المواد الفوقية ، الجرافين ، الكترونيات. المواد والتقنيات الجديدة تسعى للقتال
تعمل الوتيرة المتسارعة للتطور التكنولوجي على تغيير طبيعة الحرب ، مع المزيد والمزيد من الجهود والموارد الموجهة للبحث والتطوير ، والغرض منها هو إنشاء مواد متقدمة جديدة وتطبيقها في مجال الدفاع.
كان الفيزيائي السوفيتي فيكتور فيسيلاجو قد تنبأ بإمكانية إنشاء مادة بزاوية انكسار سالبة في عام 1967 ، ولكن الآن فقط ظهرت العينات الأولى من الهياكل الحقيقية مع مثل هذه الخصائص. نظرًا لزاوية الانكسار السالبة ، تنحني أشعة الضوء حول الجسم ، مما يجعله غير مرئي. وهكذا ، يلاحظ المراقب فقط ما يحدث خلف ظهر الشخص الذي يرتدي العباءة "الرائعة".
للحصول على ميزة في ساحة المعركة ، تتجه الجيوش الحديثة إلى القدرات التخريبية المحتملة مثل دروع الجسم والمركبات المتقدمة وتكنولوجيا النانو. التمويه المبتكر والأجهزة الكهربائية الجديدة والبطاريات الفائقة والحماية "الذكية" أو التفاعلية للمنصات والأفراد. أصبحت الأنظمة العسكرية أكثر تعقيدًا ، ويجري تطوير وتصنيع مواد جديدة متعددة الوظائف وذات استخدام مزدوج ، ويتم تصغير الإلكترونيات فائقة القوة والمرنة على قدم وساق.
ومن الأمثلة على ذلك المواد الواعدة للشفاء الذاتي ، والمواد المركبة المتقدمة ، والسيراميك الوظيفي ، والمواد الكهربائية ، والمواد "الوقائية الإلكترونية" التي تستجيب للتداخل الكهرومغناطيسي. من المتوقع أن تكون أساس التقنيات المتقدمة التي ستغير بشكل لا رجعة فيه ساحة المعركة وطبيعة الحرب المستقبلية.
تجذب مواد الجيل التالي المتقدمة مثل المواد الفوقية والجرافين والأنابيب النانوية الكربونية اهتمامًا كبيرًا واستثمارات قوية لأنها تتمتع بخصائص ووظائف غير موجودة في الطبيعة ومناسبة للتطبيقات والمهام الدفاعية التي يتم إجراؤها في البيئات القاسية أو المعادية. تستخدم تقنية النانو مواد نانومترية (10-9) من أجل التمكن من تعديل الهياكل على المستويين الذري والجزيئي وإنشاء أنسجة أو أجهزة أو أنظمة مختلفة. هذه المواد هي اتجاه واعد للغاية ويمكن أن يكون لها في المستقبل تأثير خطير على الفعالية القتالية.
المواد الخارقة
قبل المتابعة ، دعنا نحدد المواد الخارقة. المادة الخارقة هي مادة مركبة لا يتم تحديد خصائصها من خلال خصائص العناصر المكونة لها بقدر ما يتم تحديدها من خلال هيكل دوري تم إنشاؤه بشكل مصطنع. إنها بيئات مشكلة بشكل مصطنع ومنظمة بشكل خاص ذات خصائص كهرومغناطيسية أو صوتية يصعب تحقيقها من الناحية التكنولوجية أو لا توجد في الطبيعة.
دخلت شركة Kymeta Corporation ، وهي شركة تابعة لشركة Intel الفكرية المعلقة ببراءة اختراع ، سوق الدفاع في عام 2016 باستخدام هوائي mTenna metamaterial. وفقًا لمدير الشركة ناثان كوندز ، يزن الهوائي المحمول على شكل هوائي لجهاز الإرسال والاستقبال حوالي 18 كجم ويستهلك 10 واط. معدات هوائي المواد الفوقية بحجم كتاب أو نتبووك ، ولا تحتوي على أجزاء متحركة ، ويتم تصنيعها بنفس طريقة تصنيع شاشات LCD أو شاشات الهواتف الذكية باستخدام تقنية الترانزستور ذات الأغشية الرقيقة.
تتكون المواد الخارقة من بنى دقيقة ذات أطوال موجية فرعية ، أي هياكل ذات أبعاد أصغر من الطول الموجي للإشعاع الذي من المفترض أن تتحكم فيه. يمكن تصنيع هذه الهياكل من مواد غير مغناطيسية مثل النحاس وحفرها على ركيزة من الألياف الزجاجية ثنائي الفينيل متعدد الكلور.
يمكن إنشاء المواد الفوقية للتفاعل مع المكونات الرئيسية للموجات الكهرومغناطيسية - السماحية والنفاذية المغناطيسية. وفقًا لبابلوس هولمان ، المخترع في شركة إنتيليكتشكتش فينتشرز ، يمكن للهوائيات الخارقة في النهاية أن تحل محل الأبراج الخلوية ، والخطوط الأرضية ، وكابلات الألياف البصرية المحورية.
يتم ضبط الهوائيات التقليدية لاعتراض الطاقة التي يتم التحكم فيها ذات الطول الموجي المحدد ، والتي تثير الإلكترونات في الهوائي ، وتولد تيارات كهربائية. في المقابل ، يمكن تفسير هذه الإشارات المشفرة على أنها معلومات.
تعتبر أنظمة الهوائي الحديثة مرهقة لأن أنواعًا مختلفة من الهوائيات مطلوبة للترددات المختلفة. في حالة الهوائيات المصنوعة من المواد الخارقة ، تسمح لك الطبقة السطحية بتغيير اتجاه انحناء الموجات الكهرومغناطيسية. تُظهر المواد الخارقة السماحية السلبية والنفاذية المغناطيسية السلبية وبالتالي لها معامل انكسار سلبي. يحدد معامل الانكسار السلبي هذا ، غير الموجود في أي مادة طبيعية ، التغير في الموجات الكهرومغناطيسية عند عبور حدود وسيطين مختلفين. وبالتالي ، يمكن ضبط مستقبل هوائي المادة الفوقية إلكترونيًا لاستقبال ترددات مختلفة ، فيما يتعلق بالمطورين لديهم الفرصة لتحقيق النطاق العريض وتقليل حجم عناصر الهوائي.
يتم تجميع المواد الفوقية الموجودة داخل هذه الهوائيات في مصفوفة مسطحة من الخلايا الفردية المكتظة بكثافة (تشبه إلى حد كبير وضع البكسل على شاشة التلفزيون) مع مجموعة مسطحة أخرى من الأدلة الموجية المستطيلة المتوازية ، بالإضافة إلى وحدة تتحكم في انبعاث الموجة من خلال البرنامج ويسمح للهوائي بتحديد اتجاه الإشعاع.
أوضح هولمان أن أسهل طريقة لفهم مزايا هوائيات المواد الخارقة هي إلقاء نظرة فاحصة على الفتحات المادية للهوائي وموثوقية اتصالات الإنترنت على السفن والطائرات ، طائرات بدون طيار وأنظمة الحركة الأخرى.
وتابع هولمان: "كل قمر صناعي للاتصالات جديد في المدار هذه الأيام لديه قدرة أكبر من قدرة كوكبة الأقمار الصناعية قبل بضع سنوات فقط. لدينا إمكانات هائلة للاتصالات اللاسلكية في هذه الشبكات الفضائية ، ولكن الطريقة الوحيدة للوصول إليها هي أخذ طبق القمر الصناعي ، وهو كبير وثقيل ومكلف في التركيب والصيانة. باستخدام هوائي قائم على المادة الفوقية ، يمكننا صنع لوحة مسطحة يمكنها توجيه الحزمة وتوجيهها مباشرة إلى القمر الصناعي.
قال هولمان: "خمسون بالمائة من الوقت لا يكون الهوائي القابل للتوجيه المادي موجهًا إلى القمر الصناعي وأنت غير متصل فعليًا". "لذلك ، يمكن أن يكون هوائي المادة الفوقية مفيدًا بشكل خاص في السياق البحري ، لأن الطبق يتم التحكم فيه فعليًا للإشارة إلى القمر الصناعي ، حيث تغير السفينة مسارها بشكل متكرر وتتأرجح باستمرار على الأمواج."
حاليًا ، هناك تطور سريع لتكنولوجيا المنصات غير المأهولة ذات الخصائص الإلكترونية. على سبيل المثال ، نموذج Razor AUV (نموذج مصور أدناه) و Velox AUV (أعلاه) يحاكيان الحركات الطبيعية للحيوانات أو النباتات ، وهو أمر رائع لمهام الاستطلاع والسرية.
الكترونيات
يتجه تطوير مواد جديدة أيضًا نحو إنشاء أنظمة مرنة متعددة الوظائف ذات أشكال معقدة. هنا يلعب العلم التطبيقي دورًا مهمًا حول تطبيق مبادئ التنظيم والخصائص والوظائف وهياكل الطبيعة الحية في الأجهزة والأنظمة التقنية. تساعد البيولوجيا (في الأدب الغربي ، المحاكاة الحيوية) الشخص على إنشاء أنظمة تقنية أصلية وعمليات تكنولوجية بناءً على الأفكار الموجودة والمستعارة من الطبيعة.
يقوم مركز أبحاث حرب الغواصات التابع للبحرية الأمريكية باختبار مركبة تحت الماء مستقلة للبحث عن الألغام (AUV) تستخدم مبادئ إلكترونية. تقليد حركات الحياة البحرية. يبلغ طول ماكينة الحلاقة 3 أمتار ويمكن حملها بواسطة شخصين. تعمل أجهزتها الإلكترونية على تنسيق عمل أربعة أجنحة مرفرفة واثنين من المراوح في المؤخرة. حركات الخفقان تحاكي حركات بعض الحيوانات كالطيور والسلاحف. يسمح ذلك لـ AUV بالمرور ، وإجراء مناورات دقيقة بسرعات منخفضة ، والوصول إلى سرعات عالية. تسمح هذه السرعة أيضًا لـ Razor بتغيير الموضع بسهولة والطفو حول الكائنات لالتقاطها بأبعاد ثلاثية.
تمول وكالة البحث والتطوير البحرية الأمريكية Pliant Energy Systems لتطوير نموذج أولي لغواصة Velox ذاتية القيادة الاختيارية التي تستخدم نظامًا من الزعانف متعددة الاستقرار وغير الخطية والشبيهة بالورق بدلاً من المراوح التي تولد حركات متموجة متكررة مماثلة لتلك. من سمكة الراي اللاسعة. يحول الجهاز حركات الزعانف البوليمرية النشطة كهربيًا والمتموجة والمرنة ذات الهندسة الزائدية المستوية إلى حركة انتقالية ، تتحرك بحرية تحت الماء ، في موجات الأمواج ، في الرمال ، فوق النباتات البحرية والبرية ، على الصخور الزلقة أو الجليد.
وفقًا لمتحدث باسم Pliant Energy Systems ، تمنع الحركة الأمامية المتموجة التشابك في الغطاء النباتي الكثيف لأنه لا توجد أجزاء دوارة ، بينما يحدث ضرر ضئيل للنباتات والرواسب. يمكن للمركبة منخفضة الضوضاء ، التي تعمل ببطارية ليثيوم أيون ، تحسين طفوها للحفاظ على موقعها تحت الجليد ، مع التحكم فيها عن بُعد. وتشمل مهامها الرئيسية: الاتصالات ، بما في ذلك نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أو WiFi أو الراديو أو القنوات الفضائية. جمع الاستخبارات والمعلومات ؛ البحث و الإنقاذ؛ ومسح وتحديد الألغام.
يعد تطوير التقنيات النانوية والبنى الدقيقة أيضًا مهمًا جدًا في التقنيات الإلكترونية ، المستوحاة من الطبيعة لتقليد العمليات الفيزيائية أو تحسين إنتاج مواد جديدة.
لا يتم استخدام الدروع الشفافة فقط للحماية الباليستية للأشخاص والمركبات. كما أنه مثالي لحماية الإلكترونيات ، وزجاج الليزر عالي الطاقة ، وأنظمة التصوير المقواة ، ودروع الوجه ، والطائرات بدون طيار ، وغيرها من المنصات الحساسة للكتلة.
يقوم مختبر الأبحاث البحرية الأمريكية بتطوير درع بوليمر شفاف له بنية مجهرية ذات طبقات تشبه قشرة الكيتين من القشريات ، ولكنها مصنوعة من مواد بلاستيكية. يسمح هذا للمواد بالبقاء مطابقة على نطاق واسع من درجات الحرارة والأحمال ، مما يسمح باستخدامها لحماية الأفراد والمنصات الثابتة والمركبات والطائرات.
وفقًا لياس سانجيرا ، رئيس المواد والأجهزة البصرية في هذا المختبر ، فإن الحماية المتوفرة في السوق ، كقاعدة عامة ، مصنوعة من ثلاثة أنواع من البلاستيك ولا يمكنها تحمل الرصاصة مقاس 9 ملم التي يتم إطلاقها من متر إلى مترين وتطير من السرعة. 1 م / ث.
يسمح الدرع الشفاف الذي طوره هذا المختبر بتقليل الكتلة بنسبة 40٪ مع الحفاظ على السلامة الباليستية ويمتص طاقة رصاصة أكثر بنسبة 68٪. وأوضح سانجيرا أن الدرع سيكون رائعًا للعديد من التطبيقات العسكرية ، مثل المركبات المقاومة للألغام والمركبات المدرعة البرمائية ومركبات إعادة الإمداد ونوافذ قمرة القيادة للطائرات.
وفقًا لـ Sanghera ، يعتزم مختبره الاستفادة من التطورات الحالية لإنشاء درع شفاف خفيف الوزن متوافق مع خصائص متعددة الضربات وتحقيق تخفيض في الوزن بأكثر من 20 ٪ ، مما سيوفر الحماية من رصاص البنادق 7,62x39mm.
تقوم وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) أيضًا بتطوير درع شفاف "الإسبنيل" (Spinel) ، والذي يتميز بخصائص فريدة. تتميز هذه المادة بخصائص ممتازة متعددة الصدمات ، وصلابة عالية ومقاومة للتآكل ، ومقاومة متزايدة للعوامل الخارجية ؛ ينقل نطاقًا أوسع من الأشعة تحت الحمراء ذات الطول الموجي المتوسط ، مما يزيد من قدرات أجهزة الرؤية الليلية (القدرة على رؤية الأشياء خلف الأسطح الزجاجية) ، ويزن أيضًا نصف وزن الزجاج التقليدي المضاد للرصاص.
هذا النشاط هو جزء من برنامج DARPA's Atoms to Product (A2P) ، والذي "يطور التقنيات والعمليات اللازمة لتجميع جزيئات النانومتر (بالقرب من حجم الذرات) في أنظمة أو مكونات أو مواد على الأقل بمقياس المليمتر."
وفقًا لرئيس برنامج A2P في داربا ، جون مين ، خلال السنوات الثماني الماضية ، حقق المكتب انخفاضًا في سمك الدرع الشفاف الأساسي من حوالي 18 سم إلى 6 سم مع الحفاظ على خصائص قوته. وتتكون من عدة طبقات مختلفة ، "ليست جميعها من السيراميك وليست كلها من البلاستيك أو الزجاج" ، والتي يتم ربطها بمادة داعمة لمنع التشقق. "عليك أن تفكر في الأمر كنظام دفاعي ، وليس كقطعة مادية متجانسة."
تم تصنيع نظارات الإسبنيل للتثبيت على نموذج أولي لشاحنات FMTV (عائلة المركبات التكتيكية المتوسطة - عائلة من المركبات العسكرية متوسطة الخدمة) للجيش الأمريكي لتقييمها من قبل مركز الأبحاث المدرعة.
كجزء من برنامج A2P ، منحت DARPA شركة Voxtel ، التي تعمل مع معهد أوريغون للمواد النانوية والإلكترونيات الدقيقة ، عقدًا بقيمة 5,9 مليون دولار للبحث في عمليات التصنيع التي تتراوح من النطاق النانوي إلى النطاق الكلي. يتضمن هذا المشروع الإلكتروني تطوير مادة لاصقة اصطناعية تحاكي قدرات سحلية أبو بريص.
"على باطن الوزغة ، هناك شيء مثل الشعر الصغير ... طوله حوالي 100 ميكرون ، والذي يتفرع بشكل كبير. في نهاية كل فرع صغير توجد صفيحة نانوية صغيرة بحجم 10 نانومتر. عند ملامستها للحائط أو السقف ، تسمح هذه الألواح للأبراص بالالتصاق بالحائط أو السقف ".
قال مين إن الشركات المصنعة لم تكن قادرة على تكرار هذه القدرات لأنهم لم يتمكنوا من إنشاء هياكل نانوية متفرعة.
تعمل Voxtel على تطوير تقنيات التصنيع التي تسمح لنا بتكرار هذه البنية البيولوجية والتقاط هذه الصفات البيولوجية. إنها تستخدم الأنابيب النانوية الكربونية بطريقة جديدة حقًا ، فهي تتيح لك إنشاء هياكل ثلاثية الأبعاد معقدة واستخدامها بطرق أصلية جدًا ، ليس بالضرورة كتراكيب ، ولكن بطرق أخرى أكثر إبداعًا. "
تريد Voxtel تطوير تقنيات تصنيع مضافة متقدمة من شأنها أن تنتج "المواد التي يتم تجميعها في حد ذاتها في وحدات كاملة وظيفيًا ، ثم يتم تجميعها في أنظمة معقدة غير متجانسة." ستعتمد هذه التقنيات على محاكاة الشفرات الجينية البسيطة الموجودة في الطبيعة والتفاعلات الكيميائية العامة التي تسمح للجزيئات بالتجمع الذاتي من المستوى الذري إلى هياكل كبيرة قادرة على إمداد نفسها بالطاقة.
"نريد تطوير مادة لاصقة متطورة قابلة لإعادة الاستخدام. قال مين إننا نرغب في الحصول على مادة بخصائص مادة لاصقة إيبوكسي ، ولكن من دون إمكانية التخلص منها والتلوث السطحي. "جمال هذه المادة التي تشبه الوزغة أنها لا تترك علامات وتعمل على الفور."
تشمل المواد المتقدمة الأخرى التي تتقدم بسرعة مواد فائقة الرقة مثل الجرافين والأنابيب النانوية الكربونية ، والتي لها خصائص هيكلية وحرارية وكهربائية وبصرية ستحدث ثورة في مساحة القتال الحديثة.
نوافذ شفافة من "Spinel" صنعت لنماذج أولية لشاحنات FMTV للجيش الأمريكي.
الجرافين
على الرغم من أن الأنابيب النانوية الكربونية لديها إمكانات جيدة للتطبيقات في مجال الإلكترونيات وأنظمة التمويه والتطبيقات الطبية الحيوية ، إلا أن الجرافين "أكثر إثارة للاهتمام لأنه يوفر ، على الورق على الأقل ، المزيد من الاحتمالات" ، كما قال جوزيبي داكوينو ، المتحدث باسم وكالة الدفاع الأوروبية (EOA). .
الجرافين عبارة عن مادة نانوية بالغة الرقة تتكون من طبقة بسمك ذرة واحدة من ذرات الكربون. يتميز الجرافين الخفيف الوزن والمتين بسعة قياسية عالية في التوصيل الحراري والكهربائي. تبحث صناعة الدفاع عن كثب في استخدام الجرافين في التطبيقات التي تتطلب قوتها ومرونتها ومقاومتها لدرجات الحرارة المرتفعة ، مثل المهام القتالية في ظل الظروف القاسية.
قال داكوينو إن الجرافين "هو ، من الناحية النظرية على الأقل ، مادة المستقبل. السبب وراء وجود العديد من المناقشات المثيرة للاهتمام الجارية الآن هو أنه بعد سنوات عديدة من البحث في القطاع المدني ، أصبح من الواضح أنه سيغير سيناريوهات القتال حقًا ".
"لسرد عدد قليل فقط من الاحتمالات: الإلكترونيات المرنة ، وأنظمة الطاقة ، والحماية الباليستية ، والتمويه ، والمرشحات / الأغشية ، والمواد ذات التبديد العالي للحرارة ، والتطبيقات الطبية الحيوية وأجهزة الاستشعار. هذه ، في الواقع ، هي الاتجاهات التكنولوجية الرئيسية ".
في ديسمبر 2017 ، بدأت EOA دراسة لمدة عام للتطبيقات المستقبلية المحتملة للجرافين في المجال العسكري وتأثيره على صناعة الدفاع الأوروبية. قاد هذا العمل المؤسسة الإسبانية للبحث التقني والابتكار ، التي تتعاون معها جامعة قرطاجنة والشركة البريطانية Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. في مايو 2018 ، عُقدت ندوة للباحثين والخبراء في الجرافين ، حيث تم تحديد خارطة طريق لتطبيقه في قطاع الدفاع.
وفقًا لـ EOA ، "من بين المواد التي لديها القدرة على إحداث ثورة في القدرات الدفاعية في العقد المقبل ، يحتل الجرافين مكانة عالية في قائمة الأولويات. خفيف الوزن ، مرن ، أقوى 200 مرة من الفولاذ ، وموصلته الكهربائية لا تصدق (أفضل من السيليكون) ، كما هو الحال بالنسبة للتوصيل الحراري. "
كما أشار EOA إلى أن للجرافين خصائص رائعة في مجال "إدارة التوقيع". وهذا يعني أنه يمكن استخدامه لإنتاج "طلاءات ماصة للراديو ستحول المركبات العسكرية والطائرات والغواصات والسفن السطحية إلى أشياء لا يمكن اكتشافها تقريبًا. كل هذا يجعل الجرافين مادة جذابة للغاية ليس فقط للصناعة المدنية ، ولكن أيضًا للتطبيقات العسكرية ، البرية والجوية والبحرية. "
يتم استخدام عملية التلبيد بالضغط الساخن (أعلاه) بواسطة مختبر الأبحاث البحرية الأمريكية لإنشاء سيراميك "الإسبنيل" الشفاف. يتم ضغط المسحوق تحت التفريغ للحصول على الشفافية. يمكن طحن المواد الناتجة (أدناه) وصقلها مثل الأحجار الكريمة.
تحقيقا لهذه الغاية ، يستكشف الجيش الأمريكي استخدام الجرافين للمركبات والملابس الواقية. وفقًا للمهندس Emil Sandoz-Rosado من مختبر الأبحاث العسكرية للجيش الأمريكي (ARL) ، فإن هذه المادة لها خصائص ميكانيكية ممتازة ، وطبقة ذرية واحدة من الجرافين أقوى بعشر مرات وأكثر من 10 مرة من نفس الطبقة من الألياف الباليستية التجارية. "سقف الجرافين مرتفع للغاية. هذا هو أحد الأسباب التي جعلت العديد من مجموعات العمل في ARL قد أبدت اهتمامًا بها ، لأن خصائص تصميمها من حيث الدروع واعدة جدًا.
ومع ذلك ، هناك أيضًا صعوبات كبيرة جدًا. واحد هو مقياس المواد. يحتاج الجيش إلى مواد وقائية يمكن أن تغلق الدباباتوالسيارات والجنود. "نحن بحاجة إلى المزيد. بشكل عام ، نحن نتحدث عن مليون طبقة أو أكثر نحتاجها حاليًا.
قالت ساندوز روسادو إن الجرافين يمكن تصنيعه بطريقة أو طريقتين ، إما من خلال عملية التقشير حيث يتم فصل الجرافيت عالي الجودة إلى طبقات ذرية فردية ، أو زراعة طبقة ذرية واحدة من الجرافين على رقائق نحاسية. هذه العملية مقبولة جيدًا من قبل المختبرات المشاركة في إنتاج الجرافين عالي الجودة. "إنها ليست مثالية تمامًا ، لكنها قريبة جدًا. ومع ذلك ، حان الوقت اليوم للتحدث عن أكثر من مجرد طبقة ذرية واحدة ، فنحن بحاجة إلى منتج كامل ". نتيجة لذلك ، تم إطلاق برنامج مؤخرًا لتطوير عمليات مستمرة لإنتاج الجرافين على نطاق صناعي.
حذرت داكفينو ، "سواء كانت أنابيب الكربون النانوية أو الجرافين ، يجب أن تأخذ في الاعتبار المتطلبات المحددة التي يجب الوفاء بها" ، مشيرة إلى أن الوصف الرسمي لخصائص المواد المتقدمة الجديدة ، وتوحيد العمليات الدقيقة لإنشاء مواد جديدة ، إن استنساخ هذه العمليات ، وإمكانية تصنيع السلسلة بأكملها (من البحث الأساسي إلى إنتاج العرض التوضيحي والنماذج الأولية) تحتاج إلى دراسة دقيقة وتبرير عندما يتعلق الأمر باستخدام مواد متطورة مثل الجرافين والأنابيب النانوية الكربونية في المنصات العسكرية.
"الأمر ليس مجرد بحث ، لأنه في نهاية اليوم ، تحتاج إلى التأكد من أن مادة معينة قد تلقت وصفًا رسميًا وبعد ذلك تحتاج إلى التأكد من إمكانية إنتاجها من خلال عملية معينة. الأمر ليس بهذه السهولة ، لأن عملية التصنيع يمكن أن تتغير ، ويمكن أن تختلف جودة المنتج المنتج اعتمادًا على العملية ، لذلك يجب تكرار العملية عدة مرات ".
قالت Sandoz-Rosado إن ARL تعمل مع منتجي الجرافين لتقييم درجة جودة المنتج وكيفية الارتقاء به. على الرغم من أنه لم يتضح بعد ما إذا كانت العمليات المستمرة ، التي لا تزال في مهدها ، لها نموذج عمل وقدرات مناسبة وما إذا كان بإمكانها توفير الجودة المطلوبة.
وأشار داكوينو إلى أن التقدم في المحاكاة الحاسوبية والحوسبة الكمومية يمكن أن يسرع البحث والتطوير ، بالإضافة إلى تطوير طرق لإنتاج مواد متقدمة في المستقبل القريب. "من خلال التصميم بمساعدة الكمبيوتر ومحاكاة المواد ، يمكن محاكاة العديد من الأشياء: سيكون من الممكن محاكاة خصائص المواد وحتى عمليات التصنيع. يمكنك أيضًا إنشاء واقع افتراضي حيث يمكنك بشكل أساسي إلقاء نظرة على المراحل المختلفة لإنشاء المواد ".
وقالت داكوينو أيضًا إن النمذجة الحاسوبية المتقدمة وتقنيات الواقع الافتراضي توفر ميزة من خلال إنشاء "نظام متكامل حيث يمكنك محاكاة مادة معينة ومعرفة ما إذا كان يمكن تطبيق هذه المواد في ظروف معينة." يمكن للحوسبة الكمومية أن تغير الوضع بشكل جذري هنا.
"في المستقبل ، أرى المزيد من الاهتمام بالطرق الجديدة للتصنيع ، والطرق الجديدة لإنشاء مواد جديدة وعمليات التصنيع الجديدة من خلال محاكاة الكمبيوتر ، حيث لا يمكن الحصول على قوة الحوسبة الضخمة إلا باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية."
وفقًا لـ Dakquino ، فإن بعض تطبيقات الجرافين أكثر نضجًا من الناحية التكنولوجية ، في حين أن البعض الآخر أقل نضجًا. على سبيل المثال ، يمكن تحسين مركبات السيراميك القائمة على المصفوفة من خلال دمج صفائح الجرافين ، والتي تعزز المادة وتزيد من مقاومتها الميكانيكية مع تقليل كتلتها. تابع داكوينو: "إذا كنا نتحدث ، على سبيل المثال ، عن المواد المركبة ،" أو بشكل عام عن المواد المعززة بإضافة الجرافين ، فسنحصل على مواد حقيقية وعمليات حقيقية لإنتاجها بكميات كبيرة ، إن لم يكن غدًا ، ولكن ربما في السنوات الخمس المقبلة ".
وهذا هو سبب أهمية الجرافين لأنظمة الحماية الباليستية. ليس لأنه يمكن استخدام الجرافين كدروع. ولكن إذا كنت تستخدم الجرافين كمادة تقوية في الدروع ، فيمكن أن يصبح أقوى حتى من الكيفلار.
المجالات ذات الأولوية ، مثل الأنظمة المستقلة وأجهزة الاستشعار ، وكذلك المناطق العسكرية عالية الخطورة ، مثل تحت الماء والفضاء والسيبرنت ، تعتمد بشكل كبير على المواد المتقدمة الجديدة وواجهة التقنيات النانوية والميكروتكنولوجية مع التقنيات الحيوية والمواد التخفي والمواد التفاعلية وأنظمة توليد الطاقة وتخزينها.
المواد الفوقية والتكنولوجيات النانوية ، مثل الجرافين والأنابيب النانوية الكربونية ، تخضع حاليًا لتطور سريع. في هذه التقنيات الجديدة ، يبحث الجيش عن فرص جديدة ، ويستكشف تطبيقاتها والحواجز المحتملة ، حيث يضطرون إلى تحقيق التوازن بين احتياجات ساحة المعركة الحديثة وأهداف البحث طويلة المدى.
المستقبل قادم إلينا. جهاز فيلوكس من شركة Pliant Energy Systems
بحسب المواقع:
www.nationaldefensemagazine.org
www.metamaterial.com
metamaterialcenter.com
science.howstuffworks.com
www.kymetacorp.com
www.pliantenergy.com
www.darpa.mil
voxtel-inc.com
www.eda.europa.eu
www.facebook.com
www.habr.com
www.wikipedia.org
ru.wikipedia.org
pinterest.com
eandt.theiet.org
كان الفيزيائي السوفيتي فيكتور فيسيلاجو قد تنبأ بإمكانية إنشاء مادة بزاوية انكسار سالبة في عام 1967 ، ولكن الآن فقط ظهرت العينات الأولى من الهياكل الحقيقية مع مثل هذه الخصائص. نظرًا لزاوية الانكسار السالبة ، تنحني أشعة الضوء حول الجسم ، مما يجعله غير مرئي. وهكذا ، يلاحظ المراقب فقط ما يحدث خلف ظهر الشخص الذي يرتدي العباءة "الرائعة".
للحصول على ميزة في ساحة المعركة ، تتجه الجيوش الحديثة إلى القدرات التخريبية المحتملة مثل دروع الجسم والمركبات المتقدمة وتكنولوجيا النانو. التمويه المبتكر والأجهزة الكهربائية الجديدة والبطاريات الفائقة والحماية "الذكية" أو التفاعلية للمنصات والأفراد. أصبحت الأنظمة العسكرية أكثر تعقيدًا ، ويجري تطوير وتصنيع مواد جديدة متعددة الوظائف وذات استخدام مزدوج ، ويتم تصغير الإلكترونيات فائقة القوة والمرنة على قدم وساق.
ومن الأمثلة على ذلك المواد الواعدة للشفاء الذاتي ، والمواد المركبة المتقدمة ، والسيراميك الوظيفي ، والمواد الكهربائية ، والمواد "الوقائية الإلكترونية" التي تستجيب للتداخل الكهرومغناطيسي. من المتوقع أن تكون أساس التقنيات المتقدمة التي ستغير بشكل لا رجعة فيه ساحة المعركة وطبيعة الحرب المستقبلية.
تجذب مواد الجيل التالي المتقدمة مثل المواد الفوقية والجرافين والأنابيب النانوية الكربونية اهتمامًا كبيرًا واستثمارات قوية لأنها تتمتع بخصائص ووظائف غير موجودة في الطبيعة ومناسبة للتطبيقات والمهام الدفاعية التي يتم إجراؤها في البيئات القاسية أو المعادية. تستخدم تقنية النانو مواد نانومترية (10-9) من أجل التمكن من تعديل الهياكل على المستويين الذري والجزيئي وإنشاء أنسجة أو أجهزة أو أنظمة مختلفة. هذه المواد هي اتجاه واعد للغاية ويمكن أن يكون لها في المستقبل تأثير خطير على الفعالية القتالية.
المواد الخارقة
قبل المتابعة ، دعنا نحدد المواد الخارقة. المادة الخارقة هي مادة مركبة لا يتم تحديد خصائصها من خلال خصائص العناصر المكونة لها بقدر ما يتم تحديدها من خلال هيكل دوري تم إنشاؤه بشكل مصطنع. إنها بيئات مشكلة بشكل مصطنع ومنظمة بشكل خاص ذات خصائص كهرومغناطيسية أو صوتية يصعب تحقيقها من الناحية التكنولوجية أو لا توجد في الطبيعة.
دخلت شركة Kymeta Corporation ، وهي شركة تابعة لشركة Intel الفكرية المعلقة ببراءة اختراع ، سوق الدفاع في عام 2016 باستخدام هوائي mTenna metamaterial. وفقًا لمدير الشركة ناثان كوندز ، يزن الهوائي المحمول على شكل هوائي لجهاز الإرسال والاستقبال حوالي 18 كجم ويستهلك 10 واط. معدات هوائي المواد الفوقية بحجم كتاب أو نتبووك ، ولا تحتوي على أجزاء متحركة ، ويتم تصنيعها بنفس طريقة تصنيع شاشات LCD أو شاشات الهواتف الذكية باستخدام تقنية الترانزستور ذات الأغشية الرقيقة.
تتكون المواد الخارقة من بنى دقيقة ذات أطوال موجية فرعية ، أي هياكل ذات أبعاد أصغر من الطول الموجي للإشعاع الذي من المفترض أن تتحكم فيه. يمكن تصنيع هذه الهياكل من مواد غير مغناطيسية مثل النحاس وحفرها على ركيزة من الألياف الزجاجية ثنائي الفينيل متعدد الكلور.
يمكن إنشاء المواد الفوقية للتفاعل مع المكونات الرئيسية للموجات الكهرومغناطيسية - السماحية والنفاذية المغناطيسية. وفقًا لبابلوس هولمان ، المخترع في شركة إنتيليكتشكتش فينتشرز ، يمكن للهوائيات الخارقة في النهاية أن تحل محل الأبراج الخلوية ، والخطوط الأرضية ، وكابلات الألياف البصرية المحورية.
يتم ضبط الهوائيات التقليدية لاعتراض الطاقة التي يتم التحكم فيها ذات الطول الموجي المحدد ، والتي تثير الإلكترونات في الهوائي ، وتولد تيارات كهربائية. في المقابل ، يمكن تفسير هذه الإشارات المشفرة على أنها معلومات.
تعتبر أنظمة الهوائي الحديثة مرهقة لأن أنواعًا مختلفة من الهوائيات مطلوبة للترددات المختلفة. في حالة الهوائيات المصنوعة من المواد الخارقة ، تسمح لك الطبقة السطحية بتغيير اتجاه انحناء الموجات الكهرومغناطيسية. تُظهر المواد الخارقة السماحية السلبية والنفاذية المغناطيسية السلبية وبالتالي لها معامل انكسار سلبي. يحدد معامل الانكسار السلبي هذا ، غير الموجود في أي مادة طبيعية ، التغير في الموجات الكهرومغناطيسية عند عبور حدود وسيطين مختلفين. وبالتالي ، يمكن ضبط مستقبل هوائي المادة الفوقية إلكترونيًا لاستقبال ترددات مختلفة ، فيما يتعلق بالمطورين لديهم الفرصة لتحقيق النطاق العريض وتقليل حجم عناصر الهوائي.
يتم تجميع المواد الفوقية الموجودة داخل هذه الهوائيات في مصفوفة مسطحة من الخلايا الفردية المكتظة بكثافة (تشبه إلى حد كبير وضع البكسل على شاشة التلفزيون) مع مجموعة مسطحة أخرى من الأدلة الموجية المستطيلة المتوازية ، بالإضافة إلى وحدة تتحكم في انبعاث الموجة من خلال البرنامج ويسمح للهوائي بتحديد اتجاه الإشعاع.
أوضح هولمان أن أسهل طريقة لفهم مزايا هوائيات المواد الخارقة هي إلقاء نظرة فاحصة على الفتحات المادية للهوائي وموثوقية اتصالات الإنترنت على السفن والطائرات ، طائرات بدون طيار وأنظمة الحركة الأخرى.
وتابع هولمان: "كل قمر صناعي للاتصالات جديد في المدار هذه الأيام لديه قدرة أكبر من قدرة كوكبة الأقمار الصناعية قبل بضع سنوات فقط. لدينا إمكانات هائلة للاتصالات اللاسلكية في هذه الشبكات الفضائية ، ولكن الطريقة الوحيدة للوصول إليها هي أخذ طبق القمر الصناعي ، وهو كبير وثقيل ومكلف في التركيب والصيانة. باستخدام هوائي قائم على المادة الفوقية ، يمكننا صنع لوحة مسطحة يمكنها توجيه الحزمة وتوجيهها مباشرة إلى القمر الصناعي.
قال هولمان: "خمسون بالمائة من الوقت لا يكون الهوائي القابل للتوجيه المادي موجهًا إلى القمر الصناعي وأنت غير متصل فعليًا". "لذلك ، يمكن أن يكون هوائي المادة الفوقية مفيدًا بشكل خاص في السياق البحري ، لأن الطبق يتم التحكم فيه فعليًا للإشارة إلى القمر الصناعي ، حيث تغير السفينة مسارها بشكل متكرر وتتأرجح باستمرار على الأمواج."
حاليًا ، هناك تطور سريع لتكنولوجيا المنصات غير المأهولة ذات الخصائص الإلكترونية. على سبيل المثال ، نموذج Razor AUV (نموذج مصور أدناه) و Velox AUV (أعلاه) يحاكيان الحركات الطبيعية للحيوانات أو النباتات ، وهو أمر رائع لمهام الاستطلاع والسرية.
الكترونيات
يتجه تطوير مواد جديدة أيضًا نحو إنشاء أنظمة مرنة متعددة الوظائف ذات أشكال معقدة. هنا يلعب العلم التطبيقي دورًا مهمًا حول تطبيق مبادئ التنظيم والخصائص والوظائف وهياكل الطبيعة الحية في الأجهزة والأنظمة التقنية. تساعد البيولوجيا (في الأدب الغربي ، المحاكاة الحيوية) الشخص على إنشاء أنظمة تقنية أصلية وعمليات تكنولوجية بناءً على الأفكار الموجودة والمستعارة من الطبيعة.
يقوم مركز أبحاث حرب الغواصات التابع للبحرية الأمريكية باختبار مركبة تحت الماء مستقلة للبحث عن الألغام (AUV) تستخدم مبادئ إلكترونية. تقليد حركات الحياة البحرية. يبلغ طول ماكينة الحلاقة 3 أمتار ويمكن حملها بواسطة شخصين. تعمل أجهزتها الإلكترونية على تنسيق عمل أربعة أجنحة مرفرفة واثنين من المراوح في المؤخرة. حركات الخفقان تحاكي حركات بعض الحيوانات كالطيور والسلاحف. يسمح ذلك لـ AUV بالمرور ، وإجراء مناورات دقيقة بسرعات منخفضة ، والوصول إلى سرعات عالية. تسمح هذه السرعة أيضًا لـ Razor بتغيير الموضع بسهولة والطفو حول الكائنات لالتقاطها بأبعاد ثلاثية.
تمول وكالة البحث والتطوير البحرية الأمريكية Pliant Energy Systems لتطوير نموذج أولي لغواصة Velox ذاتية القيادة الاختيارية التي تستخدم نظامًا من الزعانف متعددة الاستقرار وغير الخطية والشبيهة بالورق بدلاً من المراوح التي تولد حركات متموجة متكررة مماثلة لتلك. من سمكة الراي اللاسعة. يحول الجهاز حركات الزعانف البوليمرية النشطة كهربيًا والمتموجة والمرنة ذات الهندسة الزائدية المستوية إلى حركة انتقالية ، تتحرك بحرية تحت الماء ، في موجات الأمواج ، في الرمال ، فوق النباتات البحرية والبرية ، على الصخور الزلقة أو الجليد.
وفقًا لمتحدث باسم Pliant Energy Systems ، تمنع الحركة الأمامية المتموجة التشابك في الغطاء النباتي الكثيف لأنه لا توجد أجزاء دوارة ، بينما يحدث ضرر ضئيل للنباتات والرواسب. يمكن للمركبة منخفضة الضوضاء ، التي تعمل ببطارية ليثيوم أيون ، تحسين طفوها للحفاظ على موقعها تحت الجليد ، مع التحكم فيها عن بُعد. وتشمل مهامها الرئيسية: الاتصالات ، بما في ذلك نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أو WiFi أو الراديو أو القنوات الفضائية. جمع الاستخبارات والمعلومات ؛ البحث و الإنقاذ؛ ومسح وتحديد الألغام.
يعد تطوير التقنيات النانوية والبنى الدقيقة أيضًا مهمًا جدًا في التقنيات الإلكترونية ، المستوحاة من الطبيعة لتقليد العمليات الفيزيائية أو تحسين إنتاج مواد جديدة.
لا يتم استخدام الدروع الشفافة فقط للحماية الباليستية للأشخاص والمركبات. كما أنه مثالي لحماية الإلكترونيات ، وزجاج الليزر عالي الطاقة ، وأنظمة التصوير المقواة ، ودروع الوجه ، والطائرات بدون طيار ، وغيرها من المنصات الحساسة للكتلة.
يقوم مختبر الأبحاث البحرية الأمريكية بتطوير درع بوليمر شفاف له بنية مجهرية ذات طبقات تشبه قشرة الكيتين من القشريات ، ولكنها مصنوعة من مواد بلاستيكية. يسمح هذا للمواد بالبقاء مطابقة على نطاق واسع من درجات الحرارة والأحمال ، مما يسمح باستخدامها لحماية الأفراد والمنصات الثابتة والمركبات والطائرات.
وفقًا لياس سانجيرا ، رئيس المواد والأجهزة البصرية في هذا المختبر ، فإن الحماية المتوفرة في السوق ، كقاعدة عامة ، مصنوعة من ثلاثة أنواع من البلاستيك ولا يمكنها تحمل الرصاصة مقاس 9 ملم التي يتم إطلاقها من متر إلى مترين وتطير من السرعة. 1 م / ث.
يسمح الدرع الشفاف الذي طوره هذا المختبر بتقليل الكتلة بنسبة 40٪ مع الحفاظ على السلامة الباليستية ويمتص طاقة رصاصة أكثر بنسبة 68٪. وأوضح سانجيرا أن الدرع سيكون رائعًا للعديد من التطبيقات العسكرية ، مثل المركبات المقاومة للألغام والمركبات المدرعة البرمائية ومركبات إعادة الإمداد ونوافذ قمرة القيادة للطائرات.
وفقًا لـ Sanghera ، يعتزم مختبره الاستفادة من التطورات الحالية لإنشاء درع شفاف خفيف الوزن متوافق مع خصائص متعددة الضربات وتحقيق تخفيض في الوزن بأكثر من 20 ٪ ، مما سيوفر الحماية من رصاص البنادق 7,62x39mm.
تقوم وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) أيضًا بتطوير درع شفاف "الإسبنيل" (Spinel) ، والذي يتميز بخصائص فريدة. تتميز هذه المادة بخصائص ممتازة متعددة الصدمات ، وصلابة عالية ومقاومة للتآكل ، ومقاومة متزايدة للعوامل الخارجية ؛ ينقل نطاقًا أوسع من الأشعة تحت الحمراء ذات الطول الموجي المتوسط ، مما يزيد من قدرات أجهزة الرؤية الليلية (القدرة على رؤية الأشياء خلف الأسطح الزجاجية) ، ويزن أيضًا نصف وزن الزجاج التقليدي المضاد للرصاص.
هذا النشاط هو جزء من برنامج DARPA's Atoms to Product (A2P) ، والذي "يطور التقنيات والعمليات اللازمة لتجميع جزيئات النانومتر (بالقرب من حجم الذرات) في أنظمة أو مكونات أو مواد على الأقل بمقياس المليمتر."
وفقًا لرئيس برنامج A2P في داربا ، جون مين ، خلال السنوات الثماني الماضية ، حقق المكتب انخفاضًا في سمك الدرع الشفاف الأساسي من حوالي 18 سم إلى 6 سم مع الحفاظ على خصائص قوته. وتتكون من عدة طبقات مختلفة ، "ليست جميعها من السيراميك وليست كلها من البلاستيك أو الزجاج" ، والتي يتم ربطها بمادة داعمة لمنع التشقق. "عليك أن تفكر في الأمر كنظام دفاعي ، وليس كقطعة مادية متجانسة."
تم تصنيع نظارات الإسبنيل للتثبيت على نموذج أولي لشاحنات FMTV (عائلة المركبات التكتيكية المتوسطة - عائلة من المركبات العسكرية متوسطة الخدمة) للجيش الأمريكي لتقييمها من قبل مركز الأبحاث المدرعة.
كجزء من برنامج A2P ، منحت DARPA شركة Voxtel ، التي تعمل مع معهد أوريغون للمواد النانوية والإلكترونيات الدقيقة ، عقدًا بقيمة 5,9 مليون دولار للبحث في عمليات التصنيع التي تتراوح من النطاق النانوي إلى النطاق الكلي. يتضمن هذا المشروع الإلكتروني تطوير مادة لاصقة اصطناعية تحاكي قدرات سحلية أبو بريص.
"على باطن الوزغة ، هناك شيء مثل الشعر الصغير ... طوله حوالي 100 ميكرون ، والذي يتفرع بشكل كبير. في نهاية كل فرع صغير توجد صفيحة نانوية صغيرة بحجم 10 نانومتر. عند ملامستها للحائط أو السقف ، تسمح هذه الألواح للأبراص بالالتصاق بالحائط أو السقف ".
قال مين إن الشركات المصنعة لم تكن قادرة على تكرار هذه القدرات لأنهم لم يتمكنوا من إنشاء هياكل نانوية متفرعة.
تعمل Voxtel على تطوير تقنيات التصنيع التي تسمح لنا بتكرار هذه البنية البيولوجية والتقاط هذه الصفات البيولوجية. إنها تستخدم الأنابيب النانوية الكربونية بطريقة جديدة حقًا ، فهي تتيح لك إنشاء هياكل ثلاثية الأبعاد معقدة واستخدامها بطرق أصلية جدًا ، ليس بالضرورة كتراكيب ، ولكن بطرق أخرى أكثر إبداعًا. "
تريد Voxtel تطوير تقنيات تصنيع مضافة متقدمة من شأنها أن تنتج "المواد التي يتم تجميعها في حد ذاتها في وحدات كاملة وظيفيًا ، ثم يتم تجميعها في أنظمة معقدة غير متجانسة." ستعتمد هذه التقنيات على محاكاة الشفرات الجينية البسيطة الموجودة في الطبيعة والتفاعلات الكيميائية العامة التي تسمح للجزيئات بالتجمع الذاتي من المستوى الذري إلى هياكل كبيرة قادرة على إمداد نفسها بالطاقة.
"نريد تطوير مادة لاصقة متطورة قابلة لإعادة الاستخدام. قال مين إننا نرغب في الحصول على مادة بخصائص مادة لاصقة إيبوكسي ، ولكن من دون إمكانية التخلص منها والتلوث السطحي. "جمال هذه المادة التي تشبه الوزغة أنها لا تترك علامات وتعمل على الفور."
تشمل المواد المتقدمة الأخرى التي تتقدم بسرعة مواد فائقة الرقة مثل الجرافين والأنابيب النانوية الكربونية ، والتي لها خصائص هيكلية وحرارية وكهربائية وبصرية ستحدث ثورة في مساحة القتال الحديثة.
نوافذ شفافة من "Spinel" صنعت لنماذج أولية لشاحنات FMTV للجيش الأمريكي.
الجرافين
على الرغم من أن الأنابيب النانوية الكربونية لديها إمكانات جيدة للتطبيقات في مجال الإلكترونيات وأنظمة التمويه والتطبيقات الطبية الحيوية ، إلا أن الجرافين "أكثر إثارة للاهتمام لأنه يوفر ، على الورق على الأقل ، المزيد من الاحتمالات" ، كما قال جوزيبي داكوينو ، المتحدث باسم وكالة الدفاع الأوروبية (EOA). .
الجرافين عبارة عن مادة نانوية بالغة الرقة تتكون من طبقة بسمك ذرة واحدة من ذرات الكربون. يتميز الجرافين الخفيف الوزن والمتين بسعة قياسية عالية في التوصيل الحراري والكهربائي. تبحث صناعة الدفاع عن كثب في استخدام الجرافين في التطبيقات التي تتطلب قوتها ومرونتها ومقاومتها لدرجات الحرارة المرتفعة ، مثل المهام القتالية في ظل الظروف القاسية.
قال داكوينو إن الجرافين "هو ، من الناحية النظرية على الأقل ، مادة المستقبل. السبب وراء وجود العديد من المناقشات المثيرة للاهتمام الجارية الآن هو أنه بعد سنوات عديدة من البحث في القطاع المدني ، أصبح من الواضح أنه سيغير سيناريوهات القتال حقًا ".
"لسرد عدد قليل فقط من الاحتمالات: الإلكترونيات المرنة ، وأنظمة الطاقة ، والحماية الباليستية ، والتمويه ، والمرشحات / الأغشية ، والمواد ذات التبديد العالي للحرارة ، والتطبيقات الطبية الحيوية وأجهزة الاستشعار. هذه ، في الواقع ، هي الاتجاهات التكنولوجية الرئيسية ".
في ديسمبر 2017 ، بدأت EOA دراسة لمدة عام للتطبيقات المستقبلية المحتملة للجرافين في المجال العسكري وتأثيره على صناعة الدفاع الأوروبية. قاد هذا العمل المؤسسة الإسبانية للبحث التقني والابتكار ، التي تتعاون معها جامعة قرطاجنة والشركة البريطانية Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. في مايو 2018 ، عُقدت ندوة للباحثين والخبراء في الجرافين ، حيث تم تحديد خارطة طريق لتطبيقه في قطاع الدفاع.
وفقًا لـ EOA ، "من بين المواد التي لديها القدرة على إحداث ثورة في القدرات الدفاعية في العقد المقبل ، يحتل الجرافين مكانة عالية في قائمة الأولويات. خفيف الوزن ، مرن ، أقوى 200 مرة من الفولاذ ، وموصلته الكهربائية لا تصدق (أفضل من السيليكون) ، كما هو الحال بالنسبة للتوصيل الحراري. "
كما أشار EOA إلى أن للجرافين خصائص رائعة في مجال "إدارة التوقيع". وهذا يعني أنه يمكن استخدامه لإنتاج "طلاءات ماصة للراديو ستحول المركبات العسكرية والطائرات والغواصات والسفن السطحية إلى أشياء لا يمكن اكتشافها تقريبًا. كل هذا يجعل الجرافين مادة جذابة للغاية ليس فقط للصناعة المدنية ، ولكن أيضًا للتطبيقات العسكرية ، البرية والجوية والبحرية. "
يتم استخدام عملية التلبيد بالضغط الساخن (أعلاه) بواسطة مختبر الأبحاث البحرية الأمريكية لإنشاء سيراميك "الإسبنيل" الشفاف. يتم ضغط المسحوق تحت التفريغ للحصول على الشفافية. يمكن طحن المواد الناتجة (أدناه) وصقلها مثل الأحجار الكريمة.
تحقيقا لهذه الغاية ، يستكشف الجيش الأمريكي استخدام الجرافين للمركبات والملابس الواقية. وفقًا للمهندس Emil Sandoz-Rosado من مختبر الأبحاث العسكرية للجيش الأمريكي (ARL) ، فإن هذه المادة لها خصائص ميكانيكية ممتازة ، وطبقة ذرية واحدة من الجرافين أقوى بعشر مرات وأكثر من 10 مرة من نفس الطبقة من الألياف الباليستية التجارية. "سقف الجرافين مرتفع للغاية. هذا هو أحد الأسباب التي جعلت العديد من مجموعات العمل في ARL قد أبدت اهتمامًا بها ، لأن خصائص تصميمها من حيث الدروع واعدة جدًا.
ومع ذلك ، هناك أيضًا صعوبات كبيرة جدًا. واحد هو مقياس المواد. يحتاج الجيش إلى مواد وقائية يمكن أن تغلق الدباباتوالسيارات والجنود. "نحن بحاجة إلى المزيد. بشكل عام ، نحن نتحدث عن مليون طبقة أو أكثر نحتاجها حاليًا.
قالت ساندوز روسادو إن الجرافين يمكن تصنيعه بطريقة أو طريقتين ، إما من خلال عملية التقشير حيث يتم فصل الجرافيت عالي الجودة إلى طبقات ذرية فردية ، أو زراعة طبقة ذرية واحدة من الجرافين على رقائق نحاسية. هذه العملية مقبولة جيدًا من قبل المختبرات المشاركة في إنتاج الجرافين عالي الجودة. "إنها ليست مثالية تمامًا ، لكنها قريبة جدًا. ومع ذلك ، حان الوقت اليوم للتحدث عن أكثر من مجرد طبقة ذرية واحدة ، فنحن بحاجة إلى منتج كامل ". نتيجة لذلك ، تم إطلاق برنامج مؤخرًا لتطوير عمليات مستمرة لإنتاج الجرافين على نطاق صناعي.
حذرت داكفينو ، "سواء كانت أنابيب الكربون النانوية أو الجرافين ، يجب أن تأخذ في الاعتبار المتطلبات المحددة التي يجب الوفاء بها" ، مشيرة إلى أن الوصف الرسمي لخصائص المواد المتقدمة الجديدة ، وتوحيد العمليات الدقيقة لإنشاء مواد جديدة ، إن استنساخ هذه العمليات ، وإمكانية تصنيع السلسلة بأكملها (من البحث الأساسي إلى إنتاج العرض التوضيحي والنماذج الأولية) تحتاج إلى دراسة دقيقة وتبرير عندما يتعلق الأمر باستخدام مواد متطورة مثل الجرافين والأنابيب النانوية الكربونية في المنصات العسكرية.
"الأمر ليس مجرد بحث ، لأنه في نهاية اليوم ، تحتاج إلى التأكد من أن مادة معينة قد تلقت وصفًا رسميًا وبعد ذلك تحتاج إلى التأكد من إمكانية إنتاجها من خلال عملية معينة. الأمر ليس بهذه السهولة ، لأن عملية التصنيع يمكن أن تتغير ، ويمكن أن تختلف جودة المنتج المنتج اعتمادًا على العملية ، لذلك يجب تكرار العملية عدة مرات ".
قالت Sandoz-Rosado إن ARL تعمل مع منتجي الجرافين لتقييم درجة جودة المنتج وكيفية الارتقاء به. على الرغم من أنه لم يتضح بعد ما إذا كانت العمليات المستمرة ، التي لا تزال في مهدها ، لها نموذج عمل وقدرات مناسبة وما إذا كان بإمكانها توفير الجودة المطلوبة.
وأشار داكوينو إلى أن التقدم في المحاكاة الحاسوبية والحوسبة الكمومية يمكن أن يسرع البحث والتطوير ، بالإضافة إلى تطوير طرق لإنتاج مواد متقدمة في المستقبل القريب. "من خلال التصميم بمساعدة الكمبيوتر ومحاكاة المواد ، يمكن محاكاة العديد من الأشياء: سيكون من الممكن محاكاة خصائص المواد وحتى عمليات التصنيع. يمكنك أيضًا إنشاء واقع افتراضي حيث يمكنك بشكل أساسي إلقاء نظرة على المراحل المختلفة لإنشاء المواد ".
وقالت داكوينو أيضًا إن النمذجة الحاسوبية المتقدمة وتقنيات الواقع الافتراضي توفر ميزة من خلال إنشاء "نظام متكامل حيث يمكنك محاكاة مادة معينة ومعرفة ما إذا كان يمكن تطبيق هذه المواد في ظروف معينة." يمكن للحوسبة الكمومية أن تغير الوضع بشكل جذري هنا.
"في المستقبل ، أرى المزيد من الاهتمام بالطرق الجديدة للتصنيع ، والطرق الجديدة لإنشاء مواد جديدة وعمليات التصنيع الجديدة من خلال محاكاة الكمبيوتر ، حيث لا يمكن الحصول على قوة الحوسبة الضخمة إلا باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية."
وفقًا لـ Dakquino ، فإن بعض تطبيقات الجرافين أكثر نضجًا من الناحية التكنولوجية ، في حين أن البعض الآخر أقل نضجًا. على سبيل المثال ، يمكن تحسين مركبات السيراميك القائمة على المصفوفة من خلال دمج صفائح الجرافين ، والتي تعزز المادة وتزيد من مقاومتها الميكانيكية مع تقليل كتلتها. تابع داكوينو: "إذا كنا نتحدث ، على سبيل المثال ، عن المواد المركبة ،" أو بشكل عام عن المواد المعززة بإضافة الجرافين ، فسنحصل على مواد حقيقية وعمليات حقيقية لإنتاجها بكميات كبيرة ، إن لم يكن غدًا ، ولكن ربما في السنوات الخمس المقبلة ".
وهذا هو سبب أهمية الجرافين لأنظمة الحماية الباليستية. ليس لأنه يمكن استخدام الجرافين كدروع. ولكن إذا كنت تستخدم الجرافين كمادة تقوية في الدروع ، فيمكن أن يصبح أقوى حتى من الكيفلار.
المجالات ذات الأولوية ، مثل الأنظمة المستقلة وأجهزة الاستشعار ، وكذلك المناطق العسكرية عالية الخطورة ، مثل تحت الماء والفضاء والسيبرنت ، تعتمد بشكل كبير على المواد المتقدمة الجديدة وواجهة التقنيات النانوية والميكروتكنولوجية مع التقنيات الحيوية والمواد التخفي والمواد التفاعلية وأنظمة توليد الطاقة وتخزينها.
المواد الفوقية والتكنولوجيات النانوية ، مثل الجرافين والأنابيب النانوية الكربونية ، تخضع حاليًا لتطور سريع. في هذه التقنيات الجديدة ، يبحث الجيش عن فرص جديدة ، ويستكشف تطبيقاتها والحواجز المحتملة ، حيث يضطرون إلى تحقيق التوازن بين احتياجات ساحة المعركة الحديثة وأهداف البحث طويلة المدى.
المستقبل قادم إلينا. جهاز فيلوكس من شركة Pliant Energy Systems
بحسب المواقع:
www.nationaldefensemagazine.org
www.metamaterial.com
metamaterialcenter.com
science.howstuffworks.com
www.kymetacorp.com
www.pliantenergy.com
www.darpa.mil
voxtel-inc.com
www.eda.europa.eu
www.facebook.com
www.habr.com
www.wikipedia.org
ru.wikipedia.org
pinterest.com
eandt.theiet.org
معلومات