Застосування нанотехнологій у військовій техніці

 

«ЗАПОРІЗЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

МІНІСТЕРСТВА ОСВІТИ І  НАУКИ, МОЛОДІ  ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

 

     

Реферат

на тему:

 «Застосування нанотехнологій у військовій техніці  »

з дисципліни «Застосування наноструктур»

                                                                                                                       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Зміст

Вступ3

1. Деякі загальні відомості про історію НТ4

2. Перваги та недоліки нанотехнологій5

2.1 Очевидні переваги застосування НТ5

2.2 Очевидні переваги застосування НТ6

3. Приклади модифікацій військової зброї8

     3.1.Компьютери та комунікаційні пристроїв.8

     3.2 Матеріали9

     3.3 Джерела та акумулятори енергії10

     3.4 Транспортні засоби11

     3.5 Камуфляж  і засоби маскування12

     3.6 Броня та  засоби захисту13

     3.7 Звичайні види озброєнь14

     3.8 Індивідуальні системи військового призначення15

     3.9 Автономні і безпілотні системи16

     3.10 Міні і мікророботи17

    3.11. Комп'ютерне моделювання ядерної зброї20

4.Список використаної  літератури22

 

 

Вступ

 

Дуже багато фахівців упевнені, що в найближчі десятиліття саме розвиток нанотехнологій стане основою  майбутньої промислової революції. Нанотехнологія дозволяє нам здійснювати  маніпуляції з речовиною на рівні  точності 1 нанометр (1 нм = 10⁹м, одна мільярдна частина метра), що означає можливість управління процесами в атомарному і молекулярному масштабі. На цьому рівні розмірів стираються кордони не тільки між звичними основними напрямками науки (фізика, хімія, біологія), але навіть і між їхніми прикладними або суміжними розділами (типу матеріалознавства, механіки, електроніки, генетики та нейробіології). Нанотехнологія об'єднує в собі найрізноманітніші науки і відноситься (причому суттєво і принципово) до проміжних областях науки, тобто за своєю суттю відноситься до міждисциплінарним дослідженням, об'єднуючим поняття і підходи багатьох наукових дисциплін. Можливість управління різноманітними характеристиками речовини на нанометровом рівні підводить вчених до незвичайних сполученням мініатюрних компонентів і їх використання навіть для імітації деяких молекулярних процесів, що нагадують життєдіяльність мікробіологічних об'єктів. Розвиток НТ обіцяє величезні перспективи насамперед у техніці.

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Деякі загальні відомості про історію НТ

Людство «несвідомо» застосовувало  нанотехнології з незапам'ятних  часів (досить згадати виготовлення чорнила в Древньому Китаї, використання наночастинок золота для додання  забарвлення знаменитим середньовічним вітражам і т.д.). Сучасна наука  «дісталася» до вивчення речовини в  нанометровом масштабі тільки в дев'ятнадцятому  столітті, коли були розроблені і експериментально підтверджені основні ідеї атомно-молекулярної теорії (строго кажучи, це сталося лише до 1910году, коли були отримані і правильно  інтерпретовані перші рентгенівські  дифракційні зображення кристалічних структур ). Наступним важливою подією в історії нанонауки стало  винахід просвічує електронної  мікроскопії (30-і роки минулого століття), що дозволяє отримувати зображення нанометрових структур. Після відкриття атомного ядра (1911 рік) і елементарних частинок (нейтрон в 1932 році і т.п.) фізики вийшли навіть на рубіж вимірювання фемтометра (1 фмтм = 10¹⁵м = 10⁶нм), проте в цьому масштабі просторових величин ймовірність існування скільки- небудь стійких структур стає дуже малою. Ще більш сумнівною представлялася ідея управління такими структурами (не кажучи вже про можливості технічних застосувань) через електростатичного відштовхування і квантово-механічних ефектів. Розглядаючи нанотехнологію тільки як можливість маніпуляцій з речовиною в масштабах нижче 100 нм, історію НТ часто починають відраховувати від знаменитої промови Р. Фейнмана (ефектно під заголовком «Внизу повнісінько місця. Запрошення в новий світ фізики»), де вперше згадувалися серед іншого можливості мікрозапісі з використанням іонних пучків (шириною всього в декілька нм), створення обчислювальних систем із сотні атомів, масового виробництва мікродеталей на мільйонах «мікроскопічних фабрик» і безліч інших, настільки ж фантастичних перспектив [Feynman, 1959 |. Стех пір минуло майже кілька десятиліть, втечение яких технології використання та обробки речовини на мікроскопічному рівні дійсно безперервно розвивалися і удосконалювалися. Дуже важливою подією став винахід скануючих тунельних мікроскопів в 1981 році (що дозволило фізикам безпосередньо спостерігати за поведінкою окремих атомів на різних поверхнях), за яким послідувало і створення атомно-силових мікроскопів (АСМ), які через кілька років створили можливість навіть змішати або «рухати» окремі атоми по поверхні. На початку 80-х років з'явилися перші статті і книги Е. Дрекслера IDrexler, 1981, 1986), присвячені молекулярним нанотехнологій (МНТ). а пізніше він заснував Інститут прогнозів (Форсайт), що займається проблемами розвитку нанотехнолігій. За останнє десятиліття XX століття і подальші роки вже були отримані надзвичайно цінні нові результати в багатьох галузях нанонауки і нанотехніки, з яких навіть важко виділити найбільш цікаві. Особливо слід відзначити відкриття вуглецевих нанотрубок і розробку їх застосування в найрізноманітніших системах. Уже зараз можна серйозно говорити про створення на цій основі елементів транзисторів, можливості побудови з молекул ДНК кубічних та інших тривимірних структур і використанні окремих молекул в якості електронних перемикачів. Конструюються неорганічні структури у вигляді двигуна (приводиться в дію «біомолекулярних мотором»), реалізуються обчислювальні процеси в молекулярних системах (принцип дії яких нагадує роботу механічної планетарної передачі), досліджується рух молекул кінезіна в нанотрубках і т.п. Ці роботи не тільки мають величезне теоретичне значення, але і відкривають широкий простір для практичних застосувань, у зв'язку з чим вже до кінця 90-х років майже всі розвинені країни почали щедро фінансувати науково-дослідні роботи в галузі нанотехнології. Загальна тенденція була підтверджена і укріплена затвердженням в 2000 році відомою Національної нанотехнологічної ініціативи (НН І) Урядом США, приміром яких пішли й уряди багатьох інших країн.

2.Перспективи і небезпеки розвитку НТ

2.1 Очевидні переваги  застосування НТ

Зрозуміло, НТ є виключно привабливими з самих різних точок  зір, що було підкреслено в публікаціях  згадуваного вище семінару з соціальних аспектів ННІ 2000-2001 років | Roco and Bainbridge, 2001: 3-11; див. також Anton et al., 20011. З основних аспектів та програм HT, що мають величезне  соціальне, фінансове і політичне  значення, варто виділити наступні:

• отримання дуже легких і дуже міцних матеріалів із заданими властивостями, що дозволяють створювати нові пристрої і транспортні засоби;

• створення мініатюрних  і високоефективних комп'ютерів і  датчиків;

• виробництво нових фармацевтичних препаратів на основі поєднання біологічних  і синтетичних речовин;

• значне прискорення процесів секвенування (що мають принципове значення для розвитку генної інженерії), створення систем індивідуального  лікування, таргетна (цільова) доставка лікарських препаратів до необхідних органам в організмі;

• створення штучних матеріалів для діагностики процесів в живих  клітинах, виробництво біосумісних  імплантантів;

• створення високоефективних систем перетворення сонячної енергії;

• створення високоефективних паливних елементів і матеріалів, що дозволяють акумулювати й утримувати водень;

• отримання наноструктурних  каталізаторів для використання в низькоенергетичних і екологічно чистих виробництвах;

• організація виробництва  світлодіодів, які споживають дуже невелика кількість електроенергії;

• розробка простих і  дешевих методів очищення та знесолення води;

• створення нових сільськогосподарських  препаратів та добрив, а також методів  генетичної модифікації рослин і  тварин;

• створення невеликих  за вагою космічних апаратів і  систем їх запуску, створення мініатюрних  автоматичних космічних систем.

Крім цього, варто згадати  і зовсім фантастичні перспективи, пов'язані з можливістю реалізації так званих молекулярних НТ.

 

2.2 Небезпеки, пов'язані  з розвитком НТ.

Зрозуміло, настільки багатообіцяючі НТ (пов'язані з різним областям науки  і техніки) одночасно несуть в  собі і серйозні прямі і непрямі  небезпеки, які можуть виникати випадково, помилково або в результаті навмисних дій. Безпосередню небезпеку розвитку і використання НТ можна пов'язати просто зі звичайним ризиком при появі практично будь-яких нових матеріалів або виробів. Більш серйозна проблема сучасності полягає в безперервному збільшенні обсягів виробництва нановолокон і наночасток. Властивості таких речовин (точніше кажучи, виготовлених з них частинок) ще недостатньо вивчені, і фахівці тільки приступають до серйозного вивчення їх впливу на здоров'я людини і навколишнє середовище. Однак, за попередньо отриманими даними, вони зовсім не нешкідливі, оскільки через малі розміри здатні проникати через клітинні мембрани людського організму | ЕТС, 2003а and refs; Hovard CV, 2003 and refs; Colvin, 2003; Brumfiel, 2003]. На семінарі NNI 2000-2001 років, присвяченому глобальним і загально соціальним аспектам розвитку НТ, були відзначені серед інших такі небезпеки та етичні проблеми [Roco and Brainbridge, 2001: 13-16; Weil, 2001; Suchman, 2001; Meyer, 2001; Tenner , 2001; див. також Anton et al., 2001]:

• небезпека для здоров'я  персоналу, зайнятого в нових  виробничих процесах;

• проблеми збереження навколишнього  середовища, пов'язані з крупно-масштабним виробництвом нанокомпозитних матеріалів, які дуже погано піддаються вторинній  переробці;

• перебудова промислових  виробництв, пов'язана з появою нових  матеріалів та виробів;

• затоварення ринку новими товарами, серйозні потрясіння існуюче  фінансово-промислової системи;

• посилення рівня безробіття, обумовлене появою лише невеликого числа  робочих місць, що вимагають до того ж досить високої кваліфікації;

• посилення нерівності в доходах і рівні життя (наприклад, з точки зору медичного обслуговування), виникнення своєрідної «нанодіскрімінаціі»;

• розвиток гострих протиріч в області визначення прав на інтектуальну власність;

• виникнення конфлікту  інтересів в існуючих відносинах вищих навчальних закладів, дослідницьких  центрів та промислових кіл;

• очевидні ризики і небезпеки  генетичних маніпуляцій з рослинами, тваринами і людьми;

• небезпеки, пов'язані з  новими методами і матеріалами імплантації;

• неочевидні проблеми, пов'язані  з можливостями ранньої діагностики  хвороб, для яких поки невідомі методи лікування;

• небезпеки, пов'язані з  можливістю прихованого збору даних  та проведення таємних операцій;

3. Приклади модифікацій військової зброї

   3.1.Компьютери та комунікаційні пристроїв.

Екстраполяція відомого закону Мура дозволяє припускати, що до 2015-2020 років розробники комп'ютерного та комунікаційного обладнання повинні  перейти до використання якихось  істотно нових принципів роботи і структурних елементів. Наприклад, електронні схеми, можливо, будуть дійсно створюватися на основі нанотрубок або  навіть окремих молекул, а жорсткі  диски змінять на-норазмерние  запам'ятовуючі пристрої без обертових  деталей і т.д. У кібернетиці, ймовірно, отримає подальший розвиток нова парадигма, заснована на вирішенні  дуже складних завдань при паралельній  роботі величезних масивів або комплексів обчислювальних систем (можливо, побудованих  з молекул ДНК і квантових  комп'ютерів), архітектура яких буде нагадувати нейронну мережу людського  мозку. У техніці зв'язку нанотехнлогіческая-електроніка  та фотоніка дозволять значно розширити  частотні діапазони і підвищити  ефективність їх використання. Будуть створені нові високошвидкісні системи  оптоволоконного зв'язку. Очікується, що протягом найближчих двадцяти років  обсяг пам'яті і швидкодію комп'ютерів зростуть на чотири порядки, що, природно, зажадає настільки ж значного зниження їх розмірів і енергоспоживання. При цьому буде постійно знижуватися  вартість як самої обчислювальної техніки, так і її експлуатації, включаючи  реальну вартість у перерахунку  на окремий процесор. Очікується, що фізичний обсяг процесорів (володіють  характеристиками сучасних ПК) зменшиться до кількох кубічних сантиметрів (або  навіть декількох кубічних міліметрів), що дозволить широко використовувати  їх для самих різних цілей і  легко монтувати всередині самих  різноманітних предметів військового  обладнання і амуніції (від засобів  транспорту і гвинтівок до форми  і окремих боєприпасів). При необхідності мікропроцесори можуть бути інтегровані  з комунікаційними пристроями, дисплеями, пристроями введення інформації (клавіатурою  і мікрофонами), мікродатчиків і  приводами.

Практичне втілення планів створення квантових комп'ютерів на основі НТ призведе одночасно і  до зростання захищеності і секретності  переданої інформації, і до розробки більш потужних засобів розшифровки  ворожих кодів. Фантастичні можливості квантових комп'ютерів створюють  нові можливості і обіцяють використання абсолютно несподіваних методів  вирішення надскладних завдань  оптимізації та прискорення розрахунків  при моделюванні фізичних явищ.

Мабуть, протягом найближчих двадцяти років розвиток обчислювальної техніки буде пов'язано з прогресом  в області різних НТ, а загальні характеристики обчислювальних пристроїв  будуть змінюватися (принаймні, у загальних  рисах) відповідно до закону Мура. Природно, вдосконалення комп'ютерів повинно  створювати нові можливості їх використання у військовій сфері, однак терміни  реального впровадження нововведень  визначити дуже складно (наприклад, сама можливість розробки та практичного  використання згадуваних вище квантових  комп'ютерів може затягнутися на десятиліття).

3.2 Матеріали

Одним з найважливіших  результатів розвитку HT обіцяє стати  поява ¬ ня великої кількості  найрізноманітніших матеріалів з новими властивостями. Для зручності розгляду їх можна спрощено підрозділи ділити на конструкційні (переважно метали, сплави і композити), функціональні  і так звані активні матеріали.

Композиційні матеріали  вже давно використовувалися  в оборонній промисловості (можна  згадати, наприклад, що для підвищення міцності і зменшення ваги авіаційної техніки широко застосовуються пластики, армовані скловолокном і вуглецевими  волокнами). Електропровідні пластики можуть знайти найширше застосування в аерокосмічній техніці, наприклад  як сигнальних проводів, пристроїв  захисту від розрядів статичної  електрики, для створення різноманітних  приводів і гнучких електричних  схем. Так звані багатофункціональні  полімерні матеріали можуть бути використані при виготовленні ракетних двигунів, динамічних і «розгортаються» в просторі конструкцій, атакож при виробництві багатьох стандартних предметів армійського обладнання (наприклад, резервуарів, шин тощо). Композити з добавками вуглецевих нанотрубок володіють виключно високою міцністю на розтяг, що дозволяє створювати на їх основі якісно нові, високоміцні і дуже легкі конструкційні матеріали. Можливо, такі матеріали будуть використані при створенні згадуваного там космічного «ліфта / вежі», що дозволяє доставляти вантажі на геостаціонарну орбіту і забезпечувати дешеву доставку в космос вантажів військового призначення для забезпечення бойових операцій. Ці матеріали мають в'язкість на руйнування зростає зі збільшенням швидкості деформації, що може бути використано для отримання матеріалів з підвищеним опором впливу вибухового заряду або балістичного удару.