A possibilidade de criar um material com ângulo de refração negativo foi prevista em 1967 pelo físico soviético Viktor Veselago, mas só agora aparecem as primeiras amostras de estruturas reais com tais propriedades. Devido ao ângulo de refração negativo, os raios de luz se curvam em torno do objeto, tornando-o invisível. Assim, o observador percebe apenas o que está acontecendo nas costas da pessoa que veste a capa “maravilhosa”.
Para obter uma vantagem no campo de batalha, as forças militares modernas estão se voltando para capacidades potencialmente perturbadoras, como blindagem corporal avançada e blindagem para veículos, e nanotecnologia. camuflagem inovadora, novos dispositivos elétricos, superacumuladores e proteção "inteligente" ou reativa de plataformas e pessoal. Os sistemas militares estão se tornando mais complexos, novos materiais multifuncionais avançados e de uso duplo estão sendo desenvolvidos e fabricados, e a miniaturização de eletrônicos pesados e flexíveis está ocorrendo aos trancos e barrancos.
Os exemplos incluem materiais de autocura promissores, materiais compostos avançados, cerâmicas funcionais, materiais eletrocrômicos, materiais de “blindagem cibernética” que reagem à interferência eletromagnética. Espera-se que eles se tornem a espinha dorsal de tecnologias disruptivas que mudarão irrevogavelmente o campo de batalha e a natureza das hostilidades futuras.
Materiais avançados de última geração, como metamateriais, grafeno e nanotubos de carbono, estão gerando grande interesse e investimento porque possuem propriedades e funcionalidades que não são encontradas na natureza e são adequados para aplicações de defesa e tarefas realizadas em espaços extremos ou hostis. A nanotecnologia usa materiais em escala nanométrica (10-9), a fim de ser capaz de modificar estruturas nos níveis atômico e molecular e criar vários tecidos, dispositivos ou sistemas. Esses materiais são uma área muito promissora e, no futuro, podem ter um sério impacto na eficácia do combate.
Metamateriais
Antes de continuar, vamos definir metamateriais. Metamaterial é um material composto, cujas propriedades são determinadas não tanto pelas propriedades de seus elementos constituintes, mas por uma estrutura periódica criada artificialmente. Eles são meios formados artificialmente e especialmente estruturados com propriedades eletromagnéticas ou acústicas que são tecnologicamente difíceis de alcançar ou não são encontradas na natureza.
A Kymeta Corporation, subsidiária da Intellectual Ventures, entrou no mercado de defesa em 2016 com a antena de metamaterial mTenna. Segundo o diretor da empresa Nathan Kundz, uma antena portátil em forma de antena transceptora pesa cerca de 18 kg e consome 10 watts. O equipamento para antenas de metamaterial tem o tamanho aproximado de um livro ou netbook, não tem partes móveis e é fabricado da mesma forma que os monitores LCD ou telas de smartphone usando a tecnologia TFT.
Os metamateriais são compostos por microestruturas de subcomprimento de onda, ou seja, estruturas cujas dimensões são menores que o comprimento de onda da radiação que eles devem controlar. Essas estruturas podem ser feitas de materiais não magnéticos, como cobre, e gravadas em um substrato de PCB de fibra de vidro.
Metamateriais podem ser criados para interagir com os principais componentes das ondas eletromagnéticas - constante dielétrica e permeabilidade magnética. De acordo com Pablos Holman, um inventor da Intellectual Ventures, as antenas criadas com a tecnologia de metamateriais podem, eventualmente, suplantar as torres de celular, linhas de telefone fixo e cabos coaxiais e de fibra óptica.
As antenas tradicionais são ajustadas para interceptar a energia controlada de um comprimento de onda específico, que excita os elétrons na antena para gerar correntes elétricas. Por sua vez, esses sinais codificados podem ser interpretados como informações.
Os sistemas de antenas modernos são complicados porque frequências diferentes requerem um tipo diferente de antena. No caso de antenas feitas de metamateriais, a camada de superfície permite alterar a direção da curvatura das ondas eletromagnéticas. Metamateriais mostram permeabilidades dielétricas negativas e magnéticas negativas e, portanto, têm um índice de refração negativo. Este índice de refração negativo, não encontrado em nenhum material natural, determina a mudança nas ondas eletromagnéticas ao cruzar a fronteira de dois meios diferentes. Assim, o receptor de uma antena de metamaterial pode ser sintonizado eletronicamente para receber diferentes frequências, o que possibilita aos desenvolvedores obter banda larga e reduzir o tamanho dos elementos da antena.
Os metamateriais dentro de tais antenas são montados em uma matriz plana de células individuais densamente compactadas (muito semelhante à colocação de pixels em uma tela de TV) com outra matriz plana de guias de ondas retangulares paralelas, bem como um módulo que controla a emissão de ondas por meio de software e permite que a antena determine a direção da radiação.
Holman explicou que a maneira mais fácil de entender os méritos das antenas de metamaterial é examinar mais de perto as aberturas físicas da antena e a confiabilidade das conexões de Internet em navios, aviões, drones e outros sistemas móveis.
“Cada novo satélite de comunicação lançado em órbita hoje em dia”, continuou Holman, “tem mais capacidade do que a constelação de satélites tinha apenas alguns anos atrás. Temos um enorme potencial para comunicação sem fio nessas redes de satélite, mas a única maneira de nos comunicarmos com elas é levando uma antena parabólica, que é grande, pesada e cara de instalar e manter. Com uma antena baseada em metamateriais, podemos fazer um painel plano que pode direcionar o feixe e apontar diretamente para o satélite.
“Cinqüenta por cento do tempo, a antena direcionável fisicamente não é orientada por satélite e você está efetivamente offline”, disse Holman. "Portanto, uma antena de metamaterial pode ser especialmente útil em um contexto marítimo, porque a antena é controlada fisicamente para direcioná-la ao satélite, já que o navio freqüentemente muda de curso e balança constantemente nas ondas."
Biônica
O desenvolvimento de novos materiais também está caminhando para a criação de sistemas multifuncionais flexíveis com formas complexas. Aqui, um papel importante é desempenhado pela ciência aplicada na aplicação de princípios de organização, propriedades, funções e estruturas da natureza viva em dispositivos e sistemas técnicos. Biônica (na literatura ocidental, biomimética) ajuda uma pessoa a criar sistemas técnicos originais e processos tecnológicos baseados em idéias encontradas e emprestadas da natureza.
O Submarine Warfare Research Center da Marinha dos EUA está testando um aparelho autônomo de busca de minas (APU) que usa princípios biônicos. imitando os movimentos da vida marinha. A Navalha tem 3 metros de comprimento e pode ser carregada por duas pessoas. Sua eletrônica coordena o trabalho de quatro asas batendo e duas hélices traseiras. Os movimentos de bater as asas imitam os movimentos de alguns animais, como pássaros e tartarugas. Isso permite que o APU flutue, execute manobras precisas em baixas velocidades e alcance altas velocidades. Essa capacidade de manobra também permite que o Razor se reposicione facilmente e flutue em torno de objetos para imagens 3D.
A US Navy Research Agency está financiando o desenvolvimento da Pliant Energy Systems de um protótipo para o submersível Velox opcionalmente autônomo, que substitui as hélices por um sistema de aletas multiestáveis, não lineares, semelhantes a papel, que geram movimentos ondulantes repetitivos em forma de rampa. O dispositivo converte os movimentos eletroativos, ondulados, de aletas poliméricas flexíveis com uma geometria hiperbólica planar em movimento translacional, movendo-se livremente sob a água, nas ondas do surf, na areia, sobre o mar e vegetação terrestre, em pedras escorregadias ou gelo.
De acordo com um porta-voz da Pliant Energy Systems, o movimento ondulante para a frente evita o emaranhamento na vegetação densa, já que não há partes giratórias, ao mesmo tempo que minimiza os danos às plantas e aos sedimentos. A nave de baixo ruído, alimentada por uma bateria de íon de lítio, pode melhorar sua flutuabilidade para manter sua posição sob o gelo, enquanto pode ser controlada remotamente. Suas principais tarefas são: comunicação, incluindo GPS, WiFi, canais de rádio ou satélite; inteligência e coleta de informações; busca e resgate; e digitalização e identificação de min.
O desenvolvimento de nanotecnologia e microestruturas também é muito importante nas tecnologias biônicas, cuja inspiração vem da natureza para simular processos físicos ou otimizar a produção de novos materiais.
O Laboratório de Pesquisa da Marinha dos EUA está desenvolvendo um escudo de polímero transparente que tem uma microestrutura em camadas semelhante à casca quitinosa dos crustáceos, mas feita de materiais plásticos. Isso permite que o material permaneça conforme em uma ampla gama de temperaturas e cargas, o que permite que seja usado para proteger pessoas, plataformas estacionárias, veículos e aeronaves.
De acordo com Yas Sanghera, chefe de materiais e dispositivos ópticos deste laboratório, a proteção disponível no mercado geralmente é feita de três tipos de plástico e não pode suportar cem por cento uma bala de 9 mm disparada de 1-2 metros e voando em alta velocidade 335 m / s.
A armadura transparente desenvolvida por este laboratório permite uma redução de 40% na massa enquanto mantém a integridade balística e absorve 68% mais energia da bala. Sanghera explicou que a blindagem pode ser perfeita para várias aplicações militares, como veículos protegidos contra minas, veículos blindados anfíbios, veículos de abastecimento e janelas de cockpit de aeronaves.
De acordo com Sanghera, seu laboratório pretende, com base nos desenvolvimentos existentes, criar uma blindagem leve conformada transparente com características multi-impacto e atingir uma redução de peso de mais de 20%, que proporcionará proteção contra balas de rifle de calibre 7, 62x39 mm.
A DARPA também está desenvolvendo uma armadura Spinel transparente com propriedades exclusivas. Este material possui excelentes características de multi-impacto, alta dureza e resistência à erosão, maior resistência a fatores externos; ele transmite radiação infravermelha de onda média mais ampla, o que aumenta a capacidade dos dispositivos de visão noturna (a capacidade de ver objetos atrás de superfícies de vidro) e também pesa metade do peso do vidro tradicional à prova de balas.
Esta atividade faz parte do programa Atoms to Product (A2P) da DARPA, que "desenvolve as tecnologias e processos necessários para montar partículas em nanoescala (perto de tamanhos atômicos) em sistemas, componentes ou materiais pelo menos em uma escala milimétrica."
Nos últimos oito anos, a Agência conseguiu uma redução na espessura da base transparente da armadura de cerca de 18 cm para 6 cm, mantendo suas características de resistência, de acordo com o chefe do programa A2P da DARPA, John Maine. Ele consiste em muitas camadas diferentes, “nem todas de cerâmica e nem todas de plástico ou vidro”, que são aderidas ao material de suporte para evitar rachaduras. "Você deve pensar nisso como um sistema de defesa, não como um pedaço de material monolítico."
O vidro Spinel foi fabricado para instalação em protótipos de caminhões FMTV (Family of Medium Tactical Vehicles) do Exército Americano para avaliação do Armored Research Center.
No âmbito do programa A2P, a DARPA concedeu à Voxtel, um Instituto de Nanomateriais e Microeletrônica do Oregon, um contrato de US $ 5,59 milhões para pesquisar processos de manufatura que vão de nano a macro. Este projeto biônico envolve o desenvolvimento de um adesivo sintético que imita as capacidades do lagarto lagartixa.
“Nas solas da lagartixa, há algo como pequenos pêlos … com cerca de 100 mícrons de comprimento, que se ramificam violentamente. No final de cada pequeno ramo está uma minúscula nanoplaca com cerca de 10 nanômetros de tamanho. Quando em contato com uma parede ou teto, essas placas permitem que a lagartixa adira à parede ou teto."
Maine disse que os fabricantes nunca poderiam replicar esses recursos porque não poderiam criar nanoestruturas ramificadas.
“A Voxtel desenvolve tecnologias de produção que replicam essa estrutura biológica e capturam essas qualidades biológicas. Ele usa nanotubos de carbono de uma maneira realmente nova, permite criar estruturas 3D complexas e usá-las de maneiras muito originais, não necessariamente como estruturas, mas de outras maneiras mais inventivas."
A Voxtel deseja desenvolver técnicas avançadas de manufatura aditiva que produzirão "materiais que são eles próprios montados em blocos funcionalmente completos e, em seguida, montados em sistemas heterogêneos complexos". Essas técnicas serão baseadas na simulação de códigos genéticos simples e reações químicas gerais encontradas na natureza, que permitem que as moléculas se automontem a partir do nível atômico em grandes estruturas capazes de se abastecerem de energia.
“Queremos desenvolver um adesivo reutilizável avançado. Gostaríamos de obter um material com as propriedades de um adesivo epóxi, mas sem sua descartabilidade e contaminação de superfície, - disse Main. "A beleza de um material no estilo lagartixa é que ele não deixa resíduos e funciona instantaneamente."
Outros materiais avançados que avançam rapidamente incluem materiais ultrafinos, como grafeno e nanotubos de carbono, que têm propriedades estruturais, térmicas, elétricas e ópticas que irão revolucionar o espaço de combate atual.
Grafeno
Enquanto os nanotubos de carbono têm bom potencial para aplicações em sistemas eletrônicos e de camuflagem, bem como no campo biomédico, o grafeno é "mais interessante porque oferece, pelo menos no papel, mais possibilidades", disse Giuseppe Dakvino, porta-voz da Defesa Europeia Agência (EOA).
O grafeno é um nanomaterial ultrafino formado por uma camada de átomos de carbono com a espessura de um átomo. O grafeno leve e durável tem alta condutividade térmica e elétrica recorde. A indústria de defesa estuda com atenção a possibilidade de utilizar o grafeno em aplicações que requeiram sua força, flexibilidade e resistência a altas temperaturas, por exemplo, em missões de combate realizadas em condições extremas.
Dakvino disse que o grafeno “é, pelo menos em teoria, o material do futuro. A razão pela qual há tanto debate interessante agora é porque depois de tantos anos de pesquisa no setor civil, tornou-se claro que ele realmente mudará os cenários de combate”.
“Para listar apenas algumas das possibilidades: eletrônica flexível, sistemas de energia, proteção balística, camuflagem, filtros / membranas, materiais de alta dissipação de calor, aplicações biomédicas e sensores. Essas são, de fato, as principais direções tecnológicas."
Em dezembro de 2017, o EAO iniciou um estudo de um ano de possíveis aplicações militares promissoras do grafeno e seu impacto na indústria de defesa europeia. Este trabalho foi liderado pela Fundação Espanhola de Pesquisa Técnica e Inovação, com a qual a Universidade de Cartagena e a empresa britânica Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. Em maio de 2018, foi realizado um seminário de pesquisadores e especialistas em grafeno, onde foi definido um roteiro para sua utilização no setor de defesa.
De acordo com o EOA, “Entre os materiais que têm potencial para revolucionar as capacidades de defesa na próxima década, o grafeno está no topo da lista. Leve, flexível, 200 vezes mais forte que o aço e sua condutividade elétrica é incrível (melhor que o silício), assim como sua condutividade térmica."
O EOA também observou que o grafeno tem propriedades notáveis na área de "gerenciamento de assinaturas". Ou seja, pode ser usado para produzir “revestimentos radioabsorventes, que transformarão veículos militares, aeronaves, submarinos e navios de superfície em objetos quase indetectáveis”. Tudo isso torna o grafeno um material extremamente atraente não só para a indústria civil, mas também para aplicações militares, terrestres, aéreas e marítimas.”
Para tanto, os militares americanos estudam o uso do grafeno em veículos e roupas de proteção. De acordo com o engenheiro Emil Sandoz-Rosado, do Laboratório de Pesquisa Militar do Exército dos EUA (ARL), esse material tem excelentes propriedades mecânicas, uma camada atômica de grafeno é 10 vezes mais rígida e mais de 30 vezes mais resistente do que a mesma camada de fibra balística comercial. “O teto do grafeno é muito alto. Esta é uma das razões pelas quais vários grupos de trabalho da ARL se interessaram por ela, pois suas características de design são muito promissoras em termos de reserva.
No entanto, também existem dificuldades bastante grandes. Um deles é escalar o material; o exército precisa de materiais de proteção que possam cobrir tanques, veículos e soldados. “Precisamos de muito mais. Em geral, estamos falando de um milhão ou mais estratos de que precisamos no momento”.
Sandoz-Rosado disse que o grafeno pode ser produzido de uma ou duas maneiras, por meio de um processo de peeling, onde o grafite de alta qualidade é separado em camadas atômicas separadas, ou pelo crescimento de uma única camada atômica de grafeno em uma folha de cobre. Este processo é bem estabelecido por laboratórios que produzem grafeno de alta qualidade. “Não é muito perfeito, mas está bem perto disso. Porém, hoje é hora de falar sobre mais de uma camada atômica, precisamos de um produto completo”. Como consequência, um programa foi lançado recentemente para desenvolver processos contínuos de produção de grafeno em escala industrial.
“Quer se trate de nanotubos de carbono ou grafeno, é preciso levar em conta os requisitos específicos que devem ser atendidos”, advertiu Dakvino, observando que a descrição formal das características de novos materiais avançados, a padronização dos processos precisos para a criação de novos materiais, a reprodutibilidade desses processos, a capacidade de fabricação de toda a cadeia (da pesquisa básica à produção de demonstração e protótipos) precisam de estudo cuidadoso e justificativa quando se trata do uso de materiais inovadores como o grafeno e nanotubos de carbono em plataformas militares.
“Não se trata apenas de pesquisa, porque afinal é preciso ter certeza de que determinado material está oficialmente descrito e depois ter certeza de que ele pode ser produzido em determinado processo. Não é tão fácil, porque o processo de fabricação pode mudar, a qualidade do produto produzido pode variar dependendo do processo, então o processo deve ser repetido várias vezes”.
De acordo com Sandoz-Rosado, a ARL trabalhou com fabricantes de grafeno para avaliar a classe de qualidade do produto e sua escalabilidade. Embora ainda não esteja claro se os processos contínuos, que se encontram no início da sua formação, têm um modelo de negócio, capacidade adequada e se podem fornecer a qualidade necessária.
Dakvino observou que os avanços na modelagem computacional e na computação quântica podem acelerar a pesquisa e o desenvolvimento, bem como o desenvolvimento de métodos para a produção de materiais avançados em um futuro próximo. “Com o projeto auxiliado por computador e a modelagem de materiais, muitas coisas podem ser modeladas: as características dos materiais e até mesmo os processos de manufatura podem ser modelados. Você pode até criar realidade virtual, onde você pode basicamente olhar para os diferentes estágios de criação de um material."
Dakwino também disse que a modelagem computacional avançada e as técnicas de realidade virtual fornecem uma vantagem ao criar "um sistema integrado onde você pode simular um material específico e ver se esse material pode ser aplicado em um ambiente específico". A computação quântica pode mudar radicalmente o estado das coisas aqui.
“No futuro, vejo ainda mais interesse em novas formas de manufatura, novas maneiras de criar novos materiais e novos processos de manufatura por meio de simulação de computador, uma vez que o enorme poder de computação só pode ser potencialmente obtido usando computadores quânticos.”
Segundo Dakwino, algumas aplicações do grafeno são tecnologicamente mais avançadas, enquanto outras são menos. Por exemplo, compósitos cerâmicos baseados em matriz podem ser melhorados integrando placas de grafeno que reforçam o material e aumentam sua resistência mecânica enquanto reduzem seu peso. “Se estamos falando, por exemplo, sobre compósitos”, continuou Dakvino, “ou, em termos mais gerais, sobre materiais reforçados pela adição de grafeno, então teremos materiais reais e processos reais de sua produção em massa, se não amanhã, mas talvez nos próximos cinco anos.
“É por isso que o grafeno é tão interessante para sistemas de proteção balística. Não porque o grafeno pode ser usado como armadura. Mas se você usar grafeno em sua armadura como um material de reforço, ele pode se tornar mais forte do que até mesmo Kevlar."
Áreas prioritárias, por exemplo, sistemas autônomos e sensores, bem como áreas militares de alto risco, como subaquática, espacial e cibernética, dependem principalmente de novos materiais avançados e da interface da nano e microtecnologia com a biotecnologia, “stealth” materiais, materiais reativos e sistemas de geração e armazenamento de energia.
Metamateriais e nanotecnologia, como grafeno e nanotubos de carbono, estão passando por um rápido desenvolvimento hoje. Nessas novas tecnologias, os militares buscam novas oportunidades, explorando suas aplicações e potenciais barreiras, pois são forçados a se equilibrar entre as necessidades do campo de batalha moderno e os objetivos de pesquisa de longo prazo.
