Concurso de ensayos sobre tecnologías emergentes y disruptivas: segundo premio. Patrocinado por MITRE
Ganar la carrera por la invisibilidad
El sigilo infrarrojo, radar, acústico y óptico es la nueva frontera en baja observabilidad, y el ganador de la competencia metamaterial tendrá una enorme ventaja en la próxima pelea.
Por el teniente John D. Miller, US Navy
Actas de octubre de 2019 vol. 145/10/1,400
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| Los metamateriales pueden reducir las firmas infrarrojas y de radar de los aviones al tiempo que disminuyen el peso y mejoran el rendimiento, como en estos aviones conceptuales de la NASA. (CENTRO DE INVESTIGACIÓN AMES DE LA NASA (ELI GERSHENFELD)) |
El profesor John Pendry, físico del Imperial College de Londres, lanzó lo que se ha convertido en una revolución metamaterial. A fines de la década de 1990, descubrió algo radical: podía cambiar las propiedades materiales de un objeto simplemente cambiando su estructura interna, sin alterar su composición química o molecular. Pendry sugirió que construir una estructura reticular compleja podría permitir la manipulación de los campos magnéticos y eléctricos de un objeto. Teóricamente, esto podría permitir a los ingenieros diseñar materiales que puedan controlar sus interacciones con el espectro electromagnético, incluida la luz visible.
La teoría de Pendry dio lugar a un nuevo campo de investigación de material básico: metamateriales y metasuperficies. Estos materiales alcanzan propiedades que exceden las limitaciones naturales y sintéticas previamente aceptadas.1 Parece que los pronósticos sensacionales para una aplicación ya se han hecho realidad. En 2006, David Smith y otros investigadores de la Universidad de Duke anunciaron la creación de una prueba de concepto para una capa de invisibilidad. Usó metamateriales para enmascararse de la radiación de microondas.2 La posibilidad de enmascarar los sistemas y las armas de la detección, haciéndolos invisibles para los sensores, ahora se vislumbra.
En épocas anteriores, las principales innovaciones en la guerra dependían del desarrollo y la aplicación de nuevos materiales y diseños. Los veleros con casco de madera evolucionaron hasta convertirse en buques de guerra de hierro y vapor. La energía del vapor que quema carbón dio paso a la propulsión diesel, turbina de gas, nuclear e híbrida-eléctrica. El aluminio liviano reemplazó a la madera pesada en los fuselajes, ya que los perfiles cambiaron de forma para mejorar el rendimiento supersónico. Cada una de estas evoluciones dependía de un nuevo material o diseño cuyas propiedades superaban las limitaciones de la antigua, mientras permanecían dentro de los límites de las leyes científicas establecidas desde hace mucho tiempo.
Esta vez es diferente. Los metamateriales y las superficies no enfrentan las mismas limitaciones incrementales. En algunos casos, han alterado la comprensión convencional de las leyes de la física. Tanto para la sociedad como para los guerreros, los metamateriales y las superficies ofrecen una amplia gama de posibilidades tecnológicas a corto y largo plazo, así como riesgos. Lo más preocupante para los militares, estas oportunidades están igualmente disponibles para los Estados Unidos y sus adversarios potenciales, y esos adversarios están trabajando duro para aprovechar los avances de los Estados Unidos.
Los basicos
Una aeronave, barco, submarino o arma cubierta por una red metamaterial o meta-superficie puede ser extremadamente difícil de identificar para un adversario contra el aire y el agua circundantes. ¿Pero cómo?
Los metamateriales derivan sus propiedades físicas, eléctricas y magnéticas de su estructura. Aquellos que contribuyen a la invisibilidad electromagnética y acústica se conceptualizan mejor como una red compleja de microchips (metamateriales) o componentes compuestos y/o componentes naturales (metasuperficies) de formas y capas únicas. Típicamente, los elementos reticulares tienen una escala de hasta unos pocos cientos de nanómetros, billonésimas de metro. Debido a que los metamateriales pueden remodelar dinámicamente sus campos eléctricos y magnéticos asociados, pueden alterar la forma en que varias ondas de energía (radar, microondas, infrarrojos, visibles y acústicas) interactúan con ellos. Es decir, cambian la forma en que se absorben, reflejan, dispersan, refractan y amplifican diversas formas de energía. Por lo tanto, los metamateriales controlan la energía de formas radicalmente nuevas.
La física básica es la base del diseño de metamateriales.3 Cuando una onda de energía viaja a través de un medio (por ejemplo, espacio, aire, agua, vidrio), cruza un límite e interactúa con otro medio, la onda se refracta (se dobla). Piense en la luz que se dobla cuando pasa a través de un prisma. Este fenómeno se conoce como la Ley de Snell. Cuando esta onda encuentra un objeto, partes de la onda se reflejan, dispersan o absorben. Por ejemplo, cuando la luz golpea un automóvil, algo se absorbe, pero lo que refleja nos permite ver el automóvil y nos dice de qué color es. Debido a que la mayoría de los sensores miden la reflexión y/o la absorción de la energía emitida, lograr una reflexión y absorción cercanas a cero sería el estado final de la tecnología sigilosa perfecta: toda la energía del sensor emitida se devuelve, excepto las pérdidas ambientales esperadas.4
Los metamateriales pueden controlar la absorción y la refracción de energía alrededor de un objeto gracias a varias propiedades únicas. Uno de los descubrimientos más sorprendentes relacionados con los metamateriales es que pueden tener un "índice de refracción" negativo, que es una forma de describir cuánto cambia una onda de energía la velocidad y la dirección cuando viaja a través de un material específico. Hasta 1967, se creía que todos los materiales reales debían tener índices de refracción positivos. Esta característica permite que los metamateriales refracten de manera controlable las ondas en la dirección opuesta de los materiales y medios naturales. Otra propiedad se refiere a cómo la forma, el tamaño y la configuración de las celdas unitarias determinan su permitividad (eléctrica) y permeabilidad (magnética): cómo un campo eléctrico o magnético interactúa con su entorno.5 Al cambiar estos campos, los metamateriales y las metasuperficies pueden alcanzar una variable continua propiedades a lo largo de sus estructuras. Este rasgo les permite redirigir y dispersar las ondas de energía de diferentes maneras en todo el material.
El desafío de la escala
Los metamateriales siguen siendo una tecnología relativamente nueva. Han existido durante solo 20 años, pero han logrado enormes avances. Si bien su potencial es inmenso, escalar la tecnología es difícil. El diseño de metamateriales requiere componentes a nanoescala para manipular longitudes de onda en las partes infrarroja y visible del espectro electromagnético. Esta limitación desafía la capacidad de los ingenieros para mover sus aplicaciones más allá de las ondas de radio, micro e infrarrojos hacia las longitudes de onda más largas que conforman el espectro visible.
Una capa dada de red metamaterial puede controlar y/o manipular solo una longitud de onda específica; diferentes materiales deben estar en capas para impactar un espectro más amplio. Pero la estratificación aumenta la complejidad y el grosor general del material, lo que afecta negativamente a la aplicación. La industria necesitará desarrollar nuevas capacidades en la impresión de placas de circuito personalizadas para cumplir con los requisitos de diseño.
Aplicaciones
Comunicaciones. Al aumentar la agilidad y la redundancia del espectro electromagnético, las antenas basadas en metamateriales pueden ayudar a garantizar el comando y el control en apoyo de la guerra de maniobras electromagnéticas. Dichas antenas reducen el tamaño, aumentan la potencia de salida, mejoran la direccionalidad y aumentan el rango de frecuencias posibles para una sola antena. Al reemplazar las antenas de radio convencionales con matrices escaneadas electrónicamente (también conocidas como matrices en fase), la fuerza conjunta puede introducir capacidades de comunicación avanzadas para unidades y grupos pequeños. La mayor potencia y direccionalidad de las antenas permiten que los diseños de metamateriales superen las capacidades de interferencia de espectro completo, al menos parcialmente. En esencia, "recompran" porciones del espectro del adversario. En lugar de depender de una conexión satelital direccional, estas antenas pueden "atrapar" transmisiones desde cualquier ángulo. Además, permiten cambios rápidos y casi continuos en la frecuencia para proporcionar capacidad anti interferencia adicional. Este tipo de control a través del espectro electromagnético sería un facilitador de misión crucial.
Óptica. Los metamateriales desafían el límite de difracción óptica de los materiales. El límite de difracción es la separación angular mínima requerida entre dos puntos para que un sensor los distinga. Tradicionalmente, la difracción —la curva de las ondas de energía alrededor de las esquinas, como las olas del océano alrededor de un bote amarrado— ocurre cuando pasan a través de la abertura del sensor. Las superlentes metamateriales superan esta limitación al obligar a la onda de energía a doblarse de nuevas maneras, controlando la dispersión a través de la refracción negativa.6 El aumento de la resolución óptica de un dispositivo electroóptico (EO) o infrarrojo (IR) permite una mayor fidelidad para la recolección durante más tiempo, rangos y en franjas más grandes del espacio de batalla. Más importante, estos sensores se pueden miniaturizar para su instalación en sistemas tripulados y no tripulados más pequeños. También proporcionan la capacidad de observar estructuras a nanoescala visualmente. Un dispositivo óptico que podría hacerlo tendría aplicaciones significativas en la detección rápida de amenazas químicas, biológicas y radiológicas o incluso fugas de gases tóxicos en los barcos. Desde tropas en tierra hasta aviones y barcos, la mejora en la óptica aumentaría sustancialmente la conciencia del espacio de batalla, la toma de decisiones y la seguridad.
Armas. Para armas guiadas con precisión con buscadores EO o IR, una resolución mejorada podría permitir la identificación de objetivos y la discriminación a distancias extendidas, aumentando la efectividad de las armas inteligentes. También promete mejorar la precisión de los sistemas defensivos actuales de EE. UU., incluidos los misiles Standard, Patriot, interceptores terrestres, Hellfire (AGM-114) y Sidewinder (AIM-9). Más allá de los buscadores, las capas de metasuperficie de los misiles podrían cambiar la próxima generación de municiones, lo que le permitiría evitar ser detectados por sistemas integrados de defensa aérea o aeronaves, una aplicación potencial significativa (los diseños de estos buscadores y capas deberán ser abiertos y modulares para tener en cuenta los avances adversos en metamateriales y metasuperficies). La mejora combinada de sensores de armas y diseño hará que el uso de metamateriales para encubrir o camuflar barcos, aviones y submarinos sea aún más importante.
Acústica. La investigación inicial sobre metamateriales se centró en los fenómenos electromagnéticos, pero una investigación más reciente ha investigado las aplicaciones de metamateriales en acústica.7 La física de la propagación del sonido en el agua es más desafiante que en el aire, gracias a la densidad del agua y la capacidad limitada de compresión. No obstante, los investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania en 2018 revelaron que habían diseñado una pirámide de acero perforada de tres pies de altura que era efectivamente invisible para las frecuencias de sonar de banda ancha, una "capa de tierra acústica" que puede amortiguar las emisiones de sonido o incluso enmascarar un objeto por completo. 8 En el dominio submarino, la capacidad de evitar la detección depende de derrotar el sonar activo y pasivo. La amortiguación del sonido metamaterial proporcionaría la posibilidad de enmascarar el ruido propio de los barcos y los submarinos. Los metamateriales mecánicos también ofrecen oportunidades similares no solo para enmascarar la acústica, sino también para almacenar energía y gestionar las huellas térmicas. Al igual que el sigilo para los aviones, el enmascaramiento acústico de barcos, submarinos, minas o vehículos submarinos no tripulados proporcionaría una importante ventaja de combate de guerra al revitalizar la sorpresa como un principio de guerra. Este tipo de tecnología de amortiguación ya está en prototipo y pronto podría probarse en el campo.
Avance para ganar
Con usos de dominio cruzado y espectro cruzado, los metamateriales ofrecen una multitud de oportunidades para dominar el campo de batalla. Su amplia aplicación a plataformas, sensores y armas habla del potencial transformador de los metamateriales. El desafío es mantener el ritmo de cualquier adversario cuya resolución refleje una misión nacional para dominar el campo de los metamateriales. Estados Unidos debe fortalecer su propia empresa de defensa para enfrentar este desafío. En particular, el Departamento de Defensa debe involucrar a combatientes de guerra, científicos e ingenieros de toda la industria, el gobierno y la educación superior para aprovechar la frontera de las aplicaciones de metamateriales y, al mismo tiempo, crear capacidad sostenible. Mediante la integración de los usuarios finales, las capacidades de creación de prototipos, el desarrollo y la liberación de capacidades incrementales y la creación de sistemas modulares y abiertos, la Armada y el Departamento de Defensa pueden lograr agilidad en el campo de las aplicaciones de metamateriales y aumentar la letalidad de la fuerza. Estas aplicaciones deben ser estrictamente controladas, vigilando de cerca a los adversarios. El futuro de estos materiales es ahora.
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1. Fred Hapgood y Andrew Grant, "Revolución metamaterial: la nueva ciencia de hacer desaparecer cualquier cosa", Discover, abril de 2009.
2. D. Schurig, J. J. Mock, B. J. Justice, S. A. Cummer, J. B. Pendry, A. F. Stass, D. R. Smith, "Capa electromagnética metamaterial a frecuencias de microondas", Science 314, 5801 (10 de noviembre de 2006).
3. Este proceso a menudo se denomina óptica de transformación.
4. Balamati Choudhury y R. M. Jha, "Una revisión de las capas de invisibilidad metamateriales", Computers, Materials & Continua 33, 3 (2013): 275.
5. Zi Jing Wong, Yuan Wang, Kevin O'Brien, Junsuk Rho, Xiaobo Yin, Shuang Zhang, Nicholas Fang, Ta-Jen Yen y Xiang Zhang, "Metamateriales ópticos y acústicos: superlentes, índice de refracción negativa y capa de invisibilidad, ”Journal of Optics 19, 8 (julio de 2017): 1; en ciencia acústica, tanto la densidad de masa como el módulo de masa determinan el índice de refracción.
6. Wong et al., "Metamateriales ópticos y acústicos", 4.
7. Michael R. Haberman, “Metamateriales acústicos”, Acoustics Today (otoño de 2016).
8. Acoustical Society of America, "Capa acústica submarina diseñada para el suelo: material de ingeniería de investigadores con propiedades que normalmente no se encuentran en la naturaleza, ocultando objetos de las ondas de sonido", Science Daily, 10 de mayo de 2018.
9. "El futuro es ahora" es el eslogan de la compañía para el Instituto de Tecnología Avanzada de Kuang-Chi, el principal centro de investigación y desarrollo de metamateriales en la República Popular de China.
Extraño metal líquido estirable desarrollado (¿por ingeniería inversa?) en Wright-Patterson AFB
por Paul Seaburn
Cuando se trata de OVNIs, los que realmente saben, llamémosle el Conocimiento Profundo, saben que nadie iba a descubrir mucho asaltando el Área 51. Eso no se debe a la seguridad sino a la realidad de que las supuestas naves espaciales estrelladas y los extraterrestres vivos o muertos no están en Nevada sino en Ohio, específicamente en la Base de la Fuerza Aérea Wright-Patterson, en Dayton. Si se está llevando a cabo cualquier ingeniería inversa de tecnología extraterrestre, está sucediendo allí. Es por eso que deberíamos prestar mucha atención a un anuncio reciente de que los científicos de la Fuerza Aérea en WPAFB han desarrollado un metal líquido que se vuelve más fuerte y un mejor conductor cuando se estira, exactamente lo contrario de todos los demás materiales conductores conocidos. ¿De esto están hechas las naves espaciales? ¿O los alienígenas tipo Terminator?
“Normalmente, un material aumentará su resistencia a medida que se estira simplemente porque la corriente tiene que pasar por más material. Experimentar con estos sistemas de metal líquido y ver la respuesta opuesta fue completamente inesperado y francamente increíble hasta que entendimos lo que estaba sucediendo”.
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Crédito: Second Bay Studios
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“Las partículas núcleo-cubierta de metal líquido con ligandos de acrilato unidos a la superficie se sintetizan y polimerizan juntas para crear redes de partículas reticuladas que comprenden >99.9% de metal líquido en peso. Cuando se estiran, las partículas dentro de estas redes de metal líquido polimerizado (Poly-LMN) se rompen y liberan su carga útil de metal líquido, lo que resulta en un aumento rápido de 108 veces en la conductividad de la red. Estas redes forman de forma autónoma estructuras jerárquicas que mitigan los efectos nocivos de la tensión en el rendimiento electrónico y dan lugar a propiedades emergentes. Las características notables incluyen resistencias casi constantes sobre grandes deformaciones, memoria de deformación electrónica y aumento de la conductividad volumétrica con deformación a más de 20 000 S cm-1 a> 700% de alargamiento".
En un artículo técnico publicado en la revista Advanced Materials, Tabor y el autor principal, el Capitán Carl Thrasher, químico investigador de la Dirección de Materiales y Manufactura de AFRL, explican cómo las partículas de metal líquido están encerradas en un caparazón y luego atadas químicamente al siguiente a través de un proceso de polimerización, uniéndolos a todos. Bajo tensión, los depósitos se rompen, liberando el líquido que rápidamente vuelve a unir sus partículas para mantener la conductividad del material y la capacidad de estiramiento inherente. Según el informe, no se detecta fatiga después de 10.000 ciclos de estrés.
"Esto es algo que no está disponible en el mercado hoy en día, por lo que estamos muy emocionados de presentar esto al mundo y correr la voz".
¿O se está reintroduciendo? El Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea es el principal centro de investigación y desarrollo científico de la Fuerza Aérea y "desempeña un papel integral en el liderazgo del descubrimiento, desarrollo e integración de tecnologías de combate de guerra asequibles para nuestra fuerza aérea, espacial y ciberespacial". Con base en WPAFB, se encuentra en el lugar de nacimiento de los vuelos tripulados y el corazón de la investigación de los vuelos aéreos militares desde la Primera Guerra Mundial (como McCook Field). Y, como lo sabe el Conocimiento Profundo y cualquiera que haya visto la reciente serie Proyecto Libro Azul o haya leído los libros sobre él, se rumorea que es donde los pilotos alienígenas y sus OVNIs estrellados son llevados y... ¿rediseñados?
Esto no es para descartar el buen trabajo que los científicos militares están haciendo en el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea. Sin embargo, en esta era de Tom DeLonge y To The Stars Academy en asociación con el Ejército de los EE. UU. para compartir materiales OVNI, divulgación militar de encuentros y más, ¿está mal cuestionar la fuente de los inventos militares que se describen como "increíbles"?
¿Lo sabremos alguna vez?
https://mysteriousuniverse.org/2019/10/strange-stretchable-liquid-metal-developed-reverse-engineered-at-wright-patterson-afb/?fbclid=IwAR15XQz3xvuRfmDDCzn1D4AQ4UlfX6w6UJPTmPD3z1vfYH3P0H-qHNsvosQ
Modificado por orbitaceromendoza
