Kemungkinan menciptakan bahan dengan sudut bias negatif telah diprediksi pada tahun 1967 oleh fisikawan Soviet Viktor Veselago, tetapi baru sekarang sampel pertama dari struktur nyata dengan sifat seperti itu muncul. Karena sudut bias negatif, sinar cahaya dibelokkan di sekitar objek, membuatnya tidak terlihat. Dengan demikian, pengamat hanya memperhatikan apa yang terjadi di balik punggung orang yang mengenakan jubah “luar biasa”.
Untuk mendapatkan keunggulan di medan perang, pasukan militer modern beralih ke kemampuan yang berpotensi mengganggu seperti pelindung tubuh dan pelindung kendaraan canggih, dan nanoteknologi. kamuflase inovatif, perangkat listrik baru, akumulator super, dan perlindungan platform dan personel yang "cerdas" atau reaktif. Sistem militer menjadi lebih kompleks, bahan multifungsi dan penggunaan ganda baru yang canggih sedang dikembangkan dan diproduksi, dan miniaturisasi elektronik tugas berat dan fleksibel sedang berlangsung dengan pesat.
Contohnya termasuk bahan penyembuhan diri yang menjanjikan, bahan komposit canggih, keramik fungsional, bahan elektrokromik, bahan "pelindung siber" yang bereaksi terhadap interferensi elektromagnetik. Mereka diharapkan menjadi tulang punggung teknologi pengganggu yang akan mengubah medan perang dan sifat permusuhan di masa depan.
Material canggih generasi berikutnya, seperti metamaterial, graphene, dan karbon nanotube, menghasilkan minat dan investasi yang besar karena memiliki sifat dan fungsi yang tidak ditemukan di alam dan cocok untuk aplikasi pertahanan dan tugas yang dilakukan di ruang ekstrem atau bermusuhan. Nanoteknologi menggunakan material berskala nanometer (10-9) agar dapat memodifikasi struktur pada tingkat atom dan molekul dan membuat berbagai jaringan, perangkat atau sistem. Bahan-bahan ini adalah area yang sangat menjanjikan dan di masa depan dapat berdampak serius pada efektivitas pertempuran.
Metamaterial
Sebelum melanjutkan, mari kita definisikan metamaterial. Metamaterial adalah material komposit, yang sifat-sifatnya tidak ditentukan oleh sifat-sifat elemen penyusunnya, melainkan oleh struktur periodik yang dibuat secara artifisial. Mereka adalah media yang dibentuk secara artifisial dan terstruktur khusus dengan sifat elektromagnetik atau akustik yang secara teknologi sulit dicapai, atau tidak ditemukan di alam.
Kymeta Corporation, anak perusahaan Intellectual Ventures, memasuki pasar pertahanan pada tahun 2016 dengan antena metamaterial mTenna. Menurut direktur perusahaan Nathan Kundz, antena portabel dalam bentuk antena transceiver memiliki berat sekitar 18 kg dan mengkonsumsi 10 watt. Peralatan untuk antena metamaterial seukuran buku atau netbook, tidak memiliki bagian yang bergerak, dan diproduksi dengan cara yang sama seperti monitor LCD atau layar smartphone menggunakan teknologi TFT.
Metamaterial terdiri dari mikrostruktur subwavelength, yaitu struktur yang dimensinya lebih kecil dari panjang gelombang radiasi yang harus dikontrolnya. Struktur ini dapat dibuat dari bahan non-magnetik seperti tembaga dan diukir pada substrat PCB fiberglass.
Metamaterial dapat dibuat untuk berinteraksi dengan komponen utama gelombang elektromagnetik - konstanta dielektrik dan permeabilitas magnetik. Menurut Pablos Holman, seorang penemu di Intellectual Ventures, antena yang dibuat menggunakan teknologi metamaterial pada akhirnya dapat menggantikan menara seluler, saluran telepon rumah, dan kabel koaksial dan serat optik.
Antena tradisional disetel untuk mencegat energi terkontrol dari panjang gelombang tertentu, yang menggairahkan elektron di antena untuk menghasilkan arus listrik. Pada gilirannya, sinyal yang dikodekan ini dapat ditafsirkan sebagai informasi.
Sistem antena modern tidak praktis karena frekuensi yang berbeda memerlukan jenis antena yang berbeda. Dalam kasus antena yang terbuat dari metamaterial, lapisan permukaan memungkinkan Anda untuk mengubah arah pembengkokan gelombang elektromagnetik. Metamaterial menunjukkan permeabilitas dielektrik negatif dan magnetik negatif dan karena itu memiliki indeks bias negatif. Indeks bias negatif ini, tidak ditemukan dalam bahan alami, menentukan perubahan gelombang elektromagnetik ketika melintasi perbatasan dua media yang berbeda. Dengan demikian, penerima antena metamaterial dapat disetel secara elektronik untuk menerima frekuensi yang berbeda, yang memungkinkan pengembang untuk mencapai broadband dan mengurangi ukuran elemen antena.
Metamaterial di dalam antena tersebut dirakit menjadi matriks datar dari sel individu yang padat (sangat mirip dengan penempatan piksel pada layar TV) dengan matriks datar lain dari pandu gelombang persegi panjang paralel, serta modul yang mengontrol emisi gelombang melalui perangkat lunak dan memungkinkan antena untuk menentukan arah radiasi.
Holman menjelaskan bahwa cara termudah untuk memahami manfaat antena metamaterial adalah dengan melihat lebih dekat pada lubang fisik antena dan keandalan koneksi Internet di kapal, pesawat terbang, drone, dan sistem bergerak lainnya.
“Setiap satelit komunikasi baru yang diluncurkan ke orbit akhir-akhir ini,” lanjut Holman, “memiliki kapasitas lebih besar daripada konstelasi satelit beberapa tahun lalu. Kami memiliki potensi besar untuk komunikasi nirkabel di jaringan satelit ini, tetapi satu-satunya cara untuk berkomunikasi dengan mereka adalah dengan menggunakan antena parabola, yang besar, berat dan mahal untuk dipasang dan dirawat. Dengan antena berbasis metamaterial, kita bisa membuat panel datar yang bisa mengarahkan pancaran dan membidik langsung ke satelit.
“Lima puluh persen dari waktu antena yang dapat dikendalikan secara fisik tidak berorientasi satelit dan Anda secara efektif offline,” kata Holman. "Oleh karena itu, antena metamaterial dapat sangat berguna dalam konteks maritim, karena antena secara fisik dikendalikan untuk mengarahkannya ke satelit, karena kapal sering berubah arah dan terus-menerus bergoyang di atas gelombang."
Bionik
Pengembangan material baru juga bergerak menuju penciptaan sistem multifungsi yang fleksibel dengan bentuk yang kompleks. Di sini peran penting dimainkan oleh ilmu terapan pada penerapan prinsip-prinsip organisasi, sifat, fungsi dan struktur alam hidup dalam perangkat teknis dan sistem. Bionics (dalam biomimetika literatur Barat) membantu seseorang untuk menciptakan sistem teknis asli dan proses teknologi berdasarkan ide-ide yang ditemukan dan dipinjam dari alam.
Pusat Penelitian Perang Kapal Selam Angkatan Laut AS sedang menguji alat pencari ranjau otonom (APU) yang menggunakan prinsip-prinsip bionik. meniru gerakan biota laut. Razor memiliki panjang 3 meter dan dapat dibawa oleh dua orang. Elektroniknya mengoordinasikan pekerjaan empat sayap yang mengepak dan dua baling-baling belakang. Gerakan mengepakkan meniru gerakan beberapa hewan, seperti burung dan kura-kura. Hal ini memungkinkan APU untuk melayang, melakukan manuver yang tepat pada kecepatan rendah dan mencapai kecepatan tinggi. Kemampuan manuver ini juga memungkinkan Razor untuk dengan mudah memposisikan dirinya dan melayang di sekitar objek untuk pencitraan 3D.
US Navy Research Agency mendanai pengembangan Pliant Energy Systems dari prototipe untuk kapal selam Velox otonom opsional, yang menggantikan baling-baling dengan sistem sirip seperti kertas multistabil, non-linear, yang menghasilkan gerakan bergelombang seperti jalan berulang. Perangkat mengubah gerakan elektroaktif, bergelombang, sirip polimer fleksibel dengan geometri hiperbolik planar menjadi gerakan translasi, bergerak bebas di bawah air, di ombak ombak, di pasir, di atas laut dan vegetasi darat, di bebatuan licin atau es.
Menurut juru bicara Pliant Energy Systems, gerakan maju yang bergelombang mencegah terjeratnya vegetasi lebat, karena tidak ada bagian yang berputar, sambil meminimalkan kerusakan pada tanaman dan sedimen. Pesawat dengan kebisingan rendah, ditenagai oleh baterai lithium-ion, dapat meningkatkan daya apungnya untuk mempertahankan posisinya di bawah es, sementara itu dapat dikendalikan dari jarak jauh. Tugas utamanya adalah: komunikasi, termasuk GPS, WiFi, radio atau saluran satelit; pengumpulan informasi dan intelijen; pencarian dan penyelamatan; dan pemindaian dan identifikasi min.
Pengembangan nanoteknologi dan struktur mikro juga sangat penting dalam teknologi bionik, yang inspirasinya diambil dari alam untuk mensimulasikan proses fisik atau mengoptimalkan produksi material baru.
Laboratorium Penelitian Angkatan Laut AS sedang mengembangkan perisai polimer transparan yang memiliki struktur mikro berlapis mirip dengan cangkang krustasea chitinous, tetapi terbuat dari bahan plastik. Hal ini memungkinkan material untuk tetap konformal pada berbagai suhu dan beban, yang memungkinkan untuk digunakan untuk melindungi personel, platform stasioner, kendaraan dan pesawat terbang.
Menurut Yas Sanghera, kepala bahan dan perangkat optik di laboratorium ini, pelindung yang ada di pasaran biasanya terbuat dari tiga jenis plastik dan tidak bisa seratus persen menahan peluru 9 mm yang ditembakkan dari jarak 1-2 meter dan terbang dari kecepatan. 335 m / dtk.
Armor transparan yang dikembangkan oleh laboratorium ini memungkinkan pengurangan massa sebesar 40% sambil mempertahankan integritas balistik dan menyerap energi peluru 68% lebih banyak. Sanghera menjelaskan bahwa armor itu bisa sempurna untuk beberapa aplikasi militer, seperti kendaraan yang dilindungi ranjau, kendaraan lapis baja amfibi, kendaraan suplai dan jendela kokpit pesawat.
Menurut Sanghera, laboratoriumnya bermaksud, berdasarkan perkembangan yang ada, untuk membuat pelindung transparan ringan dengan karakteristik multi-dampak dan mencapai pengurangan berat lebih dari 20%, yang akan memberikan perlindungan terhadap peluru senapan kaliber 7, 62x39 mm.
DARPA juga mengembangkan armor Spinel transparan dengan properti unik. Bahan ini memiliki karakteristik multi-dampak yang sangat baik, kekerasan tinggi dan ketahanan erosi, peningkatan ketahanan terhadap faktor eksternal; itu mentransmisikan radiasi inframerah gelombang menengah yang lebih luas, yang meningkatkan kemampuan perangkat penglihatan malam (kemampuan untuk melihat objek di balik permukaan kaca), dan juga beratnya setengah dari berat kaca antipeluru tradisional.
Kegiatan ini merupakan bagian dari program Atoms to Product (A2P) DARPA, yang "mengembangkan teknologi dan proses yang diperlukan untuk merakit partikel skala nano (mendekati ukuran atom) ke dalam sistem, komponen, atau material setidaknya dalam skala milimeter."
Selama delapan tahun terakhir, Badan telah mencapai pengurangan ketebalan pelindung transparan dasar dari sekitar 18 cm menjadi 6 cm, sambil mempertahankan karakteristik kekuatannya, menurut kepala program A2P di DARPA, John Maine. Ini terdiri dari banyak lapisan yang berbeda, "tidak semuanya keramik dan tidak semuanya plastik atau kaca," yang melekat pada bahan pendukung untuk mencegah retak. "Anda harus menganggapnya sebagai sistem pertahanan, bukan sebagai bahan monolitik."
Kaca spinel diproduksi untuk dipasang pada prototipe truk FMTV (Family of Medium Tactical Vehicles) Angkatan Darat Amerika untuk evaluasi oleh Pusat Penelitian Lapis Baja.
Di bawah program A2P, DARPA memberikan Voxtel, Institut Nanomaterial dan Mikroelektronika Oregon, sebuah kontrak senilai $5,59 juta untuk meneliti proses manufaktur yang berskala dari nano ke makro. Proyek bionik ini melibatkan pengembangan perekat sintetis yang meniru kemampuan kadal tokek.
“Di telapak kaki tokek, ada sesuatu seperti rambut-rambut kecil … panjangnya sekitar 100 mikron, yang bercabang dengan keras. Di ujung setiap cabang kecil ada nanoplate kecil berukuran sekitar 10 nanometer. Saat bersentuhan dengan dinding atau langit-langit, pelat ini memungkinkan tokek menempel di dinding atau langit-langit.
Maine mengatakan bahwa produsen tidak pernah bisa meniru kemampuan ini karena mereka tidak bisa membuat struktur nano bercabang.
“Voxtel mengembangkan teknologi produksi yang mereplikasi struktur biologis ini dan menangkap kualitas biologis ini. Ini menggunakan nanotube karbon dengan cara yang benar-benar baru, memungkinkan Anda untuk membuat struktur 3D yang kompleks dan menggunakannya dengan cara yang sangat orisinal, tidak harus sebagai struktur, tetapi dengan cara lain yang lebih inventif."
Voxtel ingin mengembangkan teknik manufaktur aditif canggih yang akan menghasilkan "bahan yang dirakit sendiri menjadi blok yang lengkap secara fungsional, kemudian dirakit menjadi sistem heterogen yang kompleks." Teknik-teknik ini akan didasarkan pada simulasi kode genetik sederhana dan reaksi kimia umum yang ditemukan di alam, yang memungkinkan molekul untuk merakit diri dari tingkat atom menjadi struktur besar yang mampu memasok energi untuk diri mereka sendiri.
“Kami ingin mengembangkan perekat canggih yang dapat digunakan kembali. Kami ingin mendapatkan bahan dengan sifat perekat epoksi, tetapi tanpa sekali pakai dan kontaminasi permukaan, - kata Main. "Keindahan bahan bergaya tokek adalah tidak meninggalkan residu dan langsung bekerja."
Material canggih lainnya yang berkembang pesat termasuk material ultra-tipis seperti graphene dan karbon nanotube, yang memiliki sifat struktural, termal, listrik, dan optik yang akan merevolusi ruang tempur saat ini.
Grafena
Sementara nanotube karbon memiliki potensi yang baik untuk aplikasi dalam sistem elektronik dan kamuflase, serta di bidang biomedis, graphene "lebih menarik karena menawarkan, setidaknya di atas kertas, lebih banyak kemungkinan," kata Giuseppe Dakvino, juru bicara Pertahanan Eropa Agensi (EOA).
Graphene adalah nanomaterial ultra-tipis yang dibentuk oleh lapisan atom karbon setebal satu atom. Grafena yang ringan dan tahan lama memiliki rekor konduktivitas termal dan listrik yang tinggi. Industri pertahanan dengan hati-hati mempelajari kemungkinan penggunaan graphene dalam aplikasi yang membutuhkan kekuatan, fleksibilitas, dan ketahanannya terhadap suhu tinggi, misalnya, dalam misi tempur yang dilakukan dalam kondisi ekstrem.
Dakvino mengatakan graphene “setidaknya dalam teori, bahan masa depan. Alasan mengapa ada begitu banyak perdebatan menarik sekarang adalah karena setelah bertahun-tahun penelitian di sektor sipil, menjadi jelas bahwa itu benar-benar akan mengubah skenario pertempuran.”
“Untuk daftar hanya beberapa kemungkinan: elektronik fleksibel, sistem tenaga, perlindungan balistik, kamuflase, filter / membran, bahan disipasi panas tinggi, aplikasi biomedis dan sensor. Ini sebenarnya adalah arah teknologi utama."
Pada bulan Desember 2017, EAO memulai studi selama setahun tentang kemungkinan aplikasi militer graphene yang menjanjikan dan dampaknya terhadap industri pertahanan Eropa. Pekerjaan ini dipimpin oleh Spanish Foundation for Technical Research and Innovation, dengan University of Cartagena dan perusahaan Inggris Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. Pada Mei 2018, diadakan seminar para peneliti dan pakar graphene, di mana peta jalan penggunaannya di sektor pertahanan ditentukan.
Menurut EOA, “Di antara bahan-bahan yang memiliki potensi untuk merevolusi kemampuan pertahanan dalam dekade berikutnya, graphene menempati urutan teratas dalam daftar. Ringan, fleksibel, 200 kali lebih kuat dari baja, dan konduktivitas listriknya luar biasa (lebih baik dari silikon), begitu pula konduktivitas termalnya."
EOA juga mencatat bahwa graphene memiliki sifat luar biasa di bidang "manajemen tanda tangan". Artinya, dapat digunakan untuk menghasilkan "lapisan penyerap radio, yang akan mengubah kendaraan militer, pesawat terbang, kapal selam, dan kapal permukaan menjadi objek yang hampir tidak terdeteksi." Semua ini membuat graphene menjadi bahan yang sangat menarik tidak hanya untuk industri sipil, tetapi juga untuk aplikasi militer, darat, udara, dan laut."
Untuk tujuan ini, militer AS sedang mempelajari penggunaan graphene untuk kendaraan dan pakaian pelindung. Menurut insinyur Emil Sandoz-Rosado dari US Army Military Research Laboratory (ARL), bahan ini memiliki sifat mekanik yang sangat baik, satu lapisan atom graphene 10 kali lebih kaku dan lebih dari 30 kali lebih kuat dari lapisan serat balistik komersial yang sama. “Langit-langit untuk graphene sangat tinggi. Hal inilah yang menjadi salah satu alasan mengapa beberapa working group di ARL telah menunjukkan ketertarikannya, karena karakteristik desainnya yang sangat menjanjikan dalam hal pemesanan.
Namun, ada juga kesulitan yang cukup besar. Salah satunya adalah penskalaan materi; tentara membutuhkan bahan pelindung yang dapat menutupi tank, kendaraan dan tentara. “Kami membutuhkan lebih banyak lagi. Secara umum, kita berbicara tentang satu juta atau lebih strata yang kita butuhkan saat ini”.
Sandoz-Rosado mengatakan bahwa graphene dapat diproduksi dengan satu atau dua cara, baik melalui proses pengelupasan di mana grafit berkualitas tinggi dipisahkan menjadi lapisan atom yang terpisah, atau dengan menumbuhkan lapisan atom tunggal graphene pada foil tembaga. Proses ini dilakukan dengan baik oleh laboratorium yang memproduksi graphene berkualitas tinggi. “Ini tidak cukup sempurna, tapi cukup dekat dengan itu. Namun, hari ini saatnya untuk berbicara tentang lebih dari satu lapisan atom, kita membutuhkan produk yang lengkap”. Akibatnya, sebuah program baru-baru ini diluncurkan untuk mengembangkan proses produksi graphene skala industri yang berkelanjutan.
“Apakah itu karbon nanotube atau graphene, Anda harus mempertimbangkan persyaratan khusus yang harus dipenuhi,” Dakvino memperingatkan, mencatat bahwa deskripsi formal dari karakteristik material canggih baru, standarisasi proses yang tepat untuk membuat material baru, reproduktifitas proses ini, kemampuan manufaktur seluruh rantai (dari penelitian dasar hingga produksi demonstrasi dan prototipe) memerlukan studi dan pembenaran yang cermat dalam hal penggunaan bahan terobosan seperti graphene dan karbon nanotube di platform militer.
“Ini bukan hanya penelitian, karena bagaimanapun juga, Anda perlu memastikan bahwa bahan tertentu dijelaskan secara resmi dan kemudian Anda harus yakin bahwa itu dapat diproduksi dalam proses tertentu. Tidak begitu mudah, karena proses pembuatannya bisa berubah-ubah, kualitas produk yang dihasilkan bisa berbeda-beda tergantung prosesnya, sehingga prosesnya harus diulang beberapa kali.”
Menurut Sandoz-Rosado, ARL bekerja dengan produsen graphene untuk menilai kelas kualitas produk dan skalabilitasnya. Meskipun belum jelas apakah proses yang berkesinambungan yang pada awal pembentukannya memiliki model bisnis, kapasitas yang sesuai dan apakah dapat memberikan kualitas yang dibutuhkan.
Dakvino mencatat bahwa kemajuan dalam pemodelan komputer dan komputasi kuantum dapat mempercepat penelitian dan pengembangan, serta pengembangan metode untuk produksi bahan canggih dalam waktu dekat. “Dengan desain berbantuan komputer dan pemodelan material, banyak hal dapat dimodelkan: karakteristik material dan bahkan proses manufaktur dapat dimodelkan. Anda bahkan dapat membuat realitas virtual, di mana pada dasarnya Anda dapat melihat berbagai tahap pembuatan materi."
Dakwino juga mengatakan bahwa pemodelan komputer canggih dan teknik realitas virtual memberikan keuntungan dengan menciptakan "sistem terintegrasi di mana Anda dapat mensimulasikan materi tertentu dan melihat apakah materi itu dapat diterapkan di lingkungan tertentu." Komputasi kuantum secara radikal dapat mengubah keadaan di sini.
“Di masa depan, saya melihat lebih banyak minat pada cara manufaktur baru, cara baru membuat material baru, dan proses manufaktur baru melalui simulasi komputer, karena daya komputasi yang besar hanya dapat diperoleh dengan menggunakan komputer kuantum.”
Menurut Dakwino, beberapa aplikasi graphene secara teknologi lebih maju, sementara yang lain kurang. Misalnya, komposit keramik berbasis matriks dapat ditingkatkan dengan mengintegrasikan pelat graphene yang memperkuat material dan meningkatkan ketahanan mekanisnya sekaligus mengurangi beratnya. “Jika kita berbicara, misalnya, tentang komposit,” lanjut Dakvino, “atau, dalam istilah paling umum, tentang bahan yang diperkuat dengan menambahkan graphene, maka kita akan mendapatkan bahan nyata dan proses nyata dari produksi massal mereka, jika tidak besok, tapi mungkin dalam lima tahun ke depan.
“Inilah mengapa graphene sangat menarik untuk sistem proteksi balistik. Bukan karena graphene bisa digunakan sebagai armor. Tetapi jika Anda menggunakan graphene di armor Anda sebagai bahan penguat, maka itu bisa menjadi lebih kuat daripada Kevlar."
Area prioritas, misalnya, sistem dan sensor otonom, serta area militer berisiko tinggi, seperti bawah air, luar angkasa, dan sibernetik, sebagian besar bergantung pada material canggih baru dan antarmuka nano dan mikroteknologi dengan bioteknologi, "siluman" bahan, bahan reaktif dan pembangkit energi dan sistem penyimpanan.
Metamaterial dan nanoteknologi seperti graphene dan karbon nanotube sedang mengalami perkembangan pesat saat ini. Dalam teknologi baru ini, militer mencari peluang baru, mengeksplorasi aplikasi dan hambatan potensial mereka, karena mereka dipaksa untuk menyeimbangkan antara kebutuhan medan perang modern dan tujuan penelitian jangka panjang.
