Нанотехнологии на службе военных
В настоящее время большинство экспертов сходятся во мнении, что нанотехнологии определят облик всего XXI века. При этом данное понятие еще не является привычным для большинства из нас. С середины 1990-х годов оно употребляется главным образом для обозначения разного рода манипуляций на молекулярном и атомном уровнях. Уже сегодня очевидно, что развитие данного направления потребует внесения радикальных изменений в деятельность по обеспечению национальной безопасности государств и повлечет вслед за собой радикальные изменения в военном искусстве и военном деле.
Нанотехнологиями называют междисциплинарную область прикладной и фундаментальной науки и техники, которая имеет дело с совокупностью теоретического обосновании, а также практических исследований, синтеза и анализа, методов изготовления и использования продуктов, обладающих заданными атомными структурами путем контролируемого манипулирования отдельными молекулами и атомами. Стоит отметит, что на сегодняшний день в мире не существует единого стандарта, который бы описывал, что такое нанопродукция и нанотехнологии.
Согласно «Концепции развития в РФ работ в области нанотехнологий на период до 2010 года» под нанотехнологиями понималась совокупность приемов и методов, которые обеспечивали возможность контролируемым образом модифицировать и создавать объекты, включающие компоненты с размерами меньше, чем 100 нм, хотя бы в одном измерении, которые в результате этого обзавелись принципиально новыми качествами, позволяющими осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба. При этом практический аспект нанотехнологий включает в себя изготовление различных устройств и их компонентов, которые необходимы для обработки и манипуляции молекулами, атомами и наночастицами.
Стоит понимать, что развитие данной отрасли затронет все стороны вооруженных сил – от стрелкового оружия и экипировки до сложных военных систем и космических аппаратов. В первую очередь нанотехнологии найдут свое применение в уже существующих видах боевой техники и вооружений, существенно увеличив ее функциональные характеристики и свойства. Нанотехнологии позволят создавать новые полупроводники и оптику, уникальные конструкционные материалы, миниатюрные датчики обнаружения компонентов биологического оружия и химических веществ, а также компьютеры, которые по производительности на несколько порядков превзойдут существующие аналоги. Помимо этого очень важное значение для вооруженных сил будет играть снижение веса и стоимости устройств и приборов, произведенных с использованием нанотехнологий, снижение энергопотребления таких устройств.
Американские исследования
В 2002 году американская армия решила объединить свои усилия с Массачусетским технологическим институтом. Результатом этого объединения стал Институт Солдатских Технологий (ISN), который работает в 5 стратегически важных областях (SRA). Так SRA 1 охватывает легкие наноструктурные материалы и волокна; SRA 2 занимается изучением нанотехнологий для защиты солдат; SRA 3 работает над баллистической взрывной защитой; SRA 4 сосредоточена на изучении сверхчувствительных детекторов, предупреждающих о заражении местности; SRA 5 занимается вопросами системной интеграции.
В рамках SRA 1 Институт Солдатских Технологий заинтересован в разного рода нанопокрытиях, наноструктурах «стержень-стержень» и «ядро-оболочка», углеродных нанотрубках, тканях, волокнах, мембранных и слоистых структурах. Основной целью работ является получение покрытий, которые могли бы эффективно защитить бойца от биологического или химического оружия. Функционализация поверхностей тканных материалов с применением слоев нанометровой толщины практически не добавляет массы к одежде, но при этом повышает возможность осуществления контролируемых действий по отношению к тем или иным специфическим угрозам.
В рамках SRA 2 проводятся исследования по улучшению в медицинской помощи и обработке боевых повреждений в полевых условиях. Сюда включается наноматериалы и устройства, которые могут быть активированы на месте ранения, а в последующем удалены при помощи квалифицированного медицинского персонала, обычными солдатами или даже сработать полностью в автоматическом режиме при помощи дублирующих приспособлений. К примерам такого рода исследований относят полимерные активаторы, которые создают жесткость по первому требованию и могут использоваться для сшивания ран или предотвращения нежелательных движений при повреждении шеи или головы.
В рамках проекта SRA 3 осуществляются исследования, которые касаются защиты бойцов от баллистической угрозы и взрывов. Сочетая между собой производство полимеров, технологии синтетической химии, расчетные пути информирования молекулярной структуры ученые из ISN рассчитывают создать новое поколение мягких, легких материалов, у которых потенциально будут существенно повышены энергопоглощающие характеристики. Данные материалы будут состоять из жестких полимерных цепочек с особыми подвесными группами в специальных стратегических местах вдоль полимерной оси, которые придают им некоторое сходство с параллельными нитями молекулярной «колючей проволоки». Сочетание возможного взаимовлияния подвесных групп и жесткости цепи позволяет рассчитывать на поглощение механической энергии без повреждения общей структуры даже при одновременной существенной деформации.
Также в рамках данного направления ведутся работы по изучению наноструктурных материалов, а также металлических сплавов, обладающих низкой плотностью. Концепция состоит в том, что данные материалы могут быть сшиты в гибкие и легкие сборки, к примеру, в структуры в форме плетеных сеток или пучков, которые могли бы служить комфортной и эффективной защитой для тела.
Исследователи SRA 4 занимаются поиском способов, которые в состоянии улучшить обнаружение опасных веществ и средств и устройств защиты от них бойцов. В частности в рамках данной темы ведется изучение наноразмерных полимерных покрытий, которые позволяют обеспечить специфические защитные функции. В частности изучается способность нанометрических слоев осуществлять контроль свойств поверхности, что позволило бы, к примеру, отталкивать или притягивать воду, ослаблять уровень биологической или химической угрозы. Также в рамках этих исследований изучаются перенастраивающиеся и функциональные нанопокрытия, которые могли бы интегрироваться в переносные биодатчики, служащие для обнаружения разного рода ядовитых веществ.
Еще одно направление данных исследований это работа над сверхчувствительными наноразмерными химическими детекторами. Данная сфера работ сосредоточена на описании и распознавании субстанций с теми или иными химическими признаками. Сюда включают манипулирование наноразмерными элементами материалов с целью достижения конкретных свойств: многофункциональности, сниженного энергопотребления, пространственной разрешающей способности, удобства пользования или сочетания всех перечисленных качеств.
Пятая сфера исследований института ISN – это разработка и использование наноразмерных устройств и материалов, а также понимание их характеристик внутри интегрированных систем. Ученые работают над созданием нерадиочастотных систем на основе ткани, а также пытаются встроить в униформу лазерные коммуникационные системы и средства связи. Ключевые вопросы включают в себя характеристики мультиматериальных оптических волокон, касаемо их чувствительности, времени реакции, управления шумом. Наряду с этим ведутся работы по включения волокон в тканевые материалы вместе с ПО и аппаратными средствами, которые необходимы для соединения их с системой сбора данных.
Развитие нанотехнологий в России
В России на развитие нанотехнологий до 2015 года планировалось потратить порядка 200 млрд. рублей. Для курирования данной деятельности была создана отдельная госпкорпорация «Роснано». Среди наиболее перспективных проектов «Роснано» отметило оптоэлектронику, специальные стали, водородную энергетику, новое медицинское диагностическое оборудование. Для обеспечения интересов национальной безопасности российские инженеры и ученые собираются разработать нанотехнологии двойного назначения. К примеру, успешное применение так называемой «умной пыли» станет возможным лишь при развитии современной микро- и наноэлектроники. При этом, правда, неизбежно возникнет ряд проблем. Как, к примеру, управлять огромным количеством микронных «воинов».
Стоит отметить, что идея «умной пыли» была позаимствована из повести Станислава Лемма «Непобедимый», в основе которой лежит применение микророботов. Один такой микроробот практически ни на что не способен, но если собрать в одном месте тысячу таких устройств, то они смогут организовать ударную группу, которая будет действовать по указаниям человека. По мнению военных из США такую группу можно будет применять для уничтожения боевой техники. К примеру, если облако микророботов, содержащих взрывчатые заряды, окутает бронированную машину и взорвется, или проникнет в двигатель или топливную систему. По мере развития технологий вывести из строя танк или человека сможет 1 или 2 микроробота, но до воплощения этих фантазий в жизнь еще далеко.
Решение задачи по управления такими микророботами смогли решить ученые из НИИ многопроцессорных вычислительных систем, работающем при Таганрогском государственном радиотехническом институте. Они полагают, что каждый микроробот должен уметь координировать свое поведение с коллегами и принимать самостоятельные решения. В итоге они разработали математическую модель управления «умной пылью». Компьютерное моделирование данной модели показало, что она достаточно эффективна, а алгоритм реализации заложенных в ней идей достаточно прост и легко осуществим.
Существуют в России и другие уникальные разработки. Так, по словам гендиректора ОАО «НИИ–Тантал» А. Игнатьева, в его КБ были созданы гетеромагнитные системы, которые готовы к крупносерийному выпуску. Среди них есть микропроцессор на кристалле размером 5х5 кв. мм. На основе данного элемента можно создавать самые разнообразные структуры, которые не имеют аналогов в мире. К примеру, системы радиоэлектронной борьбы, высокоточного наведения на цель, борьбы с террором, системы защиты информации и многое другое. Данные системы в состоянии выдержать перегрузки в 10-40 тысяч g, в них просто нечему разрушаться. Они обладают памятью и очень малыми размерами, в состоянии выдержать нейтронное облучение.
Все больше используются нанотехнологии и в современном производстве. Так на Уральском заводе гражданской авиации лопасти вертолетов подвергаются обработке специальным нанометаллом, который в 5 раз продлевает срок их службы. В Институте электрофизики Уральского отделения РАН были разработаны порошковые нанотехнологии, которые позволяют генерировать электроэнергию из любого вида органического топлива с очень высоким КПД на уровне 60-70%, это в 2 раза лучше существующих показателей. Предполагается, что использование нанотехнологий может дать значительно больший эффект, чем все космические и атомные проекты СССР вместе взятые.
Источники информации:
-http://www.army-guide.com/rus/article/article_2322.html
-http://army-news.ru/2011/07/nanovojna-masshtab-ugrozy/
-http://plansheta.net/nano/work_milt.html
-http://www.nanonewsnet.ru/blog/nikst/obzor-nanotekhnologii-v-voennom-dele
-http://ru.wikipedia.org
Нанотехнологиями называют междисциплинарную область прикладной и фундаментальной науки и техники, которая имеет дело с совокупностью теоретического обосновании, а также практических исследований, синтеза и анализа, методов изготовления и использования продуктов, обладающих заданными атомными структурами путем контролируемого манипулирования отдельными молекулами и атомами. Стоит отметит, что на сегодняшний день в мире не существует единого стандарта, который бы описывал, что такое нанопродукция и нанотехнологии.
Согласно «Концепции развития в РФ работ в области нанотехнологий на период до 2010 года» под нанотехнологиями понималась совокупность приемов и методов, которые обеспечивали возможность контролируемым образом модифицировать и создавать объекты, включающие компоненты с размерами меньше, чем 100 нм, хотя бы в одном измерении, которые в результате этого обзавелись принципиально новыми качествами, позволяющими осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба. При этом практический аспект нанотехнологий включает в себя изготовление различных устройств и их компонентов, которые необходимы для обработки и манипуляции молекулами, атомами и наночастицами.
Стоит понимать, что развитие данной отрасли затронет все стороны вооруженных сил – от стрелкового оружия и экипировки до сложных военных систем и космических аппаратов. В первую очередь нанотехнологии найдут свое применение в уже существующих видах боевой техники и вооружений, существенно увеличив ее функциональные характеристики и свойства. Нанотехнологии позволят создавать новые полупроводники и оптику, уникальные конструкционные материалы, миниатюрные датчики обнаружения компонентов биологического оружия и химических веществ, а также компьютеры, которые по производительности на несколько порядков превзойдут существующие аналоги. Помимо этого очень важное значение для вооруженных сил будет играть снижение веса и стоимости устройств и приборов, произведенных с использованием нанотехнологий, снижение энергопотребления таких устройств.
Американские исследования
В 2002 году американская армия решила объединить свои усилия с Массачусетским технологическим институтом. Результатом этого объединения стал Институт Солдатских Технологий (ISN), который работает в 5 стратегически важных областях (SRA). Так SRA 1 охватывает легкие наноструктурные материалы и волокна; SRA 2 занимается изучением нанотехнологий для защиты солдат; SRA 3 работает над баллистической взрывной защитой; SRA 4 сосредоточена на изучении сверхчувствительных детекторов, предупреждающих о заражении местности; SRA 5 занимается вопросами системной интеграции.
В рамках SRA 1 Институт Солдатских Технологий заинтересован в разного рода нанопокрытиях, наноструктурах «стержень-стержень» и «ядро-оболочка», углеродных нанотрубках, тканях, волокнах, мембранных и слоистых структурах. Основной целью работ является получение покрытий, которые могли бы эффективно защитить бойца от биологического или химического оружия. Функционализация поверхностей тканных материалов с применением слоев нанометровой толщины практически не добавляет массы к одежде, но при этом повышает возможность осуществления контролируемых действий по отношению к тем или иным специфическим угрозам.
В рамках SRA 2 проводятся исследования по улучшению в медицинской помощи и обработке боевых повреждений в полевых условиях. Сюда включается наноматериалы и устройства, которые могут быть активированы на месте ранения, а в последующем удалены при помощи квалифицированного медицинского персонала, обычными солдатами или даже сработать полностью в автоматическом режиме при помощи дублирующих приспособлений. К примерам такого рода исследований относят полимерные активаторы, которые создают жесткость по первому требованию и могут использоваться для сшивания ран или предотвращения нежелательных движений при повреждении шеи или головы.
В рамках проекта SRA 3 осуществляются исследования, которые касаются защиты бойцов от баллистической угрозы и взрывов. Сочетая между собой производство полимеров, технологии синтетической химии, расчетные пути информирования молекулярной структуры ученые из ISN рассчитывают создать новое поколение мягких, легких материалов, у которых потенциально будут существенно повышены энергопоглощающие характеристики. Данные материалы будут состоять из жестких полимерных цепочек с особыми подвесными группами в специальных стратегических местах вдоль полимерной оси, которые придают им некоторое сходство с параллельными нитями молекулярной «колючей проволоки». Сочетание возможного взаимовлияния подвесных групп и жесткости цепи позволяет рассчитывать на поглощение механической энергии без повреждения общей структуры даже при одновременной существенной деформации.
Также в рамках данного направления ведутся работы по изучению наноструктурных материалов, а также металлических сплавов, обладающих низкой плотностью. Концепция состоит в том, что данные материалы могут быть сшиты в гибкие и легкие сборки, к примеру, в структуры в форме плетеных сеток или пучков, которые могли бы служить комфортной и эффективной защитой для тела.
Исследователи SRA 4 занимаются поиском способов, которые в состоянии улучшить обнаружение опасных веществ и средств и устройств защиты от них бойцов. В частности в рамках данной темы ведется изучение наноразмерных полимерных покрытий, которые позволяют обеспечить специфические защитные функции. В частности изучается способность нанометрических слоев осуществлять контроль свойств поверхности, что позволило бы, к примеру, отталкивать или притягивать воду, ослаблять уровень биологической или химической угрозы. Также в рамках этих исследований изучаются перенастраивающиеся и функциональные нанопокрытия, которые могли бы интегрироваться в переносные биодатчики, служащие для обнаружения разного рода ядовитых веществ.
Еще одно направление данных исследований это работа над сверхчувствительными наноразмерными химическими детекторами. Данная сфера работ сосредоточена на описании и распознавании субстанций с теми или иными химическими признаками. Сюда включают манипулирование наноразмерными элементами материалов с целью достижения конкретных свойств: многофункциональности, сниженного энергопотребления, пространственной разрешающей способности, удобства пользования или сочетания всех перечисленных качеств.
Пятая сфера исследований института ISN – это разработка и использование наноразмерных устройств и материалов, а также понимание их характеристик внутри интегрированных систем. Ученые работают над созданием нерадиочастотных систем на основе ткани, а также пытаются встроить в униформу лазерные коммуникационные системы и средства связи. Ключевые вопросы включают в себя характеристики мультиматериальных оптических волокон, касаемо их чувствительности, времени реакции, управления шумом. Наряду с этим ведутся работы по включения волокон в тканевые материалы вместе с ПО и аппаратными средствами, которые необходимы для соединения их с системой сбора данных.
Развитие нанотехнологий в России
В России на развитие нанотехнологий до 2015 года планировалось потратить порядка 200 млрд. рублей. Для курирования данной деятельности была создана отдельная госпкорпорация «Роснано». Среди наиболее перспективных проектов «Роснано» отметило оптоэлектронику, специальные стали, водородную энергетику, новое медицинское диагностическое оборудование. Для обеспечения интересов национальной безопасности российские инженеры и ученые собираются разработать нанотехнологии двойного назначения. К примеру, успешное применение так называемой «умной пыли» станет возможным лишь при развитии современной микро- и наноэлектроники. При этом, правда, неизбежно возникнет ряд проблем. Как, к примеру, управлять огромным количеством микронных «воинов».
Стоит отметить, что идея «умной пыли» была позаимствована из повести Станислава Лемма «Непобедимый», в основе которой лежит применение микророботов. Один такой микроробот практически ни на что не способен, но если собрать в одном месте тысячу таких устройств, то они смогут организовать ударную группу, которая будет действовать по указаниям человека. По мнению военных из США такую группу можно будет применять для уничтожения боевой техники. К примеру, если облако микророботов, содержащих взрывчатые заряды, окутает бронированную машину и взорвется, или проникнет в двигатель или топливную систему. По мере развития технологий вывести из строя танк или человека сможет 1 или 2 микроробота, но до воплощения этих фантазий в жизнь еще далеко.
Решение задачи по управления такими микророботами смогли решить ученые из НИИ многопроцессорных вычислительных систем, работающем при Таганрогском государственном радиотехническом институте. Они полагают, что каждый микроробот должен уметь координировать свое поведение с коллегами и принимать самостоятельные решения. В итоге они разработали математическую модель управления «умной пылью». Компьютерное моделирование данной модели показало, что она достаточно эффективна, а алгоритм реализации заложенных в ней идей достаточно прост и легко осуществим.
Существуют в России и другие уникальные разработки. Так, по словам гендиректора ОАО «НИИ–Тантал» А. Игнатьева, в его КБ были созданы гетеромагнитные системы, которые готовы к крупносерийному выпуску. Среди них есть микропроцессор на кристалле размером 5х5 кв. мм. На основе данного элемента можно создавать самые разнообразные структуры, которые не имеют аналогов в мире. К примеру, системы радиоэлектронной борьбы, высокоточного наведения на цель, борьбы с террором, системы защиты информации и многое другое. Данные системы в состоянии выдержать перегрузки в 10-40 тысяч g, в них просто нечему разрушаться. Они обладают памятью и очень малыми размерами, в состоянии выдержать нейтронное облучение.
Все больше используются нанотехнологии и в современном производстве. Так на Уральском заводе гражданской авиации лопасти вертолетов подвергаются обработке специальным нанометаллом, который в 5 раз продлевает срок их службы. В Институте электрофизики Уральского отделения РАН были разработаны порошковые нанотехнологии, которые позволяют генерировать электроэнергию из любого вида органического топлива с очень высоким КПД на уровне 60-70%, это в 2 раза лучше существующих показателей. Предполагается, что использование нанотехнологий может дать значительно больший эффект, чем все космические и атомные проекты СССР вместе взятые.
Источники информации:
-http://www.army-guide.com/rus/article/article_2322.html
-http://army-news.ru/2011/07/nanovojna-masshtab-ugrozy/
-http://plansheta.net/nano/work_milt.html
-http://www.nanonewsnet.ru/blog/nikst/obzor-nanotekhnologii-v-voennom-dele
-http://ru.wikipedia.org
Информация