Статья: Научные и технологические тренды: 2020–2040 гг.: перспективы научно-технического развития (доклад организации НАТО по науке и технологиям, 2020 г.)

В таблице 7. представлены: области перспективных исследований в области биотехнологий, оценка их потенциального воздействия на сферу обороны и безопасности, технологический уровень и ожидаемые сроки массового распространения.

Таблица 7 Области перспективных исследований биотехнологий

8. Новые материалы и производство

Современные (новые) материалы - это искусственные материалы с уникальными и новыми свойствами. Современные материалы могут быть изготовлены с использованием методов, заимствованных из нанотехнологий или синтетической биологии. Разработка может включать в себя покрытия с высочайшей термостойкостью, высокопрочную броню корпуса или платформы, стелс-покрытия, сбор и хранение энергии, сверхпроводимость, передовые датчики и дезактивацию, массовое производство продуктов питания, топлива и строительных материалов. Исследования графена, других новых двумерных и топологических материалов являются весьма перспективной областью, пользующейся растущим интересом. Аддитивное производство, которое часто используется как синоним трехмерной печати, представляет собой процесс создания почти любого трехмерного твердого объекта из цифровой модели путем послойного добавления материалов. Аддитивное производство может быть использовано для быстрого прототипирования, производства и ремонта военной техники в полевых условиях, а также производства нестандартных или уникальных деталей.

Исследования в области новых материалов и их производства в значительной мере определяют успех 4 промышленной революции, и ожидается, что это положение будет сохраняться. В течение следующих 20 лет три основные технологии в этой области будут прорывными:

1) Новые материалы;

2) аддитивное производство;

3) энергетика.

Исследование новых материалов и передового производства - это обширная область, затрагивающая уникальные и удивительные свойства двумерных материалов, новые трехмерные методы производства продукции, уникальное проектирование, интеллектуальные материалы, квантовые моделирование и имитацию, нанотехнологии и биопроизводство. Они имеют широкий спектр применения. Одним из наиболее революционных является создание новых способов производства и хранения энергии.

Революция в исследованиях материалов произошла с момента создания графена, а затем - топологических изоляторов и дихалькогенидов переходных металлов. Графен - это новый углеродный материал с широким спектром уникальных механических, физических, химических и электрических свойств, не встречающихся ни в одном другом известном материале. Он химически стабилен, нетоксичен, легок и относительно прост в производстве из доступного сырья. Индивидуальные свойства графена превосходят свойства обычных материалов и комбинация этих свойств уникальна. Это приведет к значительному улучшению материалов для применения в аэрокосмической промышленности (композитные конструкции), высокочастотной электронике (терагерцовая, радиолокационная, охлаждающая), функциональных покрытиях (антиобледенительная, антикоррозионная защита), накопителях энергии (батареи, ультраконденсаторы), камуфляже (радиолокационные поглотители), оружейных технологиях (энергетика, ракеты), защите (броня, текстиль), датчиках (фотоприемники, датчики давления/деформации, химические) и портативных устройствах (дисплеи).

Другие новые двухмерные материалы, такие как фосфорен, гексагональный нитрид бора и дихалькогениды переходных металлов также характеризуются свойствами. Исследования и разработки в этой области проводятся по всему миру, но ведущая роль принадлежит Китаю, а также Южной Корее. В январе 2013 года графен был определен как один из двух флагманских проектов будущего и новых технологий Европейского союза с бюджетом 1 млрд. евро в течение 10 лет, что является самой значительной исследовательской инициативой в истории Европы.

Свойства этих новых материалов могут стать решающими факторами для разработки целого ряда перспективных технологий. Однако применение их в военной сфере в течение ближайших 10-15 лет, скорее всего, будет носить эволюционный характер, на основе сочетания новых материалов между собой и с традиционными материалами. Эксперименты с графеновыми листами выявили их уникальные электрические свойства (сверхпроводимость), а также возможность их использования в биодатчиках. Можно ожидать появления следующих новых технологий и приборов:

- Интеграция с обычными полупроводниковыми приборами для улучшения инфракрасного фотодетектора для тепловизионной съемки или широкополосной связи;

- детекторы биологических и химических боевых действий;

- барьеры для специфических биохимических молекул;

- проводящие мембраны для гибкой или печатной электроники;

- высокоскоростная электроника для поддержки развития изображений и дальности (радар), а также терагерцовых частот связи;

- охлаждение электроники;

- графеновая оптоэлектроника и фотоника для солнечных панелей, сенсорных экранов, фотоприемников и сверхбыстрых лазеров.

Современные исследования двухмерных материалов проводятся в весьма широком спектре: от производства и хранения энергии до оптоэлектроники и биохимического зондирования, а также гибких, легких, но механически прочных тканей и проводящих полимеров. В настоящее время в промышленности проводятся испытания по применению графена в различных технологиях, имеющих отношение к таким отраслям, как электроника, медицина, аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение, хранение энергии, опреснение воды, композиты, покрытия и краски, солнечные технологии, нефть и связь.

С точки зрения обороны основное внимание может быть сосредоточено на технологиях, которые обеспечат ключевые преимущества для НАТО, скорее всего, в оптоэлектронике. В целях обороны могут использоваться и другие материалы. Кремний, хотя и хорошо изучен и широко применяется, обладает дополнительными свойствами или состояниями, представляющими интерес (черный кремний, микроструктурный кремний, который хорошо поглощает видимый и инфракрасный свет и может использоваться в производстве фотоприемников, систем ночного видения и солнечных панелей). Топологические материалы - класс квантовых материалов, квантовые состояния которых неестественно стабильны при изменениях окружающей среды (например, топологические изоляторы представляют особый интерес в связи с необычным сочетанием изолирующих и проводящих свойств).

Аддитивное производство (3D-печать) осуществляется с помощью аддитивного материального процесса, при котором последовательные слои материала укладываются в различных формах, что отличает ее от традиционных методов удаления материала или механической обработки, которые основаны на резке, фрезеровании или сверлении (субтрактивные процессы). Аддитивное производство уже оказывает сильное влияние на коммерческое производство и цепочки поставок. Полученные в результате материалы могут обладать уникальными свойствами, которые не могут быть получены с использованием традиционных методов. Промышленность США лидирует в развитии 3D-печати, при этом мировой рынок 3D-печати вырастет с 5,8 млрд. долларов США в 2016 году до 55,8 млрд. долларов США к 2027 году.

Современные методы 3D-печати в основном применимы для ограниченных серий производства, специализированных конструкций или прототипирования и становятся все более популярными как на индивидуальном, так и на промышленном рынке в силу повышения доступности. Примерно две трети американских производителей уже внедрили 3D-печать, а около 50% используют ее для прототипирования и конечных продуктов.

Тем не менее, системы аддитивного производства еще не достигли уровня зрелости, необходимого для замены традиционных методов полноразмерного промышленного производства. Потенциальными областями 3D-печати считаются:

- концептуальное моделирование и прототипирование;

- малообъемные сложные детали, такие как ракетные двигатели;

- заменяемые (устаревшие) детали;

- конструкции с использованием легких, высокопрочных материалов;

- смешанные материалы и встраивание аддитивно изготовленной электроники непосредственно в детали;

- ремонт на поле боя, на борту корабля или в космосе;

- создание крупных (нетранспортабельных) конструкций непосредственно на месте;

- производство новых конструкций или использование уникальных материалов;

- биоматериалы, такие как заменяющие ткани, органы и части тела.

Процесс 4D-печати объединяет 3D-печать с новыми материалами, чувствительными к условиям окружающей среды. Эти материалы запрограммированы на изменение своей формы или физического поведения, когда они подвергаются воздействию окружающей среды (например, тепла, давления, тока, света и т. д.). Родственная технология - нанотехнологии - это процессы манипулирования материалами в атомном масштабе, часто приводящие к новым свойствам материалов.

Современные 3D/4D-печать и нанотехнологии имеют прямое отношение к обороне и безопасности, но, поскольку они широко доступны, то воспользоваться их преимуществами могут и потенциальные противники, включая негосударственных субъектов, которые могут использовать незаконные конструкции или детали (например, необходимые для современных самолетов или ракет).

Развитие синтетической биологии позволяет создавать новые материалы, наноразмерное производство и биопроизводство, хотя эти технологии пока находятся на ранней стадии развития.

Получение и накопление энергии является критическим аспектом для военной сферы. За последние 10 лет технологии накопления электроэнергии и возобновляемые источники энергии получили значительное развитие. Эти достижения основаны на разработке новых материалов, методов производства, управления энергией (например, использование ИИ). Литий-ионные аккумуляторы, в частности, используются для датчиков, транспортных средств, передовых вычислений, мобильных устройств и др. Исследования в области энергетики охватывают широкий круг тем и подходов, причем социальные и военные потребности ежегодно возрастают. Этот спрос не может быть удовлетворен с помощью существующих технологий, и по-прежнему необходимы прорывы в таких областях как возобновляемая энергетика, использование водорода, термоядерный синтез, деление (расплавленная соль, торий, мини-реакторы и др.), сбор и хранение энергии, управление питанием с поддержкой искусственного интеллекта, батареи (графен, углеродные нанотрубки, твердотельные, металловоздушные и др.).

8.1 Возможности использования новых материалов испособов производства для вооруженных сил Альянса

Снижение нагрузки на оборудование (за счет возможности замены громоздких компонентов легкими материалами и устройствами), особенно важное для дальних операций и критическое для авиационных систем.

Интегральная легкая, гибкая электроника, вплетенная в ткани для скрытых носимых устройств; более быстрая электроника для связи (более широкие полосы пропуска) и улучшенные вычисления.

Улучшенное обнаружение слабых сигналов (радиочастотных/микроволновых или оптических), расширяющих физический диапазон рабочих платформ (связи, дальномера, тепловизионного/теплового поиска).

Мембраны, которые защищают от биохимического воздействия или обеспечивают более высокую чувствительность в отношении взрывоопасных паров.

Легкие ударопрочные материалы для новой брони и защитной экипировки, существенно более легкие, чем материалы, производимые на основе традиционных технологий.

Уменьшение радиолокационных отражений от всех платформ (наземных, морских и воздушных) за счет добавления графена в полимеры для радиопоглощающих покрытий.

Накопление энергии в ультраконденсаторах и батареях с использованием накопителей на основе графена. Некоторые продукты уже сертифицированы для применения в космосе.

Носимые технологии. Ожидается, что графен может быть полезен в качестве покрытия на текстильных изделиях для униформы, для повышения атмосферостойкости и для мониторинга состояния с использованием интеллектуального текстиля. Химическая защита перчаток, масок и др. также может быть улучшена.

Аддитивное производство обеспечит улучшение технического обслуживания и логистики за счет сокращения запасов запасных частей, повышения их доступности на месте, снижения транспортных расходов, снижения затрат на создание и ремонт и повышения эффективности использования новых конструкций и дорогостоящих изделий, особенно в аэрокосмической или морской среде.

Производство сырьевых материалов с повышенной эффективностью, обеспечивающей экономию производства за счет масштаба, например топлива, продовольствия и строительных материалов.

Использование уникальных возможностей для зондирования окружающей среды и других явлений, которые в настоящее время не поддаются обнаружению или не достигают необходимых масштабов.

Создание специальных материалов, обладающих особыми химическими или физическими свойствами, включая лекарственные препараты, пищевые добавки и другие вещества, требующие наномасштабных производственных сборочных процессов.