La possibilitat de crear un material amb un angle de refracció negatiu va ser predita el 1967 pel físic soviètic Viktor Veselago, però només ara apareixen les primeres mostres d’estructures reals amb aquestes propietats. A causa de l’angle negatiu de refracció, els raigs de llum es doblegen al voltant de l’objecte, fent-lo invisible. Per tant, l'observador només nota el que està passant a l'esquena de la persona que porta la capa "meravellosa".
Per guanyar avantatge al camp de batalla, les forces militars modernes estan recorrent a capacitats potencialment perjudicials, com ara armadures avançades i blindatges de vehicles i nanotecnologia. camuflatge innovador, nous dispositius elèctrics, superacumuladors i protecció "intel·ligent" o reactiva de plataformes i personal. Els sistemes militars són cada vegada més complexos, s’estan desenvolupant i fabricant nous materials avançats multifuncionals i de doble ús i la miniaturització de l’electrònica flexible i resistent s’està produint a passos i girs.
Alguns exemples inclouen materials prometedors d’autocuració, materials compostos avançats, ceràmiques funcionals, materials electrocròmics, materials de “protecció cibernètica” que reaccionen a la interferència electromagnètica. S'espera que esdevinguin la columna vertebral de tecnologies disruptives que canviaran irrevocablement el camp de batalla i la naturalesa de les hostilitats futures.
Els materials avançats de nova generació, com ara metamaterials, grafè i nanotubs de carboni, generen un gran interès i inversió perquè tenen propietats i funcionalitats que no es troben a la natura i són adequats per a aplicacions de defensa i tasques realitzades en espais extrems o hostils. La nanotecnologia utilitza materials a escala nanomètrica (10-9) per tal de poder modificar estructures a nivell atòmic i molecular i crear diversos teixits, dispositius o sistemes. Aquests materials són una àrea molt prometedora i en el futur poden tenir un impacte greu en l’eficàcia del combat.
Metamaterials
Abans de continuar, definim els metamaterials. El metamaterial és un material compost, les propietats del qual estan determinades no tant per les propietats dels seus elements constitutius com per una estructura periòdica creada artificialment. Són suports formats artificialment i especialment estructurats amb propietats electromagnètiques o acústiques que són difícils d’aconseguir tecnològicament o que no es troben a la natura.
Kymeta Corporation, filial d’Intelectual Ventures, va entrar al mercat de defensa el 2016 amb l’antena metamaterial mTenna. Segons el director de l'empresa Nathan Kundz, una antena portàtil en forma d'antena transceptora pesa uns 18 kg i consumeix 10 watts. Els equips per a antenes metamaterials tenen la mida d’un llibre o netbook, no tenen parts mòbils i es fabriquen de la mateixa manera que els monitors LCD o les pantalles de telèfons intel·ligents amb tecnologia TFT.
Els metamaterials es componen de microestructures de longitud d’ona inferior, és a dir, d’estructures les dimensions de les quals són inferiors a la longitud d’ona de la radiació que han de controlar. Aquestes estructures es poden fabricar a partir de materials no magnètics com el coure i gravar-les sobre un substrat de PCB de fibra de vidre.
Es poden crear metamaterials per interactuar amb els components principals de les ones electromagnètiques: constant dielèctrica i permeabilitat magnètica. Segons Pablos Holman, un inventor d'Intelectual Ventures, les antenes creades amb tecnologia metamaterial podrien substituir les torres cel·lulars, les línies telefòniques fixes i els cables coaxials i de fibra òptica.
Les antenes tradicionals s’ajusten per interceptar l’energia controlada d’una longitud d’ona específica, que excita els electrons de l’antena per generar corrents elèctrics. Al seu torn, aquests senyals codificats es poden interpretar com a informació.
Els sistemes d’antenes moderns són feixucs perquè les freqüències diferents requereixen un tipus d’antena diferent. En el cas de les antenes de metamaterials, la capa superficial permet canviar la direcció de flexió de les ones electromagnètiques. Els metamaterials mostren permeabilitats magnètiques dielèctriques i negatives i, per tant, tenen un índex de refracció negatiu. Aquest índex de refracció negatiu, que no es troba en cap material natural, determina el canvi de les ones electromagnètiques quan es creua la frontera de dos mitjans diferents. Per tant, el receptor d’una antena metamaterial es pot sintonitzar electrònicament per rebre diferents freqüències, cosa que permet als desenvolupadors aconseguir banda ampla i reduir la mida dels elements de l’antena.
Els metamaterials dins d’aquestes antenes s’uneixen en una matriu plana de cèl·lules individuals densament empaquetades (molt similar a la col·locació de píxels en una pantalla de TV) amb una altra matriu plana de guies d’ones rectangulars paral·leles, així com un mòdul que controla l’emissió d’ones a través del programari. i permet a l’antena determinar la direcció de la radiació.
Holman va explicar que la manera més senzilla d’entendre els mèrits de les antenes metamaterials és examinar de prop les obertures físiques de l’antena i la fiabilitat de les connexions d’Internet en vaixells, avions, drons i altres sistemes en moviment.
"Tots els nous satèl·lits de comunicacions llançats en òrbita aquests dies", va continuar Holman, "tenen més capacitat que la que tenia la constel·lació de satèl·lits fa uns anys. Tenim un enorme potencial de comunicació sense fils en aquestes xarxes de satèl·lit, però l’única manera de comunicar-s’hi és prendre una antena parabòlica, que és gran, pesada i costosa d’instal·lar i mantenir. Amb una antena basada en metamaterials, podem fer un panell pla que pugui dirigir el feix i apuntar directament cap al satèl·lit.
"El cinquanta per cent del temps l'antena orientable físicament no està orientada a satèl·lits i està efectivament fora de línia", va dir Holman. "Per tant, una antena metamaterial pot ser especialment útil en un context marítim, perquè la placa està controlada físicament per dirigir-la al satèl·lit, ja que el vaixell sovint canvia de rumb i gira constantment sobre les ones".
Bionics
El desenvolupament de nous materials també avança cap a la creació de sistemes multifuncionals flexibles amb formes complexes. Aquí la ciència aplicada té un paper important en l’aplicació dels principis d’organització, propietats, funcions i estructures de la natura viva en dispositius i sistemes tècnics. La biònica (a la biomimètica de la literatura occidental) ajuda a una persona a crear sistemes tècnics originals i processos tecnològics basats en idees trobades i manllevades de la natura.
El Centre de Recerca de la Guerra Submarina de la Marina dels Estats Units està provant un aparell autònom de cerca de mines (APU) que utilitza principis biònics. imitant els moviments de la vida marina. La navalla té una longitud de 3 metres i pot ser transportada per dues persones. La seva electrònica coordina el treball de quatre ales batents i dues hèlixs de popa. Els moviments d’aleteig imiten els moviments d’alguns animals, com ocells i tortugues. Això permet a l’APU planar, realitzar maniobres precises a velocitats baixes i assolir velocitats elevades. Aquesta maniobrabilitat també permet a Razor reposicionar-se fàcilment i flotar al voltant d’objectes per obtenir imatges en 3D.
L'Agència de Recerca de la Marina dels Estats Units està finançant el desenvolupament d'un prototip de Pliant Energy Systems per al submergible Velox, opcionalment autònom, que substitueix les hèlixs per un sistema d'aletes multistables, no lineals, similars al paper, que generen moviments ondulants repetitius. El dispositiu converteix els moviments de les aletes de polímer electroactives, ondulades i flexibles amb una geometria hiperbòlica plana en moviment de translació, que es mouen lliurement sota l’aigua, a les ones del surf, a la sorra, sobre la mar i la vegetació terrestre, sobre roques relliscoses o gel.
Segons un portaveu de Pliant Energy Systems, el moviment ondulant cap endavant evita l'entrellat en una vegetació densa, ja que no hi ha parts rotatives, alhora que minimitza els danys a les plantes i als sediments. L'embarcació de baix soroll, alimentada per una bateria de ions de liti, pot millorar la seva flotabilitat per mantenir la seva posició sota el gel, mentre que es pot controlar remotament. Les seves tasques principals són: comunicació, inclosos canals GPS, WiFi, ràdio o satèl·lit; intel·ligència i recollida d’informació; cerca i rescat; i escaneig i identificació de min.
El desenvolupament de nanotecnologies i microestructures també és molt important en les tecnologies biòniques, la inspiració de les quals es pren de la natura per simular processos físics o optimitzar la producció de nous materials.
El laboratori d’investigació de la Marina dels Estats Units desenvolupa un escut de polímer transparent que té una microestructura en capes similar a la closca quitinosa dels crustacis, però fabricada amb materials plàstics. Això permet que el material es mantingui conformat en una àmplia gamma de temperatures i càrregues, cosa que permet utilitzar-lo per protegir personal, plataformes estacionàries, vehicles i avions.
Segons Yas Sanghera, cap de materials i dispositius òptics d’aquest laboratori, la protecció disponible al mercat sol estar feta de tres tipus de plàstic i no pot suportar al cent per cent una bala de 9 mm disparada des d’1-2 metres i volant a la velocitat 335 m / s.
Les armadures transparents desenvolupades per aquest laboratori permeten una reducció del 40% de la massa, mantenint la integritat balística i absorbeix un 68% més d’energia de bala. Sanghera va explicar que l'armadura podria ser perfecta per a diverses aplicacions militars, com ara vehicles protegits contra mines, vehicles blindats amfibis, vehicles de subministrament i finestres de la cabina dels avions.
Segons Sanghera, el seu laboratori pretén, basant-se en els desenvolupaments existents, crear una armadura transparent lleugera i conformable amb característiques de múltiples impactes i aconseguir una reducció de pes superior al 20%, que proporcionarà protecció contra bales de rifle de calibre 7, 62x39 mm.
DARPA també està desenvolupant armadures de spinel transparents amb propietats úniques. Aquest material té excel·lents característiques de múltiples impactes, alta duresa i resistència a l'erosió, major resistència a factors externs; transmet una radiació infraroja d’ona mitjana més àmplia, que augmenta les capacitats dels dispositius de visió nocturna (la capacitat de veure objectes darrere de les superfícies de vidre), i també pesa la meitat del vidre tradicional antibales.
Aquesta activitat forma part del programa Atoms to Product (A2P) de DARPA, que "desenvolupa les tecnologies i els processos necessaris per assemblar partícules a escala nanomètrica (properes a les mides atòmiques) en sistemes, components o materials almenys a escala mil·limètrica".
Durant els darrers vuit anys, l'Agència ha aconseguit una reducció del gruix de l'armadura transparent de base d'uns 18 cm a 6 cm, tot mantenint les seves característiques de resistència, segons el cap del programa A2P de DARPA, John Maine. Consta de moltes capes diferents, "no totes de ceràmica i no totes de plàstic o vidre", que s'adhereixen al material de suport per evitar esquerdes. "Ho hauríeu de pensar com un sistema de defensa, no com una peça de material monolític".
El vidre espinel es va fabricar per a la instal·lació en prototips dels camions FMTV (Família de vehicles tàctics mitjans) de l’exèrcit americà per a la seva avaluació pel Armored Research Center.
En el marc del programa A2P, DARPA va atorgar a Voxtel, un institut d’Oregon per a nanomaterials i microelectrònica, un contracte de 5,59 milions de dòlars per investigar processos de fabricació que varien de nano a macro. Aquest projecte biònic implica el desenvolupament d’un adhesiu sintètic que imiti les capacitats del llangardaix gecko.
“A les plantes del gecko hi ha alguna cosa semblant a petits pèls … d’uns 100 micres de llarg, que es ramifiquen violentament. Al final de cada petita branca hi ha una petita nanoplaca d’uns 10 nanòmetres de mida. Quan estan en contacte amb una paret o un sostre, aquestes plaques permeten al gecko adherir-se a la paret o al sostre.
Maine va dir que els fabricants mai podrien replicar aquestes capacitats perquè no podien crear nanoestructures ramificades.
“Voxtel desenvolupa tecnologies de producció que repliquen aquesta estructura biològica i capturen aquestes qualitats biològiques. Utilitza nanotubs de carboni d’una manera realment nova, us permet crear estructures 3D complexes i utilitzar-les de maneres molt originals, no necessàriament com a estructures, sinó d’altres maneres més inventives.
Voxtel vol desenvolupar tècniques avançades de fabricació additiva que produeixin "materials que es munten en blocs funcionalment complets i que es munten en sistemes heterogenis complexos". Aquestes tècniques es basaran en la simulació de codis genètics senzills i de reaccions químiques generals que es troben a la natura, que permeten a les molècules autoassemblar-se des del nivell atòmic en grans estructures capaces de proveir-se d'energia.
“Volem desenvolupar un adhesiu reutilitzable avançat. Voldríem obtenir un material amb les propietats d’un adhesiu epoxi, però sense la seva disponibilitat i contaminació superficial, - va dir Main. "La bellesa d'un material d'estil gecko és que no deixa residus i funciona a l'instant".
Altres materials avançats que avancen ràpidament inclouen materials ultra prims com el grafè i els nanotubs de carboni, que tenen propietats estructurals, tèrmiques, elèctriques i òptiques que revolucionaran l’espai de combat actual.
Grafè
Tot i que els nanotubs de carboni tenen un bon potencial per a aplicacions en sistemes electrònics i de camuflatge, així com en el camp biomèdic, el grafè és "més interessant perquè ofereix, almenys en paper, més possibilitats", va dir Giuseppe Dakvino, portaveu de la Defensa Europea Agència (EOA).
El grafè és un nanomaterial ultra prim format per una capa d’àtoms de carboni d’un àtom de gruix. El grafè lleuger i durador té una alta conductivitat tèrmica i elèctrica. La indústria de la defensa estudia acuradament la possibilitat d’utilitzar grafè en aplicacions que requereixen la seva força, flexibilitat i resistència a altes temperatures, per exemple, en missions de combat realitzades en condicions extremes.
Dakvino va dir que el grafè “és, almenys en teoria, el material del futur. La raó per la qual ara hi ha tant de debat interessant és perquè després de tants anys d’investigació en el sector civil, ha quedat clar que realment canviarà els escenaris de combat”.
“Per esmentar només algunes de les possibilitats: electrònica flexible, sistemes de potència, protecció balística, camuflatge, filtres / membranes, materials d'alta dissipació de calor, aplicacions biomèdiques i sensors. Aquestes són, de fet, les principals direccions tecnològiques.
El desembre de 2017, l’EAO va iniciar un estudi d’un any sobre possibles aplicacions militars prometedores del grafè i el seu impacte en la indústria de defensa europea. Aquest treball va estar encapçalat per la Fundació Espanyola per a la Recerca i la Innovació Tècnica, amb la qual la Universitat de Cartagena i l’empresa britànica Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. El maig del 2018 es va celebrar un seminari d’investigadors i experts en grafè, on es va determinar un full de ruta per al seu ús en el sector de la defensa.
Segons l'EOA, “Entre els materials que poden revolucionar les capacitats de defensa en la propera dècada, el grafè figura a la llista. Lleuger, flexible, 200 vegades més fort que l’acer i la seva conductivitat elèctrica és increïble (millor que el silici), igual que la seva conductivitat tèrmica."
L'EOA també va assenyalar que el grafè té propietats notables en l'àrea de la "gestió de signatures". És a dir, es pot utilitzar per produir "revestiments radioabsorbents, que convertiran els vehicles militars, avions, submarins i vaixells de superfície en objectes gairebé indetectables". Tot això fa que el grafè sigui un material extremadament atractiu no només per a la indústria civil, sinó també per a aplicacions militars, terrestres, aèries i marítimes ".
Amb aquesta finalitat, l'exèrcit nord-americà està estudiant l'ús del grafè per a vehicles i roba de protecció. Segons l'enginyer Emil Sandoz-Rosado del Laboratori d'Investigació Militar de l'Exèrcit dels Estats Units (ARL), aquest material té excel·lents propietats mecàniques, una capa atòmica de grafè és 10 vegades més rígida i més de 30 vegades més forta que la mateixa capa de fibra balística comercial. “El sostre del grafè és molt alt. Aquest és un dels motius pels quals diversos grups de treball d'ARL hi han mostrat interès, ja que les seves característiques de disseny són molt prometedores en termes de reserva.
Tot i això, també hi ha dificultats força grans. Un d’ells és escalar el material; l'exèrcit necessita materials de protecció que puguin cobrir tancs, vehicles i soldats. “Necessitem molt més. En general, parlem d’un milió o més d’estrat que necessitem en aquest moment”.
Sandoz-Rosado va dir que el grafè es pot produir d'una o dues maneres, ja sigui mitjançant un procés de pelat on el grafit d'alta qualitat es separa en capes atòmiques separades, o bé fent créixer una sola capa atòmica de grafè sobre paper d'alumini. Aquest procés està ben establert pels laboratoris que produeixen grafè d’alta qualitat. "No és del tot perfecte, però hi està força a prop. Tot i això, avui toca parlar de més d'una capa atòmica, necessitem un producte complet ". Com a conseqüència, recentment s’ha llançat un programa per desenvolupar processos continus de producció de grafè a escala industrial.
"Tant si es tracta de nanotubs de carboni com de grafè, cal tenir en compte els requisits específics que s'han de complir", va advertir Dakvino, tot assenyalant que la descripció formal de les característiques dels nous materials avançats, l'estandardització dels processos precisos per crear nous materials, la reproducibilitat d’aquests processos, la fabricabilitat de tota la cadena (des de la investigació bàsica fins a la producció de demostracions i prototips) necessiten un estudi i una justificació acurats a l’hora de fer servir materials innovadors com el grafè i els nanotubs de carboni a les plataformes militars.
“No es tracta només d’investigació, perquè al cap i a la fi, heu d’estar segur que es descriu oficialment un determinat material i, després, heu d’estar segur que es pot produir en un procés determinat. No és tan fàcil, ja que el procés de fabricació pot canviar, la qualitat del producte produït pot variar en funció del procés, de manera que el procés s’ha de repetir diverses vegades.
Segons Sandoz-Rosado, ARL va treballar amb els fabricants de grafè per avaluar la classe de qualitat del producte i la seva escalabilitat. Tot i que encara no està clar si els processos continus, que es troben al començament de la seva formació, tenen un model de negoci, una capacitat adequada i si poden proporcionar la qualitat requerida.
Dakvino va assenyalar que els avenços en la modelització per ordinador i la computació quàntica podrien accelerar la investigació i el desenvolupament, així com el desenvolupament de mètodes per a la producció de materials avançats en un futur proper. “Amb el disseny assistit per ordinador i el modelat de materials, es poden modelar moltes coses: es poden modelar les característiques del material i fins i tot els processos de fabricació. Fins i tot podeu crear realitat virtual, on bàsicament podeu veure les diferents etapes de la creació d’un material.
Dakwino també va dir que el modelatge informàtic avançat i les tècniques de realitat virtual proporcionen un avantatge en crear "un sistema integrat on es pot simular un material concret i veure si aquest material es pot aplicar en un entorn concret". La informàtica quàntica podria canviar radicalment l’estat de les coses aquí.
"En el futur, veig encara més interès per les noves formes de fabricació, les noves formes de crear nous materials i els nous processos de fabricació mitjançant la simulació per ordinador, ja que l'enorme potència informàtica només es pot obtenir mitjançant l'ús d'ordinadors quàntics".
Segons Dakwino, algunes aplicacions del grafè són tecnològicament més avançades, mentre que altres són menys. Per exemple, els compostos ceràmics basats en matrius es poden millorar mitjançant la integració de plaques de grafè que reforcen el material i augmenten la seva resistència mecànica alhora que redueixen el seu pes. "Si parlem, per exemple, de compostos", va continuar Dakvino, "o, en termes més generals, de materials reforçats afegint grafè, obtindrem materials reals i processos reals de la seva producció en massa, si no demà, però potser en els propers cinc anys ".
“Per això, el grafè és tan interessant per als sistemes de protecció balística. No perquè el grafè es pugui utilitzar com a armadura. Però si utilitzeu grafè a la vostra armadura com a material de reforç, pot arribar a ser més fort que fins i tot el Kevlar.
Les àrees prioritàries, per exemple, sistemes i sensors autònoms, així com àrees militars d’alt risc, com ara sota l’aigua, l’espai i la cibernètica, depenen sobretot de nous materials avançats i de la interfície de nano i microtecnologia amb biotecnologia, “sigil” materials, materials reactius i sistemes de generació i emmagatzematge d’energia.
Els metamaterials i la nanotecnologia, com ara el grafè i els nanotubs de carboni, estan experimentant un desenvolupament ràpid avui en dia. En aquestes noves tecnologies, els militars busquen noves oportunitats, explorant les seves aplicacions i les seves possibles barreres, ja que es veuen obligats a equilibrar-se entre les necessitats del camp de batalla modern i els objectius de recerca a llarg termini.
