De mogelijkheid om een materiaal te maken met een negatieve brekingshoek werd in 1967 voorspeld door de Sovjet-fysicus Viktor Veselago, maar pas nu verschijnen de eerste voorbeelden van echte structuren met dergelijke eigenschappen. Door de negatieve brekingshoek buigen de lichtstralen om het object heen, waardoor het onzichtbaar wordt. De waarnemer merkt dus alleen wat er gebeurt achter de rug van de persoon die de "prachtige" mantel draagt.
Om een voorsprong op het slagveld te krijgen, wenden moderne strijdkrachten zich tot potentieel ontwrichtende capaciteiten zoals geavanceerde kogelvrije vesten en voertuigbepantsering, en nanotechnologie. innovatieve camouflage, nieuwe elektrische apparaten, superaccu's en "intelligente" of reactieve bescherming van platforms en personeel. Militaire systemen worden complexer, nieuwe geavanceerde multifunctionele en dual-use materialen worden ontwikkeld en geproduceerd, en de miniaturisering van heavy-duty en flexibele elektronica vindt met grote sprongen plaats.
Voorbeelden zijn veelbelovende zelfherstellende materialen, geavanceerde composietmaterialen, functionele keramiek, elektrochrome materialen, 'cyber-afschermende' materialen die reageren op elektromagnetische interferentie. Verwacht wordt dat ze de ruggengraat zullen worden van ontwrichtende technologieën die het slagveld en de aard van toekomstige vijandelijkheden onherroepelijk zullen veranderen.
Geavanceerde materialen van de volgende generatie, zoals metamaterialen, grafeen en koolstofnanobuizen, wekken veel belangstelling en investeringen omdat ze eigenschappen en functionaliteiten hebben die niet in de natuur voorkomen en geschikt zijn voor defensietoepassingen en taken die worden uitgevoerd in extreme of vijandige ruimtes. Nanotechnologie maakt gebruik van materialen op nanometerschaal (10-9) om structuren op atomair en moleculair niveau te kunnen wijzigen en verschillende weefsels, apparaten of systemen te creëren. Deze materialen zijn een veelbelovend gebied en kunnen in de toekomst een serieuze impact hebben op de effectiviteit van gevechten.
Metamaterialen
Laten we, voordat we verder gaan, metamaterialen definiëren. Metamateriaal is een composietmateriaal waarvan de eigenschappen niet zozeer worden bepaald door de eigenschappen van de samenstellende elementen als wel door een kunstmatig gecreëerde periodieke structuur. Het zijn kunstmatig gevormde en speciaal gestructureerde media met elektromagnetische of akoestische eigenschappen die technologisch moeilijk te bereiken zijn, of niet in de natuur voorkomen.
Kymeta Corporation, een dochteronderneming van Intellectual Ventures, betrad in 2016 de defensiemarkt met de mTenna-metamateriaalantenne. Volgens de directeur van het bedrijf Nathan Kundz weegt een draagbare antenne in de vorm van een transceiverantenne ongeveer 18 kg en verbruikt hij 10 watt. Apparatuur voor metamateriaalantennes is ongeveer zo groot als een boek of netbook, heeft geen bewegende delen en wordt op dezelfde manier vervaardigd als lcd-monitoren of smartphoneschermen met behulp van TFT-technologie.
Metamaterialen zijn samengesteld uit microstructuren onder de golflengte, dat wil zeggen structuren waarvan de afmetingen kleiner zijn dan de golflengte van de straling die ze moeten beheersen. Deze structuren kunnen worden gemaakt van niet-magnetische materialen zoals koper en worden geëtst op een glasvezel PCB-substraat.
Metamaterialen kunnen worden gemaakt om te interageren met de belangrijkste componenten van elektromagnetische golven - diëlektrische constante en magnetische permeabiliteit. Volgens Pablos Holman, een uitvinder bij Intellectual Ventures, zouden antennes die zijn gemaakt met behulp van metamateriaaltechnologie uiteindelijk celtorens, vaste telefoonlijnen en coax- en glasvezelkabels kunnen vervangen.
Traditionele antennes zijn afgestemd om gecontroleerde energie van een specifieke golflengte te onderscheppen, die elektronen in de antenne opwekt om elektrische stromen te genereren. Deze gecodeerde signalen kunnen op hun beurt worden geïnterpreteerd als informatie.
Moderne antennesystemen zijn omslachtig omdat verschillende frequenties een ander type antenne vereisen. In het geval van antennes gemaakt van metamaterialen, kunt u met de oppervlaktelaag de buigrichting van elektromagnetische golven veranderen. Metamaterialen vertonen zowel negatieve diëlektrische als negatieve magnetische permeabiliteiten en hebben daarom een negatieve brekingsindex. Deze negatieve brekingsindex, die in geen enkel natuurlijk materiaal voorkomt, bepaalt de verandering in elektromagnetische golven bij het overschrijden van de grens van twee verschillende media. Zo kan de ontvanger van een metamateriaalantenne elektronisch worden afgestemd om verschillende frequenties te ontvangen, wat het voor ontwikkelaars mogelijk maakt om breedband te bereiken en de grootte van antenne-elementen te verkleinen.
De metamaterialen in dergelijke antennes worden geassembleerd tot een platte matrix van dicht opeengepakte individuele cellen (zeer vergelijkbaar met de plaatsing van pixels op een tv-scherm) met een andere platte matrix van parallelle rechthoekige golfgeleiders, evenals een module die de golfemissie regelt via software en stelt de antenne in staat om de richting van de straling te bepalen.
Holman legde uit dat de gemakkelijkste manier om de voordelen van metamateriaalantennes te begrijpen, is door de fysieke openingen van de antenne en de betrouwbaarheid van internetverbindingen op schepen, vliegtuigen, drones en andere bewegende systemen nader te bekijken.
"Elke nieuwe communicatiesatelliet die tegenwoordig in een baan om de aarde wordt gelanceerd," vervolgde Holman, "heeft meer capaciteit dan de constellatie van satellieten slechts een paar jaar geleden. We hebben een enorm potentieel voor draadloze communicatie in deze satellietnetwerken, maar de enige manier om ermee te communiceren is door een satellietschotel te nemen, die groot, zwaar en duur is om te installeren en te onderhouden. Met een antenne op basis van metamaterialen kunnen we een vlak paneel maken dat de straal kan sturen en direct op de satelliet kan richten.
"Vijftig procent van de tijd is de fysiek bestuurbare antenne niet satellietgericht en ben je effectief offline", zegt Holman. "Daarom kan een metamateriaalantenne vooral handig zijn in een maritieme context, omdat de schotel fysiek wordt bestuurd om hem naar de satelliet te sturen, omdat het schip vaak van koers verandert en constant op de golven zwaait."
Bionics
De ontwikkeling van nieuwe materialen gaat ook in de richting van het creëren van flexibele multifunctionele systemen met complexe vormen. Hier speelt de toegepaste wetenschap een belangrijke rol bij de toepassing van organisatieprincipes, eigenschappen, functies en structuren van levende natuur in technische apparaten en systemen. Bionics (in de westerse literatuur biomimetica) helpt een persoon om originele technische systemen en technologische processen te creëren op basis van ideeën die zijn gevonden en ontleend aan de natuur.
Het Submarine Warfare Research Center van de Amerikaanse marine test een autonoom mijnzoekapparaat (APU) dat gebruikmaakt van bionische principes. het nabootsen van de bewegingen van het zeeleven. De Razor is 3 meter lang en kan door twee personen worden gedragen. De elektronica coördineert het werk van vier klapperende vleugels en twee achterste propellers. De klapperende bewegingen imiteren de bewegingen van sommige dieren, zoals vogels en schildpadden. Hierdoor kan de APU zweven, nauwkeurig manoeuvreren bij lage snelheden en hoge snelheden bereiken. Door deze wendbaarheid kan de Razor zichzelf ook gemakkelijk verplaatsen en rond objecten zweven voor 3D-beeldvorming.
Het US Navy Research Agency financiert Pliant Energy Systems' ontwikkeling van een prototype voor de optionele autonome Velox-onderzeeër, die propellers vervangt door een systeem van multistabiele, niet-lineaire, papierachtige vinnen die repetitieve hellingachtige golvende bewegingen genereren. Het apparaat zet de bewegingen van elektroactieve, golvende, flexibele polymeervinnen met een vlakke hyperbolische geometrie om in translatiebewegingen, vrij bewegend onder water, in de golven van de branding, in het zand, over zee en terrestrische vegetatie, op gladde rotsen of ijs.
Volgens een woordvoerder van Pliant Energy Systems voorkomt de golvende voorwaartse beweging verstrikking in dichte vegetatie, omdat er geen roterende delen zijn, terwijl schade aan planten en sediment wordt geminimaliseerd. Het geluidsarme vaartuig, aangedreven door een lithium-ionbatterij, kan zijn drijfvermogen verbeteren om zijn positie onder het ijs te behouden, terwijl het op afstand kan worden bestuurd. De belangrijkste taken zijn: communicatie, inclusief GPS, WiFi, radio- of satellietkanalen; inlichtingen- en informatieverzameling; zoek en Red; en scannen en identificeren van min.
De ontwikkeling van nanotechnologie en microstructuren is ook erg belangrijk in bionische technologieën, waarvoor de inspiratie uit de natuur wordt gehaald om fysieke processen te simuleren of de productie van nieuwe materialen te optimaliseren.
Het US Navy Research Laboratory ontwikkelt een transparant polymeerschild met een gelaagde microstructuur die lijkt op de chitineuze schaal van schaaldieren, maar gemaakt van plastic materialen. Hierdoor blijft het materiaal conform over een breed scala aan temperaturen en belastingen, waardoor het kan worden gebruikt om personeel, stationaire platforms, voertuigen en vliegtuigen te beschermen.
Volgens Yas Sanghera, hoofd optische materialen en apparaten in dit laboratorium, is de bescherming die op de markt verkrijgbaar is meestal gemaakt van drie soorten plastic en kan deze niet honderd procent bestand zijn tegen een 9 mm-kogel afgevuurd vanaf 1-2 meter en vliegend van snelheid 335 m/s.
Door dit laboratorium ontwikkelde transparante bepantsering maakt een massavermindering van 40% mogelijk terwijl de ballistische integriteit behouden blijft en absorbeert 68% meer kogelenergie. Sanghera legde uit dat het pantser perfect zou kunnen zijn voor verschillende militaire toepassingen, zoals door mijnen beschermde voertuigen, amfibische gepantserde voertuigen, bevoorradingsvoertuigen en cockpitruiten van vliegtuigen.
Volgens Sanghera is zijn laboratorium van plan, op basis van bestaande ontwikkelingen, een licht conforme transparante bepantsering te creëren met multi-impact kenmerken en een gewichtsvermindering van meer dan 20% te bereiken, die bescherming zal bieden tegen geweerkogels van kaliber 7, 62x39 mm.
DARPA ontwikkelt ook transparant Spinel-pantser met unieke eigenschappen. Dit materiaal heeft uitstekende multi-impactkenmerken, hoge hardheid en erosieweerstand, verhoogde weerstand tegen externe factoren; het zendt bredere middengolf infraroodstraling uit, wat de mogelijkheden van nachtkijkers vergroot (het vermogen om objecten achter glazen oppervlakken te zien), en weegt ook de helft van het gewicht van traditioneel kogelvrij glas.
Deze activiteit maakt deel uit van DARPA's Atoms to Product (A2P) -programma, dat "de technologieën en processen ontwikkelt die nodig zijn om nanoschaaldeeltjes (dicht bij atomaire afmetingen) te assembleren tot systemen, componenten of materialen, op zijn minst op een millimeterschaal."
Volgens het hoofd van het A2P-programma bij DARPA, John Maine, heeft het Agentschap de afgelopen acht jaar de dikte van het transparante basispantser van ongeveer 18 cm tot 6 cm verminderd, met behoud van de sterkte-eigenschappen. Het bestaat uit veel verschillende lagen, "niet allemaal van keramiek en niet allemaal van plastic of glas", die aan het rugmateriaal zijn gehecht om barsten te voorkomen. "Je moet het zien als een verdedigingssysteem, niet als een monolithisch stuk materiaal."
Spinelglas werd vervaardigd voor installatie op prototypes van FMTV-trucks (Family of Medium Tactical Vehicles) van het Amerikaanse leger voor evaluatie door het Armored Research Center.
In het kader van het A2P-programma heeft DARPA Voxtel, een Oregon Institute for Nanomaterials and Microelectronics, een contract van $ 5,59 miljoen toegekend voor onderzoek naar fabricageprocessen die schalen van nano tot macro. Dit bionische project omvat de ontwikkeling van een synthetische lijm die de mogelijkheden van de gekko-hagedis nabootst.
"Op de zolen van de gekko zitten zoiets als kleine haartjes … ongeveer 100 micron lang, die zich heftig vertakken. Aan het einde van elke kleine tak bevindt zich een minuscuul nanoplaat van ongeveer 10 nanometer groot. Bij contact met een muur of plafond zorgen deze platen ervoor dat de gekko zich aan de muur of het plafond hecht."
Maine zei dat fabrikanten deze mogelijkheden nooit zouden kunnen repliceren omdat ze geen vertakkende nanostructuren konden maken.
“Voxtel ontwikkelt productietechnologieën die deze biologische structuur repliceren en deze biologische eigenschappen vastleggen. Het gebruikt koolstofnanobuisjes op een heel nieuwe manier, het stelt je in staat om complexe 3D-structuren te creëren en ze op zeer originele manieren te gebruiken, niet per se als structuren, maar op andere, meer inventieve manieren."
Voxtel wil geavanceerde additieve fabricagetechnieken ontwikkelen die "materialen zullen produceren die zelf worden geassembleerd tot functioneel complete blokken en vervolgens worden geassembleerd tot complexe heterogene systemen." Deze technieken zullen gebaseerd zijn op het simuleren van eenvoudige genetische codes en algemene chemische reacties die in de natuur voorkomen, waardoor moleculen zichzelf kunnen assembleren vanaf het atomaire niveau tot grote structuren die zichzelf van energie kunnen voorzien.
“We willen een geavanceerde herbruikbare lijm ontwikkelen. We willen graag een materiaal met de eigenschappen van een epoxylijm, maar zonder de wegwerpbaarheid en oppervlakteverontreiniging, - zei Main. "Het mooie van materiaal in gekko-stijl is dat het geen residu achterlaat en onmiddellijk werkt."
Andere snel voortschrijdende geavanceerde materialen zijn ultradunne materialen zoals grafeen en koolstofnanobuizen, die structurele, thermische, elektrische en optische eigenschappen hebben die een revolutie teweeg zullen brengen in de hedendaagse gevechtsruimte.
grafeen
Hoewel koolstofnanobuisjes een goed potentieel hebben voor toepassingen in elektronische en camouflagesystemen, maar ook in het biomedische veld, is grafeen "interessanter omdat het, althans op papier, meer mogelijkheden biedt", zei Giuseppe Dakvino, een woordvoerder van de Europese Defensie Agentschap (EOA).
Grafeen is een ultradun nanomateriaal dat wordt gevormd door een laag koolstofatomen van één atoom dik. Lichtgewicht en duurzaam grafeen heeft een recordhoge thermische en elektrische geleidbaarheid. De defensie-industrie bestudeert zorgvuldig de mogelijkheid om grafeen te gebruiken in toepassingen die zijn kracht, flexibiliteit en weerstand tegen hoge temperaturen vereisen, bijvoorbeeld in gevechtsmissies die worden uitgevoerd onder extreme omstandigheden.
Dakvino zei dat grafeen “in theorie het materiaal van de toekomst is. De reden waarom er nu zoveel interessant debat is, is omdat na zoveel jaren van onderzoek in de civiele sector duidelijk is geworden dat het gevechtsscenario's daadwerkelijk zal veranderen."
“Om maar een paar van de mogelijkheden te noemen: flexibele elektronica, stroomsystemen, ballistische bescherming, camouflage, filters/membranen, materialen met een hoge warmteafvoer, biomedische toepassingen en sensoren. Dit zijn in feite de belangrijkste technologische richtingen."
In december 2017 is de EAO begonnen met een jaar durend onderzoek naar mogelijke veelbelovende militaire toepassingen van grafeen en de impact ervan op de Europese defensie-industrie. Dit werk stond onder leiding van de Spaanse Stichting voor Technisch Onderzoek en Innovatie, waarmee de Universiteit van Cartagena en het Britse bedrijf Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. In mei 2018 vond een seminar van onderzoekers en experts over grafeen plaats, waar een roadmap voor het gebruik ervan in de defensiesector werd bepaald.
Volgens de EOA: Van de materialen die het potentieel hebben om de defensiecapaciteiten in het volgende decennium te revolutioneren, staat grafeen hoog op de lijst. Lichtgewicht, flexibel, 200 keer sterker dan staal, en de elektrische geleidbaarheid is ongelooflijk (beter dan silicium), evenals de thermische geleidbaarheid.
De EOA merkte ook op dat grafeen opmerkelijke eigenschappen heeft op het gebied van "handtekeningbeheer". Dat wil zeggen, het kan worden gebruikt om "radio-absorberende coatings te produceren, die militaire voertuigen, vliegtuigen, onderzeeërs en oppervlakteschepen in bijna niet-detecteerbare objecten zullen veranderen". Dit alles maakt grafeen een uiterst aantrekkelijk materiaal, niet alleen voor de civiele industrie, maar ook voor militaire toepassingen, land, lucht en zee."
Daartoe bestudeert het Amerikaanse leger het gebruik van grafeen voor voertuigen en beschermende kleding. Volgens ingenieur Emil Sandoz-Rosado van het US Army Military Research Laboratory (ARL) heeft dit materiaal uitstekende mechanische eigenschappen: één atomaire laag grafeen is 10 keer stijver en meer dan 30 keer sterker dan dezelfde laag commerciële ballistische vezel. “Het plafond voor grafeen is erg hoog. Dit is een van de redenen waarom verschillende werkgroepen in ARL er interesse in hebben getoond, omdat de ontwerpkenmerken ervan veelbelovend zijn op het gebied van boekingen.
Er zijn echter ook vrij grote moeilijkheden. Een daarvan is het schalen van het materiaal; het leger heeft beschermende materialen nodig die tanks, voertuigen en soldaten kunnen bedekken. “We hebben veel meer nodig. Over het algemeen hebben we het over ongeveer een miljoen of meer lagen die we op dit moment nodig hebben”.
Sandoz-Rosado zei dat grafeen op een of twee manieren kan worden geproduceerd, hetzij door een schilproces waarbij hoogwaardig grafiet wordt gescheiden in afzonderlijke atomaire lagen, hetzij door een enkele atomaire laag grafeen op koperfolie te laten groeien. Dit proces is goed ingeburgerd door laboratoria die grafeen van hoge kwaliteit produceren. “Het is niet helemaal perfect, maar het komt er wel dichtbij in de buurt. Vandaag is het echter tijd om over meer dan één atoomlaag te praten, we hebben een volwaardig product nodig”. Als gevolg hiervan is onlangs een programma gelanceerd om continue grafeenproductieprocessen op industriële schaal te ontwikkelen.
"Of het nu gaat om koolstofnanobuizen of grafeen, je moet rekening houden met de specifieke vereisten waaraan moet worden voldaan", waarschuwde Dakvino, erop wijzend dat de formele beschrijving van de kenmerken van nieuwe geavanceerde materialen, de standaardisatie van de precieze processen voor het maken van nieuwe materialen, de reproduceerbaarheid van deze processen, de maakbaarheid van de hele keten (van fundamenteel onderzoek tot productie van demonstratie en prototypes) behoeven zorgvuldige studie en onderbouwing als het gaat om het gebruik van baanbrekende materialen zoals grafeen en koolstofnanobuisjes in militaire platforms.
“Dit is niet zomaar onderzoek, want je moet er immers zeker van zijn dat een bepaald materiaal officieel wordt beschreven en dan moet je zeker weten dat het in een bepaald proces geproduceerd kan worden. Het is niet zo eenvoudig, omdat het productieproces kan veranderen, de kwaliteit van het geproduceerde product kan variëren afhankelijk van het proces, dus het proces moet meerdere keren worden herhaald."
Volgens Sandoz-Rosado werkte ARL samen met grafeenfabrikanten om de kwaliteitsklasse en de schaalbaarheid van het product te beoordelen. Al is het nog niet duidelijk of continue processen, die aan het begin van hun vorming staan, een businessmodel, passende capaciteit hebben en of ze de gewenste kwaliteit kunnen leveren.
Dakvino merkte op dat vooruitgang in computermodellering en kwantumcomputing onderzoek en ontwikkeling zou kunnen versnellen, evenals de ontwikkeling van methoden voor de productie van geavanceerde materialen in de nabije toekomst. “Met computerondersteund ontwerp en materiaalmodellering kunnen veel dingen worden gemodelleerd: materiaalkenmerken en zelfs fabricageprocessen kunnen worden gemodelleerd. Je kunt zelfs virtual reality creëren, waarbij je in principe naar de verschillende stadia van het maken van een materiaal kunt kijken."
Dakwino zei ook dat geavanceerde computermodellering en virtual reality-technieken een voordeel bieden door "een geïntegreerd systeem te creëren waarin je een bepaald materiaal kunt simuleren en kunt zien of dat materiaal in een bepaalde omgeving kan worden toegepast." Quantum computing zou de stand van zaken hier radicaal kunnen veranderen.
"In de toekomst zie ik nog meer interesse in nieuwe manieren van produceren, nieuwe manieren om nieuwe materialen te creëren en nieuwe productieprocessen door middel van computersimulatie, aangezien enorme rekenkracht mogelijk alleen kan worden verkregen door het gebruik van kwantumcomputers."
Volgens Dakwino zijn sommige toepassingen van grafeen technologisch geavanceerder, terwijl andere minder zijn. Keramische composieten op matrixbasis kunnen bijvoorbeeld worden verbeterd door grafeenplaten te integreren die het materiaal versterken en de mechanische weerstand verhogen terwijl het gewicht wordt verminderd. "Als we het bijvoorbeeld hebben over composieten," vervolgde Dakvino, "of, in de meest algemene termen, over materialen versterkt door grafeen toe te voegen, dan krijgen we echte materialen en echte processen van hun massaproductie, zo niet morgen, maar misschien in de komende vijf jaar".
“Daarom is grafeen zo interessant voor ballistische beschermingssystemen. Niet omdat grafeen als pantser kan worden gebruikt. Maar als je grafeen in je pantser gebruikt als versterkend materiaal, dan kan het sterker worden dan zelfs Kevlar."
Prioritaire gebieden, bijvoorbeeld autonome systemen en sensoren, maar ook militaire gebieden met een hoog risico, zoals onderwater, ruimtevaart en cybernetica, zijn vooral afhankelijk van nieuwe geavanceerde materialen en de interface van nano- en microtechnologie met biotechnologie, "stealth" materialen, reactieve materialen en energieopwekkings- en opslagsystemen.
Metamaterialen en nanotechnologie zoals grafeen en koolstofnanobuisjes maken tegenwoordig een snelle ontwikkeling door. In deze nieuwe technologieën zoekt het leger naar nieuwe kansen en onderzoekt het hun toepassingen en mogelijke barrières, omdat ze gedwongen worden een evenwicht te vinden tussen de behoeften van het moderne slagveld en onderzoeksdoelen op de lange termijn.
