Застосування нанотехнологій у військовій техніці

До активних матеріалів відносяться  ті, які здатні змінювати свою форму  або навіть створювати всередині  себе певні сили при контрольованому  зміні зовнішніх умов (класичним  прикладом таких матеріалів можуть служити п'єзоелектрики, речовини з  ефектом пам'яті форми і т.п.). Матеріали такого типу можуть широко використовуватися для забезпечення рухливості деталей військового  спорядження, «кінцівок» роботів і  т.п. Застосування HT може, з одного боку, дозволити значно підвищити використовувані  характеристики таких матеріалів, а  з іншого - створити їх нові види, наприклад  здатні до «скорочення» молекули, які  можна застосовувати для організації  руху екзоскелетів.

    3.3 Джерела та акумулятори енергії.

Нанотехнології, пов'язані  з розробкою нових джерел енергії  в осяжному майбутньому будуть розвиватися, мабуть, у двох головних напрямках: підвищення енергетичних можливостей  існуючих мікропристрою і розвиток різноманітних нових пристроїв  з дуже низьким енергоспоживанням. Мініатюрні паливні елементи вже  зараз широко використовуються в  самих різних галузях авіакосмічної  техніки (електроживлення безпілотних  пристроїв, космічних супутників і  т.д.), а більші батареї та елементи (з потужністю в десятки кіловатів і більше) застосовуються в наземних транспортних засобах, кораблях і т.п. Очікується, що НТ дозволять створити матеріали для високоефективних пристроїв акумулювання водню і паливних елементів на цій основі, що, до речі, має стати важливим етапом на шляху створення екологічно чистих, «електричних» автомобілів.

 Серед принципово нового обладнання слід особливо згадати можливість створення «власних» електрогенераторів здатних ви-розробляти електричний струм просто за рахунок енергії руху людини, незначних за величиною градієнтів температури в тілі людини або навіть біохімічних реакцій людського організму. В одному з проектів DARPA / ONR пропонується просто імплантувати мініатюрні біопаливні батареї в організм солдата. Вводячи всередину кровоносних судин людини мікро пристрої, в яких може відбуватися окислення глюкози і відновлення кисню, уже зараз вдається виробити в лабораторних умовах більш 1 мкВт енергії протягом тижня. Такі паливні системи та елементи можуть застосовуватися для живлення мікродатчиків, мікропривід і телеметричних систем стеження, введених в організми рослин, тварин і людини [DARPA Energy, 2002; Mano et al., 2002].

    3.4 Транспортні засоби.

Виробництво більш легких і міцних матеріалів (у поєднанні  з раз-розробкою більш легких і потужних двигунів) неминуче має  сприяти прогресу в конструюванні  і створенні бойових транспортних засобів звичайного типу в самих  різних середовищах (наземних, повітряних і навіть підводних). Найбільшого  прогресу, природно, слід очікувати  в авіації та космічній техніці, де зниження ваги пристроїв має іноді  принципове значення. У далекій перспективі  дуже цікаві можливості для розвитку авіаційної техніки обіцяють матеріали  з ефектом пам'яті, які дозволять  значно зменшити вагу багатьох важливих деталей літальних апаратів (закрилки, гідравлічні приводи і т.п.). Зниження ваги, природно, буде сприяти встановленню більш потужних двигунів або додаткового обладнання та озброєння. З іншого боку, варто зауважити, що ці переваги можуть і не грати особливу роль, оскільки вже зараз можливості маневрування та ведення бойових дій літаків обмежуються головним чином здатністю самих льотчиків переносити фізичні навантаження, пов'язані з пілотуванням.

Більш істотну роль використання НТ повинно мати на виробництві та експлуатації безпілотних літальних апаратів, для яких нові технології будуть означати не тільки зниження ваги, але і значне підвищення ступеня автономності за рахунок впровадження мініатюрних НТ-комп'ютерів.

Вже протягом найближчих п'яти  років слід очікувати значного оновлення (апгрейда) електронного обладнання існуючих бойових і транспортних засобів  за рахунок впровадження нових НТ-матеріалів і пристроїв. Потім (протягом наступних 5-10 років) такі матеріали та пристрої будуть широко впроваджені в системи  електроживлення, управління та контролю, а приблизно через 10 років стануть  звичними і поширеними.

   3.5 Камуфляж і засоби маскування.

В принципі, нанотехнології надають розробникам безліч нових  методів зміни кольору (або візуально  сприйманої забарвлення) предметів  і різноманітних поверхонь. Насамперед можна згадати про створення  захисних і маскувальних покриттів  на основі технологій, що використовуються у гнучких дисплеях. Наприклад, мобільні частки пігменту, що покривають поверхню приховуваного об'єкта, можуть змінювати  своє положення або орієнтацію, «виставляючи»  ділянки або межі з необхідною забарвленням. У більш складних варіантах  маскування деякі ділянки поверхні можуть змінювати свою поверхневу структуру  в субволновом масштабі, створюючи  нове забарвлення, подібно до того, що відбувається при русі крил метеликів  та інших комах (в цьому випадку  сприйняття забарвлення залежить від  напрямку спостереження). Такий «активний» камуфляж може застосовуватися, наприклад, в бойовому обмундируванні особового складу, а також при маскуванні бойових і транспортних машин, літаків, що пропонується в проекті [ARO Materials, 20011. Зміна кольору й текстури захисної поверхні дозволяє особовому складу і масковані об'єктів просто «зливатися» з оточенням або фоном, проте не можна забувати, що таке маскування захищає лише від спостереження за деякими виділеним напрямками. Змінивши кут зору, уважний (точніше, зацікавлений) спостерігач завжди зможе «відокремити» об'єкт від фону. Забезпечення «невидимості» по всьому азимуту залишається поки нерозв'язною завданням, хоча в одному з проектів і планується досить амбітне завдання «забезпечення невидимості солдата у всьому спектрі електромагнітного випромінювання» ARO Materials, 20011. Описані камуфляжні або маскувальні покриття можуть бути, очевидно, бути використані практично приблизно через 5-10 років.

   3.6 Броня та засоби захисту.

Очевидно. що нанотехнологічні процеси і матеріали будуть широко використовуватися для модифікації  і підвищення міцнісності та інших  характеристик окремих елементів  зовнішнього покриття або активної бронезахисту. Набагато цікавішими на сьогодні виглядають перспективи наноматеріалів в області виробництва так  званих легких видів броні, призначених  для захисту від куль і невеликих  осколків, а не від потужних бронебійних  засобів. Розвиток НТ-матеріалів уже  зараз дозволяє створювати дуже легкі  і міцні костюми, обладунки або  «уніформи» з матеріалів, які можна  назвати легкобронированним. Такі речовини і матеріали стають все більш  популярними в сухопутних військах і авіації, які розробляють плани  їх подальшого розвитку та використання в майбутньому. Надійний захист від  стрілецької зброї може забезпечити  вже зараз одяг з нановолокністой  тканини, пропонованої однієї з програм DARPA, метою якої заявлено «виготовлення  надлегкої броні або збруї, удвічі перевершують за характеристиками всі  існуючі зразки матеріалів». Нановолокняні матеріали планується також використовувати для створення тонкошарових покриттів, що містять наноструктури заданого типу, здатних поглинати або відбивати випромінювання заданої частоти, що має забезпечити захист військовослужбовців від можливого лазерного або мікрохвильового опромінення.

   3.8 Звичайні види озброєнь.

Виробництво більш легких і міцних матеріалів, безумовно, має  сприяти розвитку різноманітних  звичайних типів стрілецької  і стовбурного зброї, дальність  дії якого повинна зростати за рахунок використання більш ефективних метальних складів і, відповідно, більшої швидкості вильоту снаряда  будь-якого типу зі стовбура. Для  балістичних ракет, літаків і  різноманітних літальних апаратів використання більш легких і міцних НТ-матеріалів означатиме підвищення швидкості і дальності польоту, підвищення навантаження і зменшення  розмірів і ваги всієї установки. На основі НТ вже можна задуматися про створення нової системи  глобальної навігації (можливо, підтримуваної  відомої сушествущей системою GSP) для наведення не тільки невеликих  ракет і артилерійських снарядів, але навіть самих невеликих пристроїв  або куль, вистрілюються з легкої зброї. В якості аналога можна  вказати вже існуючі проекти DARPA, пов'язані з розробкою інерційних МСТ-датчиків | DARPA MEMS, 2003]. В даний час майже всі види сердечників бронебійних снарядів і куль виготовляються з матеріалів підвищеної щільності (найчастіше із сплавів вольфраму зі збідненим ураном) у вигляді циліндричних стрижнів із загостреним наконечником. Підкаліберні снаряди прискорюються в збройовому стовбурі за рахунок використання гільзи (так званого «черевика»), відокремлюється від снаряда після вильоту зі ствола. Цікава проблема пов'язана зі складом згадуваних щойно сплавів, використовуваних для виробництва бронебійних сердечників. Справа в тому, що питома вага чистих вольфраму та урану складає 19,3 і 19,0 г / см що майже відповідає граничної щільності упаковки важких атомів кристалічної решітки в природі, внаслідок чого будь-які технології (не виключаючи і НТ) практично не можуть скільки- небудь помітним чином змінити реальну щільність таких сердечників. Практична проблема полягає в тому, що «пробивна здатність» снаряда залежить не тільки від щільності, а й від механіко-гідродинамічних властивостей його складу, для поліпшення яких і використовуються не чисті метали, а їх сплави. В обедненном урані можна створювати так звані адіабатичні або локальні зсувні напруги, під впливом яких при ударі деформується речовина наконечника легко зміщується, в результаті чого відбувається як би безперервне «самозагострювання» ударника. В даний час на основі НТ можна запропонувати навіть дві можливості створення аналогічних ефектів в ударника зі сплаву вольфрам / уран. Перша з них заснована на використанні ударників з аморфних металів або так званих металевих стекол (які часто відносять до НТ-матеріалами, незважаючи на те, що їх отримують звичайними, об'ємними і давно відомими методами перемішування металів в рідкому стані з подальшим охолодженням). Ця плутанина в класифікації пояснюється тим, що в таких матеріалах мікроскопічна різниця в розташуванні атомів несподівано призводить до помітних макроскопічними ефектів в прояві пружних властивостей (див., наприклад, роботу (IPSE, 2003). З формальної точки зору такі сплави, звичайно, слід відносити до НТ-матеріалами (наприклад, до композитам з нанокрісталлітамі, нановолокнами або нановключеніямі і т.п.). Перші експерименти з модельними ударниками з аморфних матеріалів продемонстрували, що в них також виявляються ознаки локалізованого зсуву речовини IMagness et al., 2001].

   3.9 Індивідуальні системи військового призначення.

Нанотехнології дають  можливість створити безліч пристосувань і пристроїв, безпосередньо пов'язаних або просто входять до складу особистого спорядження військовослужбовця, які  дозволяють контролювати, підтримувати та посилювати найрізноманітніші психофізіологічні  можливості людського організму. Найпростішими  пристроями такого типу є звичайні датчики, які вимірюють стандартні функціональні параметри стану  людини (температуру, пульс, тиск і т.п.). Наступний етап розвитку таких пристроїв, природно, пов'язаний з розробкою так званих хімічних датчиків, що уловлюють і фіксують більш тонкі і нестандартні параметри. Наприклад, по одному з вже здійснюваних в ISN проектів створюється датчик, що вимірює вміст речовин певного типу (типу виробляються організмом при стресі молекул моноксиду азоту NO) в видиху людини ITalbot, 2002]. Надалі планується створення системи практично не відчуваються людиною мікрозонд, здатних відбирати з організму і аналізувати мікропроб тканин та фізіологічних рідин (типу крові, лімфи і т.п.), а також при необхідності вводити в організм необхідні препарати. НТ сприятимуть подальшій мініатюризації таких пристроїв і розробці впроваджуваних в організм мікрожідкостних биочипов, здатних здійснювати хімічний та біологічний аналіз стану організму IDARPA BioFlips, 2003].

  3.10 Автономні і безпілотні системи.

Хоча в назвах різноманітних  проектів НДДКР в області військової техніки ось вже десятиліттями  застосовується термін «автономні системи», говорити про їх реальному використанні збройними силами поки ще рано. Виняток  становлять лише невеликі безпілотні літальні засоби (на армійському жаргоні  в США їх називають «дронамі», по імені вимерлої птиці), що здійснюють головним чином розвідку і спостереження, хоча є відомості про один з  таких пристроїв, забезпеченому  пізніше ракетним двигуном ". В  даний час за проектом Advanced Aerospace Systems вже розпочато розробку автономних безпілотних пристроїв, призначених  безпосередньо для проведення бойових  дій [DAR PA Budget, 2003: 213-225]. Під автономними  системами маються на увазі будь-які  рухомі пристрої, що рухаються без  участі екіпажу, здатні змінювати швидкість  і напрямок руху, реагувати на зміну  навколишніх умов і мають розміри  близько 0,5 м або вище. У цю категорію  потрапляють наземні, підводні, повітряні  і космічні засоби пересування. Переміщення  описуваних систем може здійснюватися  з використанням як традиційних, так і нестандартних методів, оскільки роботи можуть мати самий  різний вигляд, включаючи грубе схожість з людиною. У визначенні поняття «робот» (автономна система) основний упор робиться на «самостійність» пристрою при виконанні деяких завдань (наприклад, пошуку мети, положення якої невідомо заздалегідь). Тому багато типів озброєння (наприклад, самонаводяться-шіеся і крилаті ракети звичного типу, які в основному призначені для ураження заданих цілей) можна назвати роботами лише з великою натяжкою. З іншого боку, очевидно, що пошук мети вимагає наявності в системі деякого додаткового устаткування, внаслідок чого визначення терміна «робот» повинно бути якимось чином уточнено.

У категорію роботів принципово повинні бути включені системи, спеціально створювані для дії і переміщення  у складному оточенні, яке характеризується деякими обмеженнями (наприклад, в  замкнутих виробничих приміщеннях, при управлінні індукційними пристроями і т.п.). Однак слід пам'ятати, що основний упор повинен робитися на здатність  систем здійснювати достатньо складні  операції без додаткових «покажчиків», попередньо розподілених у сфері  їх дії.

   3.11 Міні і мікророботи.

Характерні переваги та особливості  НТ найбільш яскраво виявляють себе при створенні малих і надмалих автоматичних пристроїв і роботів, причому поділ за розмірами вводиться  лише для зручності і є чисто  формальним. Малими або мініробот  називають пристрої розміром менше 0,5 м, а микророботами (сверхмалимі  роботами, мініробот, мініатюрними роботами і т.д.) - пристрої з характерними розмірами менше 5 мм. Такі роботи можуть застосовуватися практично у  всіх середовищах, від підводних  глибин до космічного простору. Застосовуючи методи МСТ, вже зараз можна створити мікророботи розміром кілька сантиметрів  або навіть міліметрів, а нанотехнології повинні дозволити зменшити розміри  таких автоматичних мікропристроїв до 0,1 мм (а потім і 10 мкм), хоча варто  відзначити, що і остання величина ще на порядки перевищує значення в 100 нм (що вважається «пороговим» для  розмірів нанороботів і молекулярних асемблерів в теоріях молекулярної нанотехнології). Проте вже при  створенні мікро-і мініробот (розміром від 0,5 м до 10 мкм) конструкторам неминуче доведеться використовувати нанострук-турне матеріали та пристрої перш за все в якості відповідних джерел живлення, перетворювачів енергії, датчиків, процесорів, приводних механізмів і т.д .Дуже малі розміри розглянутих роботів сильно обмежують можливості їх навантаження, що створює серйозні проблеми особливо щодо енергопостачання і зв'язку, оскільки такі пристрої, природно, можуть поглотать або акумулювати, наприклад, дуже малі кількості енергії і речовини. Зменшення розмірів створює особливі складності при конструюванні надмалих датчиків, так як вони виявляються здатними реєструвати лише дуже малі порції речовини і випромінювання, що компенсується лише в рідкісних випадках (наприклад, при детектуванні деяких хімічних сполук) підвищенням чутливості самих на-ноелементов. Природно, наприклад, що використання мініатюрних антен різко обмежує їх здатність реєструвати радіосигнали і формувати сигнали випромінювання при передачі повідомлень (расходимость або ширина пучка випромінювання через дифракції збільшується пропорційно відношенню розміру антени до довжини хвилі випромінювання, тобто обернено пропорційна розмірам самої антени ). Крім цього, рухливість мікроскопічних механічних пристроїв також природно зменшується, оскільки сили тертя (в'язкість середовища) при мініатюризації об'єктів щодо зростають, що грає дуже важливу роль при русі мікрочастинок у повітряному або водному середовищі. Фізичний аналіз особливостей руху мікророботів міститься в роботі [5о1ет, 1994]. Ходова частина (рухова установка) міророботов може бути сконструйована на основі вже відомих технічних принципів (колеса і гусениці для наземних пристроїв, гвинти - для руху у водному середовищі, пропелери і ракетні двигуни - в повітряному і т.д.). Звичайно, при створенні самих мініатюрних пристроїв конструктори можуть використовувати біоміметіческіе або зовсім інші принципи пересування. Наприклад, мікропристрою можуть пересуватися подібно комах (для чого їх «щупальця», можливо, повинні будуть мати підвищену липкість, що дозволяє переміщатися по вертикальних або навіть нависаючим поверхонь) або пересуватися стрибками, користуючись висувними «кінцівками-стержнями» з імпульсним або вибуховим механізмом дії. Для переміщення у водному середовищі такі мікророботи можна буде «обладнати» обертаються джгутиками або рухомими плавниками, а ті з них, які призначаються для роботи у різних середовищах, можуть бути, подібно крабам або ракам, забезпечені клешнями і ніжками. У повітряному середовищі мікророботи можуть переміщатися подібно комахою, змахуючи крильцями і т.д. | Biodiversed and Bioinspired Materials: DARPA Budget, 2003: 205-208). Зрозуміло, в майбутньому для створення приводів в таких пристроях можуть бути вивчені і застосовані біоміметіческіе принципи, використовувані самою природою при роботі м'язових систем найрізноманітніших живих організмів. Крім того, масове застосування розпорошених в повітрі мікророботів може виявитися ефективним засобом боротьби з технікою противника (наприклад, вони можуть перекривати оглядові отвори або повітрозабірники багатьох бойових машин, пошкоджувати робочі поверхні і т.п.). Цілком можливо, що в майбутньому саме напрям розвитку стане ведучим, тобто новою зброєю стануть «рої» або «зграї» схожих на комах мініробот, що володіють внутрішнім зв'язком і деяким «розподіленим інтелектом». Такі зграї будуть самостійно розшукувати мети і знищувати їх колективними діями. Зрозуміло, розробка програмного забезпечення для таких надскладних систем включає в себе цілий комплекс винятково важких завдань, і їх вирішення вже присвячені деякі з програм DARPA. Серед пропонованих розробок виділяється проекті промовистою назвою Piranha [DARPA Budget, 2003: 374, 375; 410, 411], у відповідність з яким планується створення зграї бойових підводних мікророботів (таку зграю було б правильніше назвати «косяком»). У проекті Software for Distributed Robotics | DARPA SDR, 2003] вивчатимуться питання загального управління системами таких розподілених мікроскопічних пристроїв.