La possibilità di creare un materiale con un angolo di rifrazione negativo è stata prevista nel 1967 dal fisico sovietico Viktor Veselago, ma solo ora compaiono i primi campioni di strutture reali con tali proprietà. A causa dell'angolo di rifrazione negativo, i raggi di luce si piegano attorno all'oggetto, rendendolo invisibile. Pertanto, l'osservatore nota solo ciò che sta accadendo dietro la schiena della persona che indossa il mantello "meraviglioso".
Per ottenere un vantaggio sul campo di battaglia, le moderne forze militari si stanno rivolgendo a capacità potenzialmente dirompenti come armature avanzate e armature per veicoli e nanotecnologia. camuffamento innovativo, nuovi dispositivi elettrici, superaccumulatori e protezione "intelligente" o reattiva di piattaforme e personale. I sistemi militari stanno diventando più complessi, vengono sviluppati e prodotti nuovi materiali avanzati multifunzionali e a duplice uso e la miniaturizzazione dell'elettronica flessibile e resistente sta avvenendo a passi da gigante.
Gli esempi includono promettenti materiali autorigeneranti, materiali compositi avanzati, ceramiche funzionali, materiali elettrocromici, materiali "cyber-schermatura" che reagiscono alle interferenze elettromagnetiche. Si prevede che diventeranno la spina dorsale di tecnologie dirompenti che cambieranno irrevocabilmente il campo di battaglia e la natura delle future ostilità.
I materiali avanzati di nuova generazione, come metamateriali, grafene e nanotubi di carbonio, stanno generando grande interesse e investimento perché hanno proprietà e funzionalità che non si trovano in natura e sono adatti per applicazioni e compiti di difesa eseguiti in spazi estremi o ostili. La nanotecnologia utilizza materiali su scala nanometrica (10-9) per poter modificare strutture a livello atomico e molecolare e creare vari tessuti, dispositivi o sistemi. Questi materiali sono un'area molto promettente e in futuro possono avere un serio impatto sull'efficacia del combattimento.
Metamateriali
Prima di continuare, definiamo i metamateriali. Il metamateriale è un materiale composito, le cui proprietà sono determinate non tanto dalle proprietà dei suoi elementi costitutivi quanto da una struttura periodica creata artificialmente. Sono mezzi formati artificialmente e appositamente strutturati con proprietà elettromagnetiche o acustiche che sono tecnologicamente difficili da ottenere o che non si trovano in natura.
Kymeta Corporation, una sussidiaria di Intellectual Ventures, è entrata nel mercato della difesa nel 2016 con l'antenna metamateriale mTenna. Secondo il direttore dell'azienda Nathan Kundz, un'antenna portatile a forma di antenna ricetrasmittente pesa circa 18 kg e consuma 10 watt. L'attrezzatura per antenne in metamateriale ha le dimensioni di un libro o di un netbook, non ha parti mobili ed è prodotta allo stesso modo dei monitor LCD o degli schermi degli smartphone utilizzando la tecnologia TFT.
I metamateriali sono composti da microstrutture a lunghezza d'onda inferiore, cioè strutture le cui dimensioni sono inferiori alla lunghezza d'onda della radiazione che devono controllare. Queste strutture possono essere realizzate con materiali non magnetici come il rame e incise su un substrato PCB in fibra di vetro.
I metamateriali possono essere creati per interagire con i principali componenti delle onde elettromagnetiche - costante dielettrica e permeabilità magnetica. Secondo Pablos Holman, un inventore di Intellectual Ventures, le antenne create utilizzando la tecnologia dei metamateriali potrebbero alla fine soppiantare le torri cellulari, le linee telefoniche fisse e i cavi coassiali e in fibra ottica.
Le antenne tradizionali sono sintonizzate per intercettare l'energia controllata di una specifica lunghezza d'onda, che eccita gli elettroni nell'antenna per generare correnti elettriche. A loro volta, questi segnali codificati possono essere interpretati come informazioni.
I moderni sistemi di antenna sono ingombranti perché frequenze diverse richiedono un diverso tipo di antenna. Nel caso di antenne realizzate in metamateriali, lo strato superficiale consente di modificare la direzione di flessione delle onde elettromagnetiche. I metamateriali mostrano permeabilità sia dielettriche che magnetiche negative e quindi hanno un indice di rifrazione negativo. Questo indice di rifrazione negativo, non riscontrabile in nessun materiale naturale, determina la variazione delle onde elettromagnetiche quando si attraversa il confine di due mezzi diversi. Pertanto, il ricevitore di un'antenna in metamateriale può essere sintonizzato elettronicamente per ricevere frequenze diverse, il che consente agli sviluppatori di ottenere la banda larga e ridurre le dimensioni degli elementi dell'antenna.
I metamateriali all'interno di tali antenne sono assemblati in una matrice piatta di singole celle densamente imballate (molto simile al posizionamento dei pixel su uno schermo TV) con un'altra matrice piatta di guide d'onda rettangolari parallele, nonché un modulo che controlla l'emissione dell'onda tramite software e consente all'antenna di determinare la direzione della radiazione.
Holman ha spiegato che il modo più semplice per comprendere i vantaggi delle antenne in metamateriale è esaminare più da vicino le aperture fisiche dell'antenna e l'affidabilità delle connessioni Internet su navi, aeroplani, droni e altri sistemi in movimento.
“Ogni nuovo satellite per comunicazioni lanciato in orbita in questi giorni”, ha continuato Holman, “ha più capacità di quanto la costellazione di satelliti avesse solo pochi anni fa. Abbiamo un enorme potenziale per la comunicazione wireless in queste reti satellitari, ma l'unico modo per comunicare con loro è prendere un'antenna parabolica, che è grande, pesante e costosa da installare e mantenere. Con un'antenna basata su metamateriali possiamo realizzare uno schermo piatto in grado di dirigere il raggio e puntare direttamente sul satellite.
"Il cinquanta percento delle volte l'antenna orientabile fisicamente non è orientata al satellite e tu sei effettivamente offline", ha detto Holman. "Pertanto, un'antenna in metamateriale può essere particolarmente utile in un contesto marittimo, perché la parabola è controllata fisicamente per dirigerla verso il satellite, poiché la nave cambia spesso rotta e ondeggia costantemente sulle onde".
bionica
Lo sviluppo di nuovi materiali si sta muovendo anche verso la realizzazione di sistemi multifunzionali flessibili e dalle forme complesse. Qui un ruolo importante è svolto dalla scienza applicata sull'applicazione dei principi di organizzazione, proprietà, funzioni e strutture della natura vivente in dispositivi e sistemi tecnici. La bionica (nella letteratura occidentale biomimetica) aiuta una persona a creare sistemi tecnici originali e processi tecnologici basati su idee trovate e prese in prestito dalla natura.
Il Centro di ricerca sulla guerra sottomarina della Marina degli Stati Uniti sta testando un apparato autonomo di ricerca delle mine (APU) che utilizza principi bionici. imitando i movimenti della vita marina. Il rasoio è lungo 3 metri e può essere trasportato da due persone. La sua elettronica coordina il lavoro di quattro ali battenti e due eliche di poppa. I movimenti di sbattimento imitano i movimenti di alcuni animali, come uccelli e tartarughe. Ciò consente all'APU di librarsi, eseguire manovre precise a basse velocità e raggiungere velocità elevate. Questa manovrabilità consente inoltre al rasoio di riposizionarsi facilmente e fluttuare attorno agli oggetti per l'imaging 3D.
La US Navy Research Agency sta finanziando lo sviluppo da parte di Pliant Energy Systems di un prototipo per il sommergibile Velox, facoltativamente autonomo, che sostituisce le eliche con un sistema di pinne multistabili, non lineari, simili a carta che generano movimenti ondulatori ripetitivi simili a rampe. Il dispositivo converte i movimenti di alette polimeriche elettroattive, ondulate e flessibili con una geometria iperbolica planare in movimento traslatorio, muovendosi liberamente sott'acqua, nelle onde della risacca, nella sabbia, sulla vegetazione marina e terrestre, su rocce scivolose o ghiaccio.
Secondo un portavoce di Pliant Energy Systems, il movimento ondulatorio in avanti impedisce l'intreccio nella fitta vegetazione, poiché non ci sono parti rotanti, riducendo al minimo i danni alle piante e ai sedimenti. L'imbarcazione a basso rumore, alimentata da una batteria agli ioni di litio, può migliorare la sua galleggiabilità per mantenere la sua posizione sotto il ghiaccio, mentre può essere controllata a distanza. I suoi compiti principali sono: comunicazione, inclusi GPS, WiFi, canali radio o satellitari; intelligence e raccolta di informazioni; cerca e salva; e scansione e identificazione di min.
Lo sviluppo delle nanotecnologie e delle microstrutture è molto importante anche nelle tecnologie bioniche, la cui ispirazione è presa dalla natura per simulare processi fisici o ottimizzare la produzione di nuovi materiali.
L'US Navy Research Laboratory sta sviluppando uno scudo polimerico trasparente che ha una microstruttura a strati simile al guscio chitinoso dei crostacei, ma realizzato con materiali plastici. Ciò consente al materiale di rimanere conforme in un'ampia gamma di temperature e carichi, il che consente di utilizzarlo per proteggere il personale, le piattaforme fisse, i veicoli e gli aerei.
Secondo Yas Sanghera, responsabile dei materiali e dispositivi ottici in questo laboratorio, la protezione disponibile sul mercato è solitamente composta da tre tipi di plastica e non può resistere al cento per cento a un proiettile da 9 mm sparato da 1-2 metri e che vola dalla velocità 335 m/s.
L'armatura trasparente sviluppata da questo laboratorio consente una riduzione del 40% della massa mantenendo l'integrità balistica e assorbe il 68% in più di energia del proiettile. Sanghera ha spiegato che l'armatura potrebbe essere perfetta per diverse applicazioni militari, come veicoli protetti da mine, veicoli corazzati anfibi, veicoli di rifornimento e finestre della cabina di pilotaggio degli aerei.
Secondo Sanghera, il suo laboratorio intende, sulla base degli sviluppi esistenti, creare un'armatura trasparente conforme leggera con caratteristiche multi-impatto e ottenere una riduzione di peso di oltre il 20%, che fornirà protezione contro proiettili di fucile di calibro 7, 62x39 mm.
DARPA sta anche sviluppando un'armatura di spinello trasparente con proprietà uniche. Questo materiale ha eccellenti caratteristiche multi-impatto, elevata durezza e resistenza all'erosione, maggiore resistenza a fattori esterni; trasmette una radiazione infrarossa a onde medie più ampia, che aumenta le capacità dei dispositivi di visione notturna (la capacità di vedere gli oggetti dietro le superfici di vetro) e pesa anche la metà del peso del tradizionale vetro antiproiettile.
Questa attività fa parte del programma Atoms to Product (A2P) di DARPA, che "sviluppa le tecnologie e i processi necessari per assemblare particelle su scala nanometrica (vicine alle dimensioni atomiche) in sistemi, componenti o materiali almeno su scala millimetrica".
Negli ultimi otto anni, l'Agenzia ha ottenuto una riduzione dello spessore dell'armatura trasparente di base da circa 18 cm a 6 cm, pur mantenendo le sue caratteristiche di resistenza, secondo il capo del programma A2P della DARPA, John Maine. Consiste di molti strati diversi, "non tutti in ceramica e non tutti in plastica o vetro", che vengono fatti aderire al materiale di supporto per evitare rotture. "Dovresti pensarlo come un sistema di difesa, non come un pezzo di materiale monolitico".
Il vetro Spinel è stato prodotto per l'installazione sui prototipi dei camion FMTV (Family of Medium Tactical Vehicles) dell'esercito americano per la valutazione da parte dell'Armored Research Center.
Nell'ambito del programma A2P, la DARPA ha assegnato a Voxtel, un istituto dell'Oregon per i nanomateriali e la microelettronica, un contratto da 5,59 milioni di dollari per la ricerca sui processi di produzione che vanno dal nano al macro. Questo progetto bionico prevede lo sviluppo di un adesivo sintetico che imita le capacità della lucertola geco.
“Sulle piante del geco ci sono qualcosa come piccoli peli… lunghi circa 100 micron, che si ramificano violentemente. Alla fine di ogni piccolo ramo c'è una minuscola nanopiastra di circa 10 nanometri. A contatto con una parete o un soffitto, queste piastre consentono al geco di aderire alla parete o al soffitto.
Il Maine ha affermato che i produttori non potrebbero mai replicare queste capacità perché non potrebbero creare nanostrutture ramificate.
“Voxtel sviluppa tecnologie di produzione che replicano questa struttura biologica e catturano queste qualità biologiche. Usa i nanotubi di carbonio in un modo davvero nuovo, ti permette di creare strutture 3D complesse e usarle in modi molto originali, non necessariamente come strutture, ma in altri modi più fantasiosi."
Voxtel vuole sviluppare tecniche avanzate di produzione additiva che producano "materiali che sono essi stessi assemblati in blocchi funzionalmente completi, quindi assemblati in sistemi eterogenei complessi". Tali tecniche si baseranno sulla simulazione di semplici codici genetici e di reazioni chimiche generali presenti in natura, che consentono alle molecole di autoassemblarsi dal livello atomico in grandi strutture in grado di rifornirsi di energia.
“Vogliamo sviluppare un adesivo riutilizzabile avanzato. Vorremmo ottenere un materiale con le proprietà di un adesivo epossidico, ma senza la sua disponibilità e contaminazione superficiale, - ha affermato Main. "La bellezza di un materiale in stile geco è che non lascia residui e funziona all'istante".
Altri materiali avanzati in rapida evoluzione includono materiali ultrasottili come grafene e nanotubi di carbonio, che hanno proprietà strutturali, termiche, elettriche e ottiche che rivoluzioneranno lo spazio di combattimento di oggi.
Grafene
Mentre i nanotubi di carbonio hanno un buon potenziale per applicazioni nei sistemi elettronici e di mimetizzazione, oltre che in campo biomedico, il grafene è "più interessante perché offre, almeno sulla carta, più possibilità", ha affermato Giuseppe Dakvino, portavoce dell'European Defence Agenzia (EOA).
Il grafene è un nanomateriale ultrasottile formato da uno strato di atomi di carbonio dello spessore di un atomo. Il grafene leggero e resistente ha un'elevata conduttività termica ed elettrica. L'industria della difesa sta studiando attentamente la possibilità di utilizzare il grafene in applicazioni che richiedono la sua forza, flessibilità e resistenza alle alte temperature, ad esempio nelle missioni di combattimento eseguite in condizioni estreme.
Dakvino ha affermato che il grafene “è, almeno in teoria, il materiale del futuro. Il motivo per cui c'è un dibattito così interessante ora è perché dopo tanti anni di ricerca nel settore civile, è diventato chiaro che cambierà effettivamente gli scenari di combattimento.”
“Per elencare solo alcune delle possibilità: elettronica flessibile, sistemi di alimentazione, protezione balistica, mimetizzazione, filtri/membrane, materiali ad alta dissipazione del calore, applicazioni e sensori biomedicali. Queste sono, infatti, le principali direzioni tecnologiche”.
Nel dicembre 2017, l'EAO ha iniziato uno studio di un anno sulle possibili applicazioni militari promettenti del grafene e sul suo impatto sull'industria della difesa europea. Questo lavoro era guidato dalla Fondazione spagnola per la ricerca tecnica e l'innovazione, con la quale l'Università di Cartagena e la società britannica Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. A maggio 2018 si è tenuto un seminario di ricercatori ed esperti sul grafene, in cui è stata definita una tabella di marcia per il suo utilizzo nel settore della difesa.
Secondo l'EOA, "Tra i materiali che hanno il potenziale per rivoluzionare le capacità di difesa nel prossimo decennio, il grafene è in cima alla lista. Leggero, flessibile, 200 volte più resistente dell'acciaio e la sua conduttività elettrica è incredibile (migliore del silicio), così come la sua conduttività termica".
L'EOA ha anche osservato che il grafene ha proprietà notevoli nell'area della "gestione delle firme". Cioè, può essere usato per produrre "rivestimenti radioassorbenti, che trasformeranno veicoli militari, aerei, sottomarini e navi di superficie in oggetti quasi non rilevabili". Tutto ciò rende il grafene un materiale estremamente appetibile non solo per l'industria civile, ma anche per applicazioni militari, terrestri, aeree e marittime”.
A tal fine, le forze armate statunitensi stanno studiando l'uso del grafene per veicoli e indumenti protettivi. Secondo l'ingegnere Emil Sandoz-Rosado dell'US Army Military Research Laboratory (ARL), questo materiale ha eccellenti proprietà meccaniche, uno strato atomico di grafene è 10 volte più rigido e più di 30 volte più forte dello stesso strato di fibra balistica commerciale. “Il soffitto per il grafene è molto alto. Questo è uno dei motivi per cui diversi gruppi di lavoro in ARL hanno mostrato interesse per esso, perché le sue caratteristiche progettuali sono molto promettenti in termini di prenotazione.
Tuttavia, ci sono anche difficoltà abbastanza grandi. Uno di questi è ridimensionare il materiale; l'esercito ha bisogno di materiali protettivi che possano coprire carri armati, veicoli e soldati. “Abbiamo bisogno di molto di più. In generale, stiamo parlando di un milione o più di strati di cui abbiamo bisogno in questo momento”.
Sandoz-Rosado ha affermato che il grafene può essere prodotto in uno o due modi, sia attraverso un processo di pelatura in cui la grafite di alta qualità viene separata in strati atomici separati, sia facendo crescere un singolo strato atomico di grafene su un foglio di rame. Questo processo è ben consolidato dai laboratori che producono grafene di alta qualità. “Non è del tutto perfetto, ma ci si avvicina abbastanza. Oggi però è tempo di parlare di più di uno strato atomico, serve un prodotto a tutti gli effetti”. Di conseguenza, è stato recentemente lanciato un programma per sviluppare processi continui di produzione di grafene su scala industriale.
“Che si tratti di nanotubi di carbonio o grafene, bisogna tenere conto dei requisiti specifici che devono essere soddisfatti”, ha ammonito Dakvino, rilevando che la descrizione formale delle caratteristiche dei nuovi materiali avanzati, la standardizzazione dei precisi processi per la creazione di nuovi materiali, la riproducibilità di questi processi, la producibilità dell'intera filiera (dalla ricerca di base alla produzione di dimostrazioni e prototipi) necessitano di un attento studio e giustificazione quando si tratta dell'uso di materiali innovativi come il grafene e i nanotubi di carbonio nelle piattaforme militari.
“Questa non è solo ricerca, perché dopo tutto, devi essere sicuro che un determinato materiale sia ufficialmente descritto e quindi devi essere sicuro che possa essere prodotto in un determinato processo. Non è così facile, perché il processo di fabbricazione può cambiare, la qualità del prodotto realizzato può variare a seconda del processo, quindi il processo deve essere ripetuto più volte.
Secondo Sandoz-Rosado, ARL ha lavorato con i produttori di grafene per valutare la classe di qualità del prodotto e la sua scalabilità. Sebbene non sia ancora chiaro se i processi continui, che sono all'inizio della loro formazione, abbiano un modello di business, una capacità adeguata e se possano fornire la qualità richiesta.
Dakvino ha osservato che i progressi nella modellazione informatica e nell'informatica quantistica potrebbero accelerare la ricerca e lo sviluppo, nonché lo sviluppo di metodi per la produzione di materiali avanzati nel prossimo futuro. “Con la progettazione assistita da computer e la modellazione dei materiali, è possibile modellare molte cose: è possibile modellare le caratteristiche dei materiali e persino i processi di produzione. Puoi persino creare la realtà virtuale, dove puoi fondamentalmente guardare le diverse fasi della creazione di un materiale."
Dakwino ha anche affermato che la modellazione computerizzata avanzata e le tecniche di realtà virtuale forniscono un vantaggio creando "un sistema integrato in cui è possibile simulare un particolare materiale e vedere se quel materiale può essere applicato in un particolare ambiente". L'informatica quantistica potrebbe cambiare radicalmente lo stato delle cose qui.
"In futuro, vedo ancora più interesse per nuovi modi di produzione, nuovi modi di creare nuovi materiali e nuovi processi di produzione attraverso la simulazione al computer, dal momento che un'enorme potenza di calcolo può essere ottenuta solo utilizzando computer quantistici".
Secondo Dakwino, alcune applicazioni del grafene sono tecnologicamente più avanzate, mentre altre sono meno. Ad esempio, i compositi ceramici basati su matrice possono essere migliorati integrando lastre di grafene che rinforzano il materiale e ne aumentano la resistenza meccanica riducendone il peso. “Se parliamo, ad esempio, di compositi”, ha continuato Dakvino, “o, in termini più generali, di materiali rinforzati con l'aggiunta di grafene, allora otterremo materiali reali e processi reali della loro produzione di massa, se non domani, ma forse nei prossimi cinque anni.
“Ecco perché il grafene è così interessante per i sistemi di protezione balistica. Non perché il grafene possa essere usato come armatura. Ma se usi il grafene nella tua armatura come materiale di rinforzo, allora può diventare più forte persino del Kevlar.
Aree prioritarie, ad esempio, sistemi e sensori autonomi, nonché aree militari ad alto rischio, come subacquee, spaziali e cibernetiche, dipendono soprattutto da nuovi materiali avanzati e dall'interfaccia della nano e microtecnologia con la biotecnologia, "stealth" materiali, materiali reattivi e sistemi di generazione e stoccaggio di energia.
I metamateriali e le nanotecnologie come il grafene e i nanotubi di carbonio sono oggi in rapido sviluppo. In queste nuove tecnologie, i militari sono alla ricerca di nuove opportunità, esplorando le loro applicazioni e potenziali barriere, poiché sono costretti a bilanciare le esigenze del moderno campo di battaglia e gli obiettivi della ricerca a lungo termine.
