6 Minutės
Kinijos mokslininkai praneša apie netikėtą kelią radaro maskavimui: ploną, karbonizuotą dangą, gautą iš paprastos augalinės medžiagos. Derindami tradicinę biologinę struktūrą su šiuolaikinėmis nanomedžiagomis, tyrėjų komanda teigia, kad šis plėvelės sluoksnis gali sugerti beveik visas Ku juostos (12–18 GHz) radaro bangas ir potencialiai smarkiai sumažinti orlaivio radaro kryžiaus plotą (RCS). Tokia radaro absorbuojanti danga atveria naujas galimybes tiek karinės aviacijos technologijoms, tiek civilinei elektronikos izoliacijai bei elektromagnetiniam garsui mažinti.
Iš loofos į mažai pastebimą medžiagą
Tyrėjai iš kelių Kinijos mokslo institucijų kartu su China Aerospace Science and Industry Corporation (CASIC) atliko eksperimentinį procesą, kuriuo sausą loofos (luofos) pluoštą – augalinį, tradiciškai naudojamą kaip vonios kempinė – pavertė lengvu, porėtu anglies karkasu. Šio karkaso paviršių mokslininkai padengė nikeliu–kobaltu oksidu (NiCo2O4) sudarytomis magnetinėmis nanodalelėmis, suformuodami kompozitą, pavadintą NCO-2. Gautas sluoksnis yra vos 4 mm storio, tačiau, remiantis tyrimu, paskelbtu žurnale High Power Laser and Particle Beams, jis išspinduliuotą elektromagnetinę energiją Ku juostoje (12–18 GHz) gali absorbuoti daugiau nei 99,99% – rodiklį, kuris yra išskirtinis plonoms dangoms.
Kodėl struktūra svarbi
Pagrindinis sėkmės raktas slypi natūraliame augalo trimačiame celiuliozės pluoštų tinkle. Karbonizuojant šią struktūrą, ji tampa laidžių anglies skaidulų karkasu – itin lengvu, bet mechaniniu požiūriu tvirtu „mikromišku“ kanalių tinklu. Kai elektromagnetinės Ku juostos bangos patenka į tokį porėtą karkasą, jos neina tiesiame atstume per medžiagą: vietoje to vyksta daugybiniai vidiniai atspindžiai ir sklidimo ribotų kanalų labirintuose. Tokiu būdu pailgėja efektyvus bangos interakcijos kelias, didėja sąveika su absorbuojančiomis fazėmis ir pagreitėja energijos praradimas medžiagos viduje.
Elektromagnetinė į šiluminę energiją konversija
- Vidiniai atspindžiai ir daugkartiniai sklidimai prailgina elektromagnetinės bangos kelią per absorbentą, didinant absorbcijos tikimybę ir sąveikos apimtį.
- NiCo2O4 nanodalelės suteikia magnetinių nuostolių mechanizmus: jų magnetinė pralaidumo fazė ir histerezės bei rezonansiniai efektai transformuoja elektromagnetinę energiją į terminę energiją per magnetinius procesus.
- Laidus anglies karkasas užtikrina laisvųjų elektronų judėjimą, o tai sukuria didesnę dielektrinę nuskaidrinimo (dielektrinius nuostolius) ir Joule šiluminį efektą, kai įeinanti radaro energija virtimo šiluma pagalba išsisklaido karkase.
Šių trijų mechanizmų sinergija lemia, kad net itin plonas plėvelės sluoksnis pasižymi išskirtiniu absorbcijos našumu net tada, kai radaro impulsai siunčiami tiesiai iš viršaus. Tai ypač svarbu palydovine baze grindžiamiems Ku juostos jutikliams, kurių kampas priežiūros atžvilgiu dažnai būna vertikalus arba artimas tam.
Veikimas, pasekmės ir skaičiai
Tyrimo autoriai teigia, kad tokios dangos pritaikymas gali reikšmingai sumažinti slaptos oro technikos radaro kryžiaus plotą (RCS). Pavyzdžiui, objektas, kurio vertikalus RCS yra apie 50 kvadratinių metrų, teoriškai galėtų būti sumažintas iki mažiau nei 1 kvadratinio metro – tai reiškia aptikimo žymiai sumažėjusias galimybes palydoviniams radaro jutikliams. Paaiškinant techninį kontekstą: RCS yra standartizuotas matas, apibūdinantis, kiek „dideliu“ radaro atžvilgiu objektas pasirodo; RCS mažinimas keliais laipsniais yra stealth inžinerijos pagrindinis tikslas. Svarbu pabrėžti, kad RCS priklauso ne tik nuo paviršiaus medžiagų savybių, bet ir nuo geometrijos, dažnio, žiūrėjimo kampo ir paviršiaus lygumo.
Praktinėje radarų aptikimo teorijoje sumažinimas nuo 50 m² iki mažiau nei 1 m² gali reikšti aptikimo nuotolio sumažėjimą daug kartų, nes radaro grįžtamojo signalo stipris dažnai priklauso nuo atstumo stipriai (radaro lygtis rodo priklausomybę nuo atstumo ketvirto laipsnio pagal paprastą modelį). Taigi net vienos eilės sumažinimas RCS gali reikšti, kad tuo pačiu radaru aptinkamą objektą reikėtų ieškoti arčiau, arba reikėtų daug jautresnės imties arba didesnio žemo signalo apdorojimo galingumo.
Tuo pačiu verta pažymėti, kad absorbcijos >99,99% Ku juostoje reiškia, jog praktiškai beveik nėra atspindžio ties to diapazono dažniais. Realybėje objekto aptikimo galimybes lemia ir kitos aplinkybės – pavyzdžiui, kai kurios radarų sistemos naudoja kelias dažnio juostas arba aktyviai koreguoja impulsų formą, taigi plataus spektro stealth sprendimai turi atsižvelgti į kelių juostų aptikimą. Nepaisant to, labai efektyvūs, ploni Ku juostos absorbentai gali tapti svarbia viena iš sluoksnių daugiasluoksniuose radaro slopinimo sprendimuose.
Tvarios medžiagos ir perspektyvos
Už karinio pritaikymo ribų šis tyrimas atspindi platesnį tendencijų ratą – aukštos veikimo anglies medžiagų kūrimą iš bio pagrindo gaunamų, tvarių prekursorių. Žemės ūkio atliekų ar augalinių likučių konvertavimas į pažangias funkcinės paskirties medžiagas gali sumažinti gamybos kaštus ir anglies pėdsaką, palyginti su visiškai sintetinėmis alternatyvomis. Tai taip pat sudaro galimybę „cirkulinei ekonomikai“, kurioje atliekos tampa žaliava vertingiems produktams — pavyzdžiui, elektromagnetinio triukšmo (EMI) slopinimo plokštėms, elektromagnetinių bangų absorbciniams sluoksniams antenų aplinkai, anechoic kameras kuriantiems paviršiams arba net radomų (radome) optikai, kur reikia mažinti atspindžius.
Be to, tokios bioanglies struktūros ir jų kompozitai gali būti pritaikyti mažesniems orlaiviams ir bepiločiams dronams, kur svarbu derinti masę, storį ir stealth charakteristikas. Lengvas 4 mm sluoksnis, kuris pasižymi dideliu absorbcijos efektyvumu, ypač pritraukia dėmesį ten, kur svoris ir aerodinaminis profilis yra kritiški reikalavimai.
Tačiau, norint realiai pereiti nuo laboratorinio demonstravimo prie pramoninės gamybos, reikia išspręsti kelis esminius klausimus: gamybos proceso kartotinumas ir kontrolė (reproducibility), medžiagos vienodumas dideliuose ploto fragmentuose, mechaninis ir cheminis atsparumas – ypač eksploatacijos sąlygomis, kur veikia temperatūros svyravimai, UV spinduliuotė, drėgmė, kuro garai, tepalai ir mechaninis dilimas. Taip pat svarbu ištirti, kaip danga sąveikauja su kitomis struktūrinėmis dangomis, klijais ir dažais, ir ar galima integruoti ją į esamas gamybos linijas be reikšmingų modifikacijų.
Galiausiai, šis darbas pabrėžia, kad senovinės ir paprastos natūralios architektūros – tokios kaip loofos pluoštas – gali įkvėpti modernias technologijas. Tradiciniai naudojimo atvejai (pvz., vonios kempinės) iliustruoja struktūrų patvarumą ir universalumą, o mokslo pažanga parodo, kaip perdirbus ir funkcionalizuojant tokius natūralius karkasus galima sukurti medžiagas su sudėtingomis elektromagnetinėmis savybėmis.
Vis dėlto lieka atvirų klausimų: ar tokios dangos atsparumas cheminėms ir aplinkos apkrovoms pakankamas ilgalaikiam naudojimui, ar galima sumažinti gamybos sąnaudas prie didmeninio masto, ir kaip tokios dangos veiktų kituose dažnių diapazonuose (pavyzdžiui, X ar S juostoje). Reikės plataus masto bandymų, ilgalaikių klimato kameros testų ir aerodinaminio eksploatacinio įvertinimo, kad būtų įvertintas medžiagos ilgaamžiškumas ir patikimumas realiomis sąlygomis. Nepaisant to, šis tyrimas yra provokuojantis pavyzdys, kaip paprasta biologinė architektūra kartu su tikslinga nanochemija gali duoti galingas elektromagnetines absorbcines dangas, atveriančias plačias galimybes tiek karinėms, tiek civilinėms technologijoms bei tvarios medžiagų inžinerijos plėtrai.
Šaltinis: smarti
Palikite komentarą