производства, которые позволят получать «материалы, которые сами собираются в функционально законченные блоки, затем собирающиеся в сложные гетерогенные системы». Эти методики будут базироваться на имитации найденных в природе простых генетических кодов и общих химических реакций, которые позволяют молекулам самособираться с атомного уровня в крупные структуры способные сами снабжать себя энергией.

«Мы хотим разработать продвинутый клеящий материал повторного действия. Мы хотели бы получить материал со свойствами эпоксидного клея, но без его одноразовости и загрязнения поверхности, — заметил Мэйн. — Прелесть материала а-ля геккон в том, что он не оставляет следов и действует мгновенно».

К другим быстро развивающимся продвинутым материалам относятся ультратонкие материалы, например, графен и углеродные нанотрубки, имеющие такие структурные, тепловые, электрические и оптические свойства, которые в корне изменят современное боевое пространство.


Прозрачные окна из «Шпинели» были изготовлены для опытных образцов грузовых автомобилей FMTV американской армии

Графен

Хотя углеродные нанотрубки имеют хороший потенциал применения в электронных и камуфляжных системах, а также в биолого-медицинской сфере, графен «более интересен, так как предлагает, по крайней мере на бумаге, больше возможностей», — заметил Джузеппе Даквино, представитель Европейского оборонного агентства (ЕОА).

Графен — это сверхтонкий наноматериал, образованный слоем атомов углерода толщиной в один атом. Легкий и прочный графен обладает рекордно большими теплопроводностью и электропроводимостью. Оборонная промышленность внимательно изучает возможность применения графена в тех приложениях, в которых необходима его прочность, гибкость и сопротивление высоким температурам, например, в боевых задачах, выполняемых в экстремальных условиях.

Даквино сказал, что графен «по меньшей мере, в теории, является материалом будущего. Причина, почему сейчас ведется столь много интересных дебатов, заключается в том, что после стольких лет исследований в гражданском секторе стало очевидным, что он реально изменит боевые сценарии».

«Перечислю только некоторые возможности: гибкая электроника, энергосистемы, баллистическая защита, камуфляж, фильтры/мембраны, материалы с высоким теплорассеянием, биомедицинские приложения и сенсоры. Это, по сути, основные технологические направления».

В декабре 2017 года ЕОА начало годичное исследование возможных перспективных направлений применения графена в военной сфере и его влияния на европейскую оборонную промышленность. Эти работы возглавил испанский Фонд технических исследований и инноваций, с которым сотрудничают Университет Картахены и британская компания Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. В мае 2018 года состоялся семинар исследователей и экспертов по графену, где были определена дорожная карта по его применению в оборонной сфере.

По данным ЕОА, «среди материалов, которые способны коренным образом изменить оборонные возможности в следующем десятилетии, графен находится в приоритетном списке. Легкий, гибкий, прочнее стали в 200 раз, а его электропроводность просто невероятна (лучше чем у кремния), так же как и его теплопроводность».

В ЕОА также отметили, что графен имеет замечательные свойства в области «управления сигнатурами». То есть он может быть использован для производства «радиопоглощающих покрытий, что превратит военные машины, самолеты, подводные лодки и надводные суда в почти необнаруживаемые объекты. Все это делает графен чрезвычайно привлекательным материалом не только для гражданской промышленности, но также для военных приложений, наземных, воздушных и морских».



Процесс спекания методом горячего прессования (вверху) Научно исследовательская лаборатория ВМС США использует для создания прозрачной керамики «Шпинель». Порошок сжимается в вакууме для получения прозрачности. Полученный материал (внизу) может быть подобно драгоценным камням отшлифован и отполирован

С этой целью американская армия изучает применение графена для транспортных средств и защитных предметов одежды. По мнению инженера Эмиля Сандоз-Росадо из Лаборатории военных исследований армии США (ARL), этот материал имеет превосходные механические свойства, один атомный слой графена в 10 раз жестче и более чем в 30 раз прочнее такого же слоя коммерческого баллистического волокна. «Потолок для графена очень высок. Это одна из причин, почему несколько рабочих групп в ARL проявили интерес к нему, ведь его конструктивные характеристики с точки зрения бронирования весьма перспективны.

Впрочем, есть и довольно большие сложности. Одна из них — масштабирование материала; армии необходимы защитные материалы, которые могли бы закрыть танки, автомобили и солдат. «Нам необходимо много больше. В общем и целом, речь идет о порядка миллиона и более слоев, в которых на данный момент мы нуждаемся».

Сандоз-Росадо рассказал, что графен может быть получен одним или двумя способами, либо за счет процесса отшелушивания, когда высококачественный графит разделяется на отдельные атомные слои, или выращивания одиночного атомного слоя графена на медной фольге. Этот процесс хорошо освоен лабораториями, занимающимися производством высококачественного графена. «Он не вполне совершенен, но довольно близок к этому. Однако, сегодня пора говорить уже не об одном атомном слое, нам необходим полноценный продукт». Как следствие, недавно была запущена программа по разработке непрерывных процессов производства графена в промышленных масштабах.

«Идет ли речь об углеродных нанотрубках или о графене, вы должны учитывать специфические требования, которым необходимо соответствовать», — предостерег Даквино, отметив, что официальное описание характеристик новых продвинутых материалов, стандартизация точных процессов создания новых материалов, воспроизводимость этих процессов, технологичность всей цепочки (от фундаментальных исследований до производства демонстрационных и опытных образцов) нуждаются в тщательном изучении и обосновании, когда речь идет об использовании в военных платформах таких прорывных материалов, как графен и углеродные нанотрубки.

«Это не только исследования, потому что, в конце концов, вам необходимо быть уверенным, что определенный материал получил официальное описание и после этого вам надо быть уверенным, что он сможет производиться по определенному процессу. Это не так то просто, поскольку процесс изготовления может меняться, качество произведенного продукта может различаться в зависимости от процесса, поэтому процесс должен быть повторен несколько раз».

По словам Сандоз-Росадо, ARL работала с производителями графена на предмет оценки класса качества выпускаемого продукта и возможность его масштабирования. Хотя пока не ясно, имеют ли непрерывные процессы, находящиеся в начале своего становления, бизнес-модель, соответствующие мощности и могут ли они дать необходимое качество.

Даквино отметил, что прогресс в компьютерном моделировании и квантовых вычислениях мог бы ускорить исследования и разработку, а также развитие методов производства продвинутых материалов в ближайшем будущем. «С автоматизированным проектированием и моделированием материалов можно смоделировать многие вещи: можно будет смоделировать характеристики материалов и даже процессы производства. Вы даже можете создать виртуальную реальность, где по сути можно рассматривать различные этапы создания материала».

Даквино также сказал, что продвинутое компьютерное моделирование и методы виртуальной реальности обеспечивают преимущество за счет создания «интегрированной системы, в которой вы можете моделировать конкретный материал и видеть, может ли этот материал быть применен в определенных условиях». Радикально изменить здесь положение дел могли бы квантовые вычисления.

«В будущем я вижу еще больше интереса к новым способам производства, новым путям создания новых материалов и новым процессам производства за счет компьютерного моделирования, поскольку огромные вычислительные мощности потенциально можно получить только при задействовании квантовых компьютеров».

По словам Даквино, одни применения графена технологически более отработаны, а другие менее. Например, керамические композиционные материалы с матричным основанием могут быть улучшены за счет интеграции графеновых пластинок, которые усиливают материал и повышают его механическое сопротивление, одновременно снижая его массу. «Если мы говорим, например, о композитах, — продолжил Даквино, — или в самых общих чертах о материалах, усиленных за счет добавления графена, то мы получим реальные материалы и реальные процессы их массового производства если не завтра, но может быть в ближайшие пять лет».

«Вот почему графен так интерес для систем баллистической защиты. Не потому, что графен может быть использован в качестве брони. Но если вы в броне используете графен в качестве усиливающего материала, то она может стать прочнее даже кевлара».

Приоритетные направления, например, автономные системы и сенсоры, а также военные сферы с высоким риском, например, подводная, космическая и кибернетическая, больше всего зависят от новых продвинутых материалов и сопряжения нано- и микротехнологий с биотехнологиями, «стелс»-материалами, реакционноспособными материалами и системами генерации и аккумулирования энергии.

Метаматериалы и нанотехнологии, например, графен и углеродные нанотрубки, сегодня переживают бурное развитие. В этих новых технологиях военные ищут новые возможности, изучают пути их применения и потенциальные барьеры, поскольку вынуждены балансировать между потребностями современного поля боя и долгосрочными исследовательскими целями.


Будущее идет к нам. Аппарат Velox компании Pliant Energy Systems

По материалам сайтов:
www.nationaldefensemagazine.org
www.metamaterial.com
metamaterialscenter.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
ru.wikipedia.org
pinterest.com
eandt.theiet.org
Автор:
Николай Антонов
Ctrl Enter

Заметили ошЫбку Выделите текст и нажмите Ctrl+Enter

25 комментариев
Информация
Уважаемый читатель, чтобы оставлять комментарии к публикации, необходимо зарегистрироваться.
Уже зарегистрированы? Войти