Wojna w Iraku wpływa na powstanie takiej ilości innowacji w dziedzinie technologii materiałowej, że może pod tym względem konkurować z postępem, jaki dokonał się podczas II Wojny Światowej.
Stryker Mobile Gun System, wyposażony w armatę kalibru 105 mm, wykorzystuje szkło pancerne S-2 w celu zmniejszenia wagi.
Żołnierz przyszłości będzie nosić na sobie kombinację lekkich, nanoskalowych materiałów, które zapewnią mu ochronę przed pociskami i odłamkami, zasilanie z energii słonecznej i będą wyposażone w systemy elektroniczne, monitorujące funkcje życiowe i w razie potrzeby mogą być pomocne.
Wysiłki mające na celu stworzenie bardziej zaawansowanego technicznie wyposażenia dla żołnierzy oraz pojazdów bojowych są motorem tworzenia nowych technologii materiałowych, które mogą konkurować z rewolucją, jaka miała w tej dziedzinie miejsce podczas II Wojny Światowej – wtedy to narodził się nowoczesny przemysł tworzyw sztucznych.
Jednym z ambitnych celów jest zmniejszenie wagi i stopnia skomplikowania ekwipunku przenoszonego przez współczesnego żołnierza, który – w zależności od charakteru zadania – może ważyć nawet około 63 kG. Współczesny pluton armii amerykańskiej potrzebuje prawie 900 baterii.
– Armia traktuje żołnierza jak choinkę –, twierdzi Edwin Thomas, który niedawno inaugurował powstanie Instytutu ds. Nanotechnologii do Użytku Wojskowego na MIT (MIT Institute for Soldier Nanotechnologies), finansowanego przez Departament Obrony, MIT i firmy prywatne, w tym DuPont i Raytheon. – Ktoś wynalazł jakiś fajny gadżet i mówił ‘masz, nieś to’. Potem ktoś inny też wynalazł coś fajnego i mówi ‘to też nieś’. A tak na marginesie, to urządzenie potrzebuje specjalnych baterii, które musisz kupować od nas –, opowiada.
Wojskowa lista życzeń
Podstawą istnienia ośrodka MIT – współpracującego z Inżynieryjnym Centrum Badawczo-Rozwojowym armii amerykańskiej (U.S. Army Soldier Research Development and Engineering Center) – jest opracowanie produktów, które byłyby małe i zintegrowane. I te cele naprawdę robią wrażenie. Poniżej wymieniono tylko kilka przykładów pochodzących z liczącej 80 stron listy rzeczy jakie potrzebuje wojsko:
-
Nowe polimery o poprawionych właściwościach mechanicznych przy rozciąganiu, które mogą poprawić ochronę przez pociskami i odłamkami i zmniejszyć wagę w porównaniu z obecnie używanymi systemami ochrony osobistej. Jednym z celów są ciekłokrystaliczne włókna polimerowe.
-
Nowe materiały do pochłaniania energii i zarządzania chłodzeniem hełmów za pośrednictwem przepuszczalności pary.
-
Ulepszone, lekkie, zintegrowane urządzenia komunikacyjne.
-
Ochrona przez zagrożeniami natury chemicznej i biologicznej.
-
Wkomponowanie nowatorskich materiałów odpornych na palenie się w tanie włókna w celu ochrony przed płomieniami i wysoką temperaturą.
-
Opracowanie tkanin chroniących żołnierzy przed wykryciem przez czujniki podczerwieni i czujniki innego typu używane przez przeciwnika.
-
Opracowanie noszonych na ciele systemów interaktywnych, które integrują elektronikę w ubiór ochronny.
-
Urządzenia wspomagające, pozwalające żołnierzom działającym w polu walki przenosić większe ładunki.
-
Baterie słoneczne i ogniwa paliwowe, które żołnierze mogą nosić jak ubranie. Wojsko potrzebuje urządzeń zasilających wytwarzających moc na poziomie 20 do 30 W. Ogniwa nie mogą ważyć więcej niż 0,6 kG.
Na krótszą metę, podejmowane są wysiłki mające na celu opracowanie lżejszych systemów służących do ochrony przed pociskami i odłamkami, przeznaczonych zarówno dla żołnierzy, jak i pojazdów. Nastąpiło zwiększenie aktywności w dziedzinie nowych, zaawansowanych technicznie kompozytów. Żołnierze i pojazdy, które trafiły na początku do Iraku miały niewystarczającą ochronę balistyczną.
– Porównuję to, co się dzieje w Iraku do tego, co zaszło w przemyśle lotniczym i kosmonautycznym –, stwierdza Doug Mattscheck, prezes i dyrektor generalny AGY, producenta szkła specjalnego z siedzibą w Alken (Południowa Karolina). – Inżynierowie optymalizują projekty, wybierając coraz bardziej zaawansowane technicznie kompozyty jako rozwiązania materiałowe do konkretnych zastosowań. To samo dzieje się w sektorze obronności, ponieważ potrzebne są pewne właściwości fizyczne i bardzo mała waga.
Stal i aluminium w odwrocie
Trzy czołowe kompozyty to materiały wzmocnione włóknem aramidowym (takie jak Kevlar), kompozyty z polietylenu bardzo wysokomolekularnego (ultra-high molecular weight polyethylene – UHMWPE) oraz szkło pancerne S-2, które zastosowano także na dużą skalę w Boeingu 787 Dreamliner. Innym przykładem jest Stryker Mobile Gun System produkowany przez General Dynamics, którego zdjęcie można znaleźć na stronie 25. W chwili obecnej, producenci wszystkich trzech materiałów w znaczny sposób zwiększają zdolności produkcyjne, by zaspokoić rosnący lawinowo popyt.
Jednym z takich nowych, poszukiwanych materiałów jest Dyneema UHMWPE, o którym mówi się, że jest do 15 razy mocniejszy od wysokiej jakości stali i nawet o 40 procent mocniejszy od włókien aramidowych. Firma Composix, amerykański producent opancerzenia dla pojazdów, wykorzysta to włókno do produkcji zaawansowanego technicznie systemu opancerzenia dla około 1.000 pojazdów. Kompozyt składa się z kilku warstw, zaś kierunek włókien w każdej warstwie jest odchylony o 90 stopni w stosunku do kierunku ułożenia włókien w warstwach sąsiednich. Royal DSM N.V. zwiększa o 25 procent zdolność produkcyjną swojego zakładu w Greenville (Północna Karolina), produkującego płyty kuloodporne UniDirectional z Dyneema.
Kolejnym poważnym graczem w dziedzinie produktów z UHMWPE są produkowane przez Honeywell materiały zawierające włókno Spectra.
– Włókno Spectra jest 15 razy mocniejsze niż stal, ale wystarczająco lekkie, żeby utrzymać się na powierzchni wody –, twierdzi rzecznik firmy Honeywell. Firma ta zakończyła modernizację kilku linii produkcyjnych, aby wytwarzać włókno używane do produkcji Spectra Shield II. Jednocześnie planuje dodatkowe inwestycje, by móc zaspokoić rosnący popyt.
Super polietylen
UHMWPE jest najlżejszym – i najdroższym – z nowych rozwiązań materiałowych.
Następne w kolejności na skali cenowej jest włókno aramidowe, najlepiej znane pod nazwą DuPont’s Kevlar. DuPont zwiększa moce produkcyjne wytwarzającego Kevlar zakładu w Richmond o 25 procent, co jest największym tego typu posunięciem od roku 1965, kiedy to materiał ten pojawił się na rynku. Systemy włókien wykorzystywane są w używanej przez wojsko kamizelce kuloodpornej znanej pod nazwą Interceptor Body Armor System, która waży niecałe 7,5 kG, czyli około 3,6 kG mniej od kamizelki przeciwodłamkowej używanej jako pancerz osobisty. Głównym elementem składowym nowego systemu są płyty ceramiczne wykonane z tlenku boru. Zewnętrzna kamizelka taktyczna wykonana jest ze splotu kevlarowego, podczas gdy elementy ceramiczne mają podkład Spectra Shield. Po inwazji na Irak, wojsku brakowało systemów z płytami ceramicznymi, co wpłynęło na ogromny wzrost produkcji. Ceradyne, na przykład, otrzymało zamówienia warte 28 mln dolarów na wkładki ceramiczne w ramach wartego 461 mln dolarów kontraktu na wkładki do Interceptor Body Amor.
Kolejnym pilnie potrzebnym artykułem jest ognioszczelny, nietoksyczny strój.
W zeszłym roku, Korpus Amerykańskiej Piechoty Morskiej (U.S. Marine Corps), zabronił stosowania odzieży wykonanej z materiałów syntetycznych, takich jak nylon i poliester, przez żołnierzy w Iraku z powodu przypadków poważnych poparzeń, jakie miały miejsce, gdy żołnierze byli narażeni na działanie wysokiej temperatury i płomieni. W niektórych przypadkach, ubranie topiło się i przylepiało do skóry. U.S. Army Soldier Systems Center w Natick (Massachusetts) współpracuje z Amerykańskim Zrzeszeniem Przemysłu Wełnianego (American Sheep Industry Assn.) oraz Amerykańską Komisją Wełny (American Wool Council) w celu opracowania rodziny wełnianych, trudnopalnych tkanin i dzianin.
Carole Winterhalter, specjalista ds. tekstyliów w SSC mówi, że nowe materiały nadają się do produkcji mundurów bojowych i innych typów odzieży ochronnej i będą kosztowały mniej niż istniejące wojskowe tkaniny trudnopalne. Trudnopalna dzianina wykonana w 50 procentach z wełny i w 50 procentach z aramidu będzie wykorzystywana do produkcji bielizny, rękawic i nakryć głowy. Dodanie wełny do aramidu zapewni dodatkową wygodę przy jednoczesnym zachowaniu ochrony przed temperaturą, jaką daje w 100-procentach aramidowa tkanina. Zastosowanie wełny obniży także koszt materiału.
Co przyniesie przyszłość
Wojsko amerykańskie życzy sobie, by następna generacja pancerzy osobistych zapewniała ochronę przed pociskami i odłamkami, a także miała wbudowane dodatkowe funkcje.
Jednym z najważniejszych celów są tkaniny wykonane z włókien posiadających różne funkcje. Można byłoby na przykład wyprodukować nici, które łączyłyby dodatnie i ujemne bieguny baterii i elektrolity, po czym wszyć je w mundury. System fotoogniw dałoby się także stworzyć ze specjalnie zaprojektowanych polimerów. Jednym z kluczowych elementów tej metody jest nowa, zaawansowana technicznie maszyna stworzona przez firmę o nazwie Hills, mieszczącą się w West Melbourne Hills, (Floryda), która jest w stanie połączyć trzy włókna polimerowe lub metalowe w skomplikowane formy tkane. U.S. Army Soldier Systems Center ma otrzymać jedną z takich maszyn na początku tego roku.
Włókno z rdzeniem metalowym wytwarzane przez firmę Hills jest normalnym włóknem polimerowym z rdzeniem z prawdziwego metalu. Do produkcji tego włókna można wykorzystać każdy polimer przędny w stanie roztopionym. Zawartość metalu może wynosić zaledwie 1 procent.
Włókno to jest przędzone przy udziale niskotopliwego stopu, który wyciskany jest wraz z polimerem bezpośrednio do rdzenia włókna. Jako, że rdzeń wykonany jest z prawdziwego metalu, jego przewodność jest 1.000 większa niż przewodność standardowych, wypełnianych węglem włókien przewodzących, więc jest on lepszym materiałem zastępczym w zastosowaniach, w których wymagane są właściwości antyelektrostatyczne. Oprócz tego, srebrny kolor materiału umożliwia zastosowanie go we wszystkich kolorach, bez obaw o „zanieczyszczenie” koloru. Włókno można także zastosować w tkaninach refleksyjnych RADAR, tkaninach elektronicznych, mikroinstalacjach przewodowych i mikrourządzeniach medycznych.
Inny pomysł to opracowanie munduru, który mógłby spełniać także rolę opatrunku. Jedną z koncepcji, jaką rozważano dość wcześnie w MIT Center było opracowanie nogawki od spodni, która byłaby elastyczna przez większość czasu, a sztywniała w momencie, gdy żołnierz odniósł obrażenia i potrzebował usztywniającego bandaża. Pomysł ten pojawił się w wyniku spotkań z jednym z partnerów MIT, znanym kompleksem szpitali w Bostonie. W pustych w środku włóknach umieszczono by maleńkie cząsteczki magnetyczne. Płyny te dałoby się zamienić w ciało stałe poprzez uaktywnienie pola magnetycznego. – Przekształcenie fazy super paramagnetycznej może zajść w przedziale wielkości około 5 lub 10 nanometrów –, twierdzi Edwin Thomas, dyrektor Wydziału Materiałoznawstwa i Inżynierii Materiałowej na MIT. – Jeśli moglibyśmy uzyskać wielkości tuż poniżej tego limitu, byłyby super paramagnetyczne. Jeśli dałoby się zmienić skład chemiczny cząstek, można by za pomocą reakcji chemicznych zmienić ich stan z paramagnetycznego na magnetyczny. Moglibyśmy w takim stroju wywołać reakcję chemiczną, która spowodowałaby zmianę ze stanu ciekłego na stały i odwrotnie. A potem można by odwrócić kierunek reakcji. To szalone, futurystyczne pomysły, ale nie naruszają one żadnego prawa fizyki.
dn
