La posibilidad de crear un material con un ángulo de refracción negativo fue predicha en 1967 por el físico soviético Viktor Veselago, pero solo ahora aparecen las primeras muestras de estructuras reales con tales propiedades. Debido al ángulo de refracción negativo, los rayos de luz se doblan alrededor del objeto, haciéndolo invisible. Por lo tanto, el observador solo nota lo que está sucediendo detrás de la espalda de la persona que lleva la capa "maravillosa".
Para obtener una ventaja en el campo de batalla, las fuerzas militares modernas están recurriendo a capacidades potencialmente disruptivas, como armaduras corporales avanzadas y armaduras para vehículos, y nanotecnología. camuflaje innovador, nuevos dispositivos eléctricos, superacumuladores y protección "inteligente" o reactiva de plataformas y personal. Los sistemas militares son cada vez más complejos, se están desarrollando y fabricando nuevos materiales avanzados multifuncionales y de doble uso, y la miniaturización de la electrónica flexible y de alta resistencia se está produciendo a pasos agigantados.
Los ejemplos incluyen materiales de autocuración prometedores, materiales compuestos avanzados, cerámicas funcionales, materiales electrocrómicos, materiales de "protección cibernética" que reaccionan a la interferencia electromagnética. Se espera que se conviertan en la columna vertebral de tecnologías disruptivas que cambiarán irrevocablemente el campo de batalla y la naturaleza de las hostilidades futuras.
Los materiales avanzados de última generación, como metamateriales, grafeno y nanotubos de carbono, están generando un gran interés e inversión porque tienen propiedades y funcionalidades que no se encuentran en la naturaleza y son aptos para aplicaciones de defensa y tareas realizadas en espacios extremos u hostiles. La nanotecnología utiliza materiales a escala nanométrica (10-9) para poder modificar estructuras a nivel atómico y molecular y crear diversos tejidos, dispositivos o sistemas. Estos materiales son un área muy prometedora y en el futuro pueden tener un impacto serio en la efectividad del combate.
Metamateriales
Antes de continuar, definamos metamateriales. El metamaterial es un material compuesto, cuyas propiedades están determinadas no tanto por las propiedades de sus elementos constituyentes como por una estructura periódica creada artificialmente. Son medios formados artificialmente y estructurados especialmente con propiedades electromagnéticas o acústicas que son tecnológicamente difíciles de lograr o que no se encuentran en la naturaleza.
Kymeta Corporation, una subsidiaria de Intellectual Ventures, ingresó al mercado de defensa en 2016 con la antena de metamaterial mTenna. Según el director de la empresa Nathan Kundz, una antena portátil en forma de antena transceptora pesa unos 18 kg y consume 10 vatios. El equipo para antenas de metamateriales tiene aproximadamente el tamaño de un libro o netbook, no tiene partes móviles y se fabrica de la misma manera que los monitores LCD o las pantallas de teléfonos inteligentes con tecnología TFT.
Los metamateriales están compuestos por microestructuras de sublongitud de onda, es decir, estructuras cuyas dimensiones son menores que la longitud de onda de la radiación que deben controlar. Estas estructuras se pueden fabricar con materiales no magnéticos como el cobre y se pueden grabar sobre un sustrato de PCB de fibra de vidrio.
Se pueden crear metamateriales para interactuar con los componentes principales de las ondas electromagnéticas: constante dieléctrica y permeabilidad magnética. Según Pablos Holman, un inventor de Intellectual Ventures, las antenas creadas con tecnología de metamateriales podrían eventualmente suplantar a las torres de telefonía celular, líneas telefónicas fijas y cables coaxiales y de fibra óptica.
Las antenas tradicionales están sintonizadas para interceptar energía controlada de una longitud de onda específica, que excita electrones en la antena para generar corrientes eléctricas. A su vez, estas señales codificadas se pueden interpretar como información.
Los sistemas de antenas modernos son engorrosos porque las diferentes frecuencias requieren un tipo de antena diferente. En el caso de las antenas hechas de metamateriales, la capa superficial le permite cambiar la dirección de curvatura de las ondas electromagnéticas. Los metamateriales muestran permeabilidades tanto dieléctricas negativas como magnéticas negativas y, por lo tanto, tienen un índice de refracción negativo. Este índice de refracción negativo, que no se encuentra en ningún material natural, determina el cambio en las ondas electromagnéticas al cruzar la frontera de dos medios diferentes. Así, el receptor de una antena de metamaterial se puede sintonizar electrónicamente para recibir diferentes frecuencias, lo que hace posible que los desarrolladores logren banda ancha y reduzcan el tamaño de los elementos de la antena.
Los metamateriales dentro de dichas antenas se ensamblan en una matriz plana de celdas individuales densamente empaquetadas (muy similar a la colocación de píxeles en una pantalla de TV) con otra matriz plana de guías de ondas rectangulares paralelas, así como un módulo que controla la emisión de ondas a través del software. y permite que la antena determine la dirección de la radiación.
Holman explicó que la forma más fácil de comprender los méritos de las antenas de metamaterial es observar más de cerca las aberturas físicas de la antena y la confiabilidad de las conexiones a Internet en barcos, aviones, drones y otros sistemas en movimiento.
“Cada nuevo satélite de comunicaciones puesto en órbita en estos días”, continuó Holman, “tiene más capacidad que la constelación de satélites que tenía hace unos pocos años. Tenemos un gran potencial para la comunicación inalámbrica en estas redes satelitales, pero la única forma de comunicarnos con ellas es tomar una antena parabólica, que es grande, pesada y costosa de instalar y mantener. Con una antena basada en metamateriales, podemos hacer un panel plano que puede dirigir el haz y apuntar directamente al satélite.
“El cincuenta por ciento de las veces, la antena orientable físicamente no está orientada por satélite y usted está efectivamente fuera de línea”, dijo Holman. "Por lo tanto, una antena de metamaterial puede ser especialmente útil en un contexto marítimo, porque la antena parabólica se controla físicamente para dirigirla al satélite, ya que el barco a menudo cambia de rumbo y se balancea constantemente sobre las olas".
Biónica
El desarrollo de nuevos materiales también avanza hacia la creación de sistemas multifuncionales flexibles con formas complejas. Aquí la ciencia aplicada juega un papel importante en la aplicación de principios de organización, propiedades, funciones y estructuras de la naturaleza viva en dispositivos y sistemas técnicos. La biónica (en la biomimética de la literatura occidental) ayuda a una persona a crear sistemas técnicos y procesos tecnológicos originales basados en ideas encontradas y tomadas de la naturaleza.
El Centro de Investigación de Guerra Submarina de la Marina de los EE. UU. Está probando un aparato autónomo de búsqueda de minas (APU) que utiliza principios biónicos. imitando los movimientos de la vida marina. La navaja tiene 3 metros de largo y puede ser transportada por dos personas. Su electrónica coordina el trabajo de cuatro alas batientes y dos hélices de popa. Los movimientos de aleteo imitan los movimientos de algunos animales, como pájaros y tortugas. Esto permite que la APU flote, realice maniobras precisas a bajas velocidades y alcance altas velocidades. Esta maniobrabilidad también permite que Razor se reposicione fácilmente y flote alrededor de los objetos para obtener imágenes en 3D.
La Agencia de Investigación de la Marina de los EE. UU. Está financiando el desarrollo de Pliant Energy Systems de un prototipo para el sumergible Velox opcionalmente autónomo, que reemplaza las hélices con un sistema de aletas multiestables, no lineales, similares al papel que generan movimientos ondulantes repetitivos en forma de rampa. El dispositivo convierte los movimientos de aletas de polímero flexibles, onduladas y electroactivas con una geometría hiperbólica plana en movimiento de traslación, moviéndose libremente bajo el agua, en las olas del oleaje, en la arena, sobre el mar y la vegetación terrestre, sobre rocas resbaladizas o hielo.
Según un portavoz de Pliant Energy Systems, el movimiento ondulante hacia adelante evita que se enrede en la vegetación densa, ya que no hay partes giratorias, al tiempo que minimiza el daño a las plantas y los sedimentos. La nave de bajo ruido, alimentada por una batería de iones de litio, puede mejorar su flotabilidad para mantener su posición bajo el hielo, mientras que se puede controlar de forma remota. Sus principales tareas son: comunicación, incluidos canales GPS, WiFi, radio o satélite; recopilación de inteligencia e información; búsqueda y rescate; y escaneo e identificación de min.
El desarrollo de la nanotecnología y las microestructuras también es muy importante en las tecnologías biónicas, cuya inspiración se toma de la naturaleza para simular procesos físicos u optimizar la producción de nuevos materiales.
El Laboratorio de Investigación de la Marina de los EE. UU. Está desarrollando un escudo de polímero transparente que tiene una microestructura en capas similar a la capa quitinosa de los crustáceos, pero hecha de materiales plásticos. Esto permite que el material permanezca conforme en una amplia gama de temperaturas y cargas, lo que permite que se utilice para proteger al personal, plataformas estacionarias, vehículos y aeronaves.
Según Yas Sanghera, responsable de materiales y dispositivos ópticos de este laboratorio, la protección disponible en el mercado suele estar hecha de tres tipos de plástico y no puede soportar al cien por cien una bala de 9 mm disparada desde 1-2 metros y volando a gran velocidad. 335 m / s.
La armadura transparente desarrollada por este laboratorio permite una reducción del 40% en la masa mientras mantiene la integridad balística y absorbe un 68% más de energía de bala. Sanghera explicó que la armadura podría ser perfecta para varias aplicaciones militares, como vehículos protegidos contra minas, vehículos blindados anfibios, vehículos de suministro y ventanas de cabina de aviones.
Según Sanghera, su laboratorio pretende, en base a desarrollos existentes, crear una armadura transparente conformal ligera con características de impacto múltiple y lograr una reducción de peso de más del 20%, que brindará protección contra balas de rifle de calibre 7, 62x39 mm.
DARPA también está desarrollando una armadura de espinela transparente con propiedades únicas. Este material tiene excelentes características de impacto múltiple, alta dureza y resistencia a la erosión, mayor resistencia a factores externos; transmite una radiación infrarroja de onda media más amplia, lo que aumenta las capacidades de los dispositivos de visión nocturna (la capacidad de ver objetos detrás de las superficies de vidrio) y también pesa la mitad del peso del vidrio antibalas tradicional.
Esta actividad es parte del programa Atoms to Product (A2P) de DARPA, que "desarrolla las tecnologías y procesos necesarios para ensamblar partículas a nanoescala (cercanas a tamaños atómicos) en sistemas, componentes o materiales al menos en una escala milimétrica".
En los últimos ocho años, la Agencia ha logrado una reducción en el grosor de la armadura transparente base de aproximadamente 18 cm a 6 cm, manteniendo sus características de resistencia, según el jefe del programa A2P en DARPA, John Maine. Consiste en muchas capas diferentes, “no todas de cerámica y no todas de plástico o vidrio”, que se adhieren al material de soporte para evitar el agrietamiento. "Debería pensar en él como un sistema de defensa, no como una pieza monolítica de material".
El vidrio de espinela se fabricó para su instalación en prototipos de camiones FMTV (Familia de vehículos tácticos medianos) del ejército estadounidense para su evaluación por parte del Centro de investigación blindado.
Bajo el programa A2P, DARPA otorgó a Voxtel, un Instituto de Nanomateriales y Microelectrónica de Oregon, un contrato de $ 5.59 millones para investigar procesos de fabricación que escalan de nano a macro. Este proyecto biónico implica el desarrollo de un adhesivo sintético que imita las capacidades del lagarto gecko.
“En las plantas del gecko, hay algo así como pequeños pelos … de unos 100 micrones de largo, que se ramifican violentamente. Al final de cada pequeña rama hay una pequeña nanoplaca de unos 10 nanómetros de tamaño. Cuando están en contacto con una pared o techo, estas placas permiten que el gecko se adhiera a la pared o al techo.
Maine dijo que los fabricantes nunca podrían replicar estas capacidades porque no podían crear nanoestructuras ramificadas.
“Voxtel desarrolla tecnologías de producción que replican esta estructura biológica y capturan estas cualidades biológicas. Utiliza nanotubos de carbono de una forma realmente nueva, te permite crear estructuras 3D complejas y utilizarlas de formas muy originales, no necesariamente como estructuras, sino de otras formas más inventivas.
Voxtel quiere desarrollar técnicas avanzadas de fabricación aditiva que producirán "materiales que se ensamblan ellos mismos en bloques funcionalmente completos y luego se ensamblan en sistemas heterogéneos complejos". Estas técnicas se basarán en la simulación de códigos genéticos simples y reacciones químicas generales que se encuentran en la naturaleza, que permiten que las moléculas se autoensamblen desde el nivel atómico en grandes estructuras capaces de autoabastecerse de energía.
“Queremos desarrollar un adhesivo reutilizable avanzado. Nos gustaría obtener un material con las propiedades de un adhesivo epoxi, pero sin su desechabilidad y contaminación de la superficie, dijo Main. "La belleza de un material estilo gecko es que no deja residuos y funciona al instante".
Otros materiales avanzados que avanzan rápidamente incluyen materiales ultrafinos como el grafeno y los nanotubos de carbono, que tienen propiedades estructurales, térmicas, eléctricas y ópticas que revolucionarán el espacio de combate actual.
Grafeno
Si bien los nanotubos de carbono tienen un buen potencial para aplicaciones en sistemas electrónicos y de camuflaje, así como en el campo biomédico, el grafeno es "más interesante porque ofrece, al menos en el papel, más posibilidades", dijo Giuseppe Dakvino, portavoz de la Defensa Europea. Agencia (EOA).
El grafeno es un nanomaterial ultrafino formado por una capa de átomos de carbono de un átomo de espesor. El grafeno ligero y duradero tiene una conductividad térmica y eléctrica récord. La industria de la defensa está estudiando detenidamente la posibilidad de utilizar el grafeno en aplicaciones que requieran su fuerza, flexibilidad y resistencia a las altas temperaturas, por ejemplo, en misiones de combate realizadas en condiciones extremas.
Dakvino dijo que el grafeno “es, al menos en teoría, el material del futuro. La razón por la que hay un debate tan interesante ahora es porque después de tantos años de investigación en el sector civil, ha quedado claro que realmente cambiará los escenarios de combate.
“Para enumerar solo algunas de las posibilidades: electrónica flexible, sistemas de energía, protección balística, camuflaje, filtros / membranas, materiales de alta disipación de calor, aplicaciones biomédicas y sensores. Estas son, de hecho, las principales direcciones tecnológicas.
En diciembre de 2017, la EAO comenzó un estudio de un año de posibles aplicaciones militares prometedoras del grafeno y su impacto en la industria de defensa europea. Este trabajo estuvo encabezado por la Fundación Española para la Investigación e Innovación Técnica, con la que la Universidad de Cartagena y la empresa británica Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. En mayo de 2018 se realizó un seminario de investigadores y expertos en grafeno, donde se determinó una hoja de ruta para su uso en el sector de defensa.
Según la EOA, “Entre los materiales que tienen el potencial de revolucionar las capacidades de defensa en la próxima década, el grafeno ocupa un lugar destacado en la lista. Ligero, flexible, 200 veces más resistente que el acero, y su conductividad eléctrica es increíble (mejor que el silicio), al igual que su conductividad térmica.
La EOA también señaló que el grafeno tiene propiedades notables en el área de "gestión de firmas". Es decir, se puede utilizar para producir "revestimientos absorbentes de radio, que convertirán vehículos militares, aviones, submarinos y barcos de superficie en objetos casi indetectables". Todo esto hace que el grafeno sea un material extremadamente atractivo no solo para la industria civil, sino también para aplicaciones militares, terrestres, aéreas y marítimas”.
Con este fin, el ejército estadounidense está estudiando el uso de grafeno para vehículos y ropa protectora. Según el ingeniero Emil Sandoz-Rosado del Laboratorio de Investigación Militar del Ejército de EE. UU. (ARL), este material tiene excelentes propiedades mecánicas, una capa atómica de grafeno es 10 veces más rígida y más de 30 veces más fuerte que la misma capa de fibra balística comercial. “El techo para el grafeno es muy alto. Ésta es una de las razones por las que varios grupos de trabajo de ARL se han interesado por él, pues sus características de diseño son muy prometedoras en cuanto a reserva.
Sin embargo, también existen grandes dificultades. Uno de ellos es escalar el material; el ejército necesita materiales de protección que puedan cubrir tanques, vehículos y soldados. “Necesitamos mucho más. En general, estamos hablando de un millón o más de estratos que necesitamos en este momento”.
Sandoz-Rosado dijo que el grafeno se puede producir de una o dos formas, ya sea a través de un proceso de pelado en el que el grafito de alta calidad se separa en capas atómicas separadas o haciendo crecer una sola capa atómica de grafeno en una lámina de cobre. Este proceso está bien establecido por los laboratorios que producen grafeno de alta calidad. “No es del todo perfecto, pero se acerca bastante. Sin embargo, hoy es el momento de hablar de más de una capa atómica, necesitamos un producto completo”. Como consecuencia, recientemente se ha lanzado un programa para desarrollar procesos continuos de producción de grafeno a escala industrial.
“Ya se trate de nanotubos de carbono o grafeno, hay que tener en cuenta los requisitos específicos que deben cumplirse”, advirtió Dakvino, señalando que la descripción formal de las características de los nuevos materiales avanzados, la estandarización de los procesos precisos para la creación de nuevos materiales, La reproducibilidad de estos procesos, la capacidad de fabricación de toda la cadena (desde la investigación básica hasta la producción de demostraciones y prototipos) necesitan un estudio cuidadoso y una justificación cuando se trata del uso de materiales innovadores como el grafeno y los nanotubos de carbono en plataformas militares.
“Esto no es solo una investigación, porque después de todo, es necesario estar seguro de que un determinado material se describe oficialmente y luego debe estar seguro de que se puede producir en un determinado proceso. No es tan fácil, porque el proceso de fabricación puede cambiar, la calidad del producto elaborado puede variar según el proceso, por lo que el proceso debe repetirse varias veces”.
Según Sandoz-Rosado, ARL trabajó con los fabricantes de grafeno para evaluar la clase de calidad del producto y su escalabilidad. Aunque aún no está claro si los procesos continuos, que se encuentran en el inicio de su formación, tienen un modelo de negocio, capacidad adecuada y si pueden brindar la calidad requerida.
Dakvino señaló que los avances en el modelado por computadora y la computación cuántica podrían acelerar la investigación y el desarrollo, así como el desarrollo de métodos para la producción de materiales avanzados en un futuro cercano. “Con el diseño asistido por computadora y el modelado de materiales, se pueden modelar muchas cosas: se pueden modelar las características del material e incluso los procesos de fabricación. Incluso puede crear realidad virtual, donde básicamente puede observar las diferentes etapas de la creación de un material.
Dakwino también dijo que el modelado informático avanzado y las técnicas de realidad virtual proporcionan una ventaja al crear "un sistema integrado en el que se puede simular un material en particular y ver si ese material se puede aplicar en un entorno en particular". La computación cuántica podría cambiar radicalmente la situación aquí.
"En el futuro, veo aún más interés en nuevas formas de fabricación, nuevas formas de crear nuevos materiales y nuevos procesos de fabricación a través de la simulación por computadora, ya que potencialmente solo se puede obtener una enorme potencia informática mediante el uso de computadoras cuánticas".
Según Dakwino, algunas aplicaciones del grafeno son tecnológicamente más avanzadas, mientras que otras son menos. Por ejemplo, los compuestos cerámicos a base de matriz se pueden mejorar integrando placas de grafeno que refuerzan el material y aumentan su resistencia mecánica al tiempo que reducen su peso. “Si hablamos, por ejemplo, de compuestos”, continuó Dakvino, “o, en los términos más generales, de materiales reforzados mediante la adición de grafeno, entonces obtendremos materiales reales y procesos reales de su producción en masa, si no mañana, pero quizás en los próximos cinco años.
“Por eso el grafeno es tan interesante para los sistemas de protección balística. No porque el grafeno pueda usarse como armadura. Pero si usa grafeno en su armadura como material de refuerzo, entonces puede volverse más fuerte incluso que el Kevlar.
Las áreas prioritarias, por ejemplo, los sistemas y sensores autónomos, así como las áreas militares de alto riesgo, como las submarinas, el espacio y la cibernética, dependen principalmente de nuevos materiales avanzados y de la interfaz de la nano y microtecnología con la biotecnología, el "sigilo". materiales, materiales reactivos y sistemas de generación y almacenamiento de energía.
Los metamateriales y la nanotecnología como el grafeno y los nanotubos de carbono están experimentando un rápido desarrollo en la actualidad. En estas nuevas tecnologías, el ejército está buscando nuevas oportunidades, explorando sus aplicaciones y barreras potenciales, ya que se ven obligados a equilibrar las necesidades del campo de batalla moderno y los objetivos de investigación a largo plazo.
