La possibilité de créer un matériau avec un angle de réfraction négatif a été prédite en 1967 par le physicien soviétique Viktor Veselago, mais ce n'est que maintenant que les premiers échantillons de structures réelles avec de telles propriétés apparaissent. En raison de l'angle de réfraction négatif, les rayons de lumière se courbent autour de l'objet, le rendant invisible. Ainsi, l'observateur ne remarque que ce qui se passe derrière le dos de la personne portant le manteau « merveilleux ».
Pour gagner un avantage sur le champ de bataille, les forces militaires modernes se tournent vers des capacités potentiellement perturbatrices telles que les gilets pare-balles et les blindages de véhicule avancés, et la nanotechnologie. camouflage innovant, nouveaux appareils électriques, super-accumulateurs et protection « intelligente » ou réactive des plates-formes et du personnel. Les systèmes militaires deviennent de plus en plus complexes, de nouveaux matériaux multifonctionnels et à double usage avancés sont développés et fabriqués, et la miniaturisation de l'électronique robuste et flexible se fait à pas de géant.
Les exemples incluent les matériaux auto-cicatrisants prometteurs, les matériaux composites avancés, les céramiques fonctionnelles, les matériaux électrochromes, les matériaux de « cyber-blindage » qui réagissent aux interférences électromagnétiques. On s'attend à ce qu'ils deviennent l'épine dorsale des technologies perturbatrices qui changeront irrévocablement le champ de bataille et la nature des futures hostilités.
Les matériaux avancés de nouvelle génération, tels que les métamatériaux, le graphène et les nanotubes de carbone, suscitent un grand intérêt et des investissements car ils possèdent des propriétés et des fonctionnalités qui ne se trouvent pas dans la nature et conviennent aux applications de défense et aux tâches exécutées dans des espaces extrêmes ou hostiles. La nanotechnologie utilise des matériaux à l'échelle nanométrique (10-9) afin de pouvoir modifier des structures aux niveaux atomique et moléculaire et créer divers tissus, dispositifs ou systèmes. Ces matériaux sont un domaine très prometteur et peuvent à l'avenir avoir un impact sérieux sur l'efficacité au combat.
Métamatériaux
Avant de continuer, définissons les métamatériaux. Le métamatériau est un matériau composite dont les propriétés ne sont pas tant déterminées par les propriétés de ses éléments constitutifs que par une structure périodique créée artificiellement. Ce sont des supports formés artificiellement et spécialement structurés avec des propriétés électromagnétiques ou acoustiques technologiquement difficiles à atteindre, ou introuvables dans la nature.
Kymeta Corporation, filiale d'Intellectual Ventures, est entrée sur le marché de la défense en 2016 avec l'antenne en métamatériau mTenna. Selon le directeur de la société Nathan Kundz, une antenne portable sous forme d'antenne émetteur-récepteur pèse environ 18 kg et consomme 10 watts. L'équipement pour antennes en métamatériaux a à peu près la taille d'un livre ou d'un netbook, ne comporte aucune pièce mobile et est fabriqué de la même manière que les moniteurs LCD ou les écrans de smartphone utilisant la technologie TFT.
Les métamatériaux sont composés de microstructures sous-longueur d'onde, c'est-à-dire de structures dont les dimensions sont inférieures à la longueur d'onde du rayonnement qu'elles doivent contrôler. Ces structures peuvent être fabriquées à partir de matériaux non magnétiques tels que le cuivre et gravées sur un substrat de PCB en fibre de verre.
Des métamatériaux peuvent être créés pour interagir avec les principaux composants des ondes électromagnétiques - constante diélectrique et perméabilité magnétique. Selon Pablos Holman, un inventeur d'Intellectual Ventures, les antennes créées à l'aide de la technologie des métamatériaux pourraient éventuellement supplanter les tours cellulaires, les lignes téléphoniques fixes et les câbles coaxiaux et à fibres optiques.
Les antennes traditionnelles sont réglées pour intercepter l'énergie contrôlée d'une longueur d'onde spécifique, ce qui excite les électrons dans l'antenne pour générer des courants électriques. À leur tour, ces signaux codés peuvent être interprétés comme des informations.
Les systèmes d'antennes modernes sont encombrants car des fréquences différentes nécessitent un type d'antenne différent. Dans le cas des antennes en métamatériaux, la couche de surface permet de changer la direction de courbure des ondes électromagnétiques. Les métamatériaux présentent à la fois des perméabilités diélectriques négatives et magnétiques négatives et ont donc un indice de réfraction négatif. Cet indice de réfraction négatif, que l'on ne trouve dans aucun matériau naturel, détermine l'évolution des ondes électromagnétiques lors du franchissement de la frontière de deux milieux différents. Ainsi, le récepteur d'une antenne en métamatériau peut être réglé électroniquement pour recevoir différentes fréquences, ce qui permet aux développeurs d'atteindre le haut débit et de réduire la taille des éléments d'antenne.
Les métamatériaux à l'intérieur de ces antennes sont assemblés dans une matrice plate de cellules individuelles densément emballées (très similaire au placement de pixels sur un écran de télévision) avec une autre matrice plate de guides d'ondes rectangulaires parallèles, ainsi qu'un module qui contrôle l'émission d'ondes via un logiciel et permet à l'antenne de déterminer la direction du rayonnement.
Holman a expliqué que le moyen le plus simple de comprendre les mérites des antennes en métamatériaux est d'examiner de plus près les ouvertures physiques de l'antenne et la fiabilité des connexions Internet sur les navires, les avions, les drones et autres systèmes mobiles.
"Chaque nouveau satellite de communication lancé en orbite ces jours-ci", a poursuivi Holman, "a plus de capacité que la constellation de satellites n'en avait il y a quelques années à peine. Nous avons un énorme potentiel de communication sans fil dans ces réseaux satellites, mais la seule façon de communiquer avec eux est de prendre une antenne parabolique, qui est grande, lourde et coûteuse à installer et à entretenir. Avec une antenne basée sur des métamatériaux, nous pouvons fabriquer un panneau plat qui peut diriger le faisceau et viser directement le satellite.
"Cinquante pour cent du temps, l'antenne orientable physiquement n'est pas orientée satellite et vous êtes effectivement hors ligne", a déclaré Holman. "Par conséquent, une antenne en métamatériau peut être particulièrement utile dans un contexte maritime, car la parabole est physiquement contrôlée pour la diriger vers le satellite, car le navire change souvent de cap et se balance constamment sur les vagues."
Bionique
Le développement de nouveaux matériaux s'oriente également vers la création de systèmes multifonctionnels flexibles aux formes complexes. Ici, un rôle important est joué par la science appliquée sur l'application des principes d'organisation, des propriétés, des fonctions et des structures de la nature vivante dans les dispositifs et systèmes techniques. La bionique (dans la littérature occidentale biomimétique) aide une personne à créer des systèmes techniques originaux et des processus technologiques basés sur des idées trouvées et empruntées à la nature.
Le Submarine Warfare Research Center de l'US Navy teste un appareil autonome de recherche de mines (APU) qui utilise des principes bioniques. imitant les mouvements de la vie marine. Le rasoir mesure 3 mètres de long et peut être porté par deux personnes. Son électronique coordonne le travail de quatre ailes battantes et de deux hélices arrière. Les mouvements de battement imitent les mouvements de certains animaux, tels que les oiseaux et les tortues. Cela permet à l'APU de planer, d'effectuer des manœuvres précises à basse vitesse et d'atteindre des vitesses élevées. Cette maniabilité permet également au Razor de se repositionner facilement et de flotter autour des objets pour l'imagerie 3D.
L'US Navy Research Agency finance le développement par Pliant Energy Systems d'un prototype pour le sous-marin Velox éventuellement autonome, qui remplace les hélices par un système d'ailettes multistables, non linéaires, en forme de papier qui génèrent des mouvements ondulants répétitifs en forme de rampe. L'appareil convertit les mouvements des nageoires polymères électroactives, ondulées et flexibles à géométrie hyperbolique plane en mouvement de translation, se déplaçant librement sous l'eau, dans les vagues du surf, dans le sable, au-dessus de la mer et de la végétation terrestre, sur des rochers glissants ou sur la glace.
Selon un porte-parole de Pliant Energy Systems, le mouvement onduleux vers l'avant empêche l'enchevêtrement dans la végétation dense, car il n'y a pas de pièces rotatives, tout en minimisant les dommages aux plantes et aux sédiments. L'engin à faible bruit, alimenté par une batterie lithium-ion, peut améliorer sa flottabilité pour maintenir sa position sous la glace, tout en pouvant être contrôlé à distance. Ses tâches principales sont: la communication, y compris les canaux GPS, WiFi, radio ou satellite; collecte de renseignements et d'informations; chercher et sauver; et la numérisation et l'identification de min.
Le développement des nanotechnologies et des microstructures est également très important dans les technologies bioniques, dont l'inspiration est puisée dans la nature pour simuler des processus physiques ou optimiser la production de nouveaux matériaux.
Le laboratoire de recherche de la marine américaine développe un bouclier en polymère transparent doté d'une microstructure en couches similaire à la carapace chitineuse des crustacés, mais fabriqué à partir de matériaux plastiques. Cela permet au matériau de rester conforme sur une large plage de températures et de charges, ce qui lui permet d'être utilisé pour protéger le personnel, les plates-formes fixes, les véhicules et les avions.
Selon Yas Sanghera, responsable des matériaux et dispositifs optiques dans ce laboratoire, la protection disponible sur le marché est généralement composée de trois types de plastique et ne peut pas résister à cent pour cent à une balle de 9 mm tirée à 1 à 2 mètres et volant à grande vitesse. 335 m/s.
Le blindage transparent développé par ce laboratoire permet une réduction de masse de 40% tout en maintenant l'intégrité balistique et absorbe 68% d'énergie de balle en plus. Sanghera a expliqué que l'armure pourrait être parfaite pour plusieurs applications militaires, telles que les véhicules protégés contre les mines, les véhicules blindés amphibies, les véhicules de ravitaillement et les fenêtres de cockpit d'avion.
Selon Sanghera, son laboratoire a l'intention, sur la base des développements existants, de créer une armure transparente conforme et légère avec des caractéristiques multi-impacts et d'obtenir une réduction de poids de plus de 20%, qui offrira une protection contre les balles de fusil de calibre 7, 62x39 mm.
La DARPA développe également une armure spinelle transparente aux propriétés uniques. Ce matériau présente d'excellentes caractéristiques multi-impacts, une dureté et une résistance à l'érosion élevées, une résistance accrue aux facteurs externes; il transmet un rayonnement infrarouge à ondes moyennes plus large, ce qui augmente les capacités des appareils de vision nocturne (la capacité de voir des objets derrière des surfaces vitrées), et pèse également la moitié du poids du verre pare-balles traditionnel.
Cette activité fait partie du programme Atoms to Product (A2P) de la DARPA, qui "développe les technologies et les processus nécessaires pour assembler des particules nanométriques (proche de la taille atomique) en systèmes, composants ou matériaux au moins à l'échelle millimétrique".
Au cours des huit dernières années, l'Agence a réussi à réduire l'épaisseur du blindage transparent de base d'environ 18 cm à 6 cm, tout en maintenant ses caractéristiques de résistance, selon le responsable du programme A2P de la DARPA, John Maine. Il se compose de nombreuses couches différentes, «pas toutes en céramique et pas toutes en plastique ou en verre», qui adhèrent au matériau de support pour éviter les fissures. "Vous devriez le considérer comme un système de défense, pas comme un matériau monolithique."
Le verre spinelle a été fabriqué pour être installé sur des prototypes de camions FMTV de l'armée américaine (Family of Medium Tactical Vehicles) pour évaluation par le Armored Research Center.
Dans le cadre du programme A2P, la DARPA a attribué à Voxtel, un institut de l'Oregon pour les nanomatériaux et la microélectronique, un contrat de 5,59 millions de dollars pour la recherche de procédés de fabrication allant du nano au macro. Ce projet bionique implique le développement d'un adhésif synthétique qui imite les capacités du lézard gecko.
« Sur la plante du gecko, il y a comme des petits poils… d'environ 100 microns de long, qui se ramifient violemment. Au bout de chaque petite branche se trouve une minuscule nanoplaque d'environ 10 nanomètres. Au contact d'un mur ou d'un plafond, ces plaques permettent au gecko d'adhérer au mur ou au plafond."
Maine a déclaré que les fabricants ne pourraient jamais reproduire ces capacités car ils ne pouvaient pas créer de nanostructures ramifiées.
« Voxtel développe des technologies de production qui reproduisent cette structure biologique et capturent ces qualités biologiques. Il utilise les nanotubes de carbone d'une manière vraiment nouvelle, il permet de créer des structures 3D complexes et de les utiliser de manières très originales, pas forcément comme structures, mais d'autres manières, plus inventives."
Voxtel souhaite développer des techniques avancées de fabrication additive qui produiront « des matériaux eux-mêmes assemblés en blocs fonctionnellement complets, puis assemblés en systèmes hétérogènes complexes ». Ces techniques seront basées sur la simulation de codes génétiques simples et de réactions chimiques générales trouvées dans la nature, qui permettent aux molécules de s'auto-assembler du niveau atomique en de grandes structures capables de se fournir en énergie.
« Nous voulons développer un adhésif réutilisable avancé. Nous aimerions obtenir un matériau ayant les propriétés d'un adhésif époxy, mais sans sa possibilité de jeter et de contaminer la surface, - a déclaré Main. "La beauté d'un matériau de style gecko est qu'il ne laisse aucun résidu et fonctionne instantanément."
Parmi les autres matériaux avancés qui progressent rapidement, citons les matériaux ultra-minces tels que le graphène et les nanotubes de carbone, qui ont des propriétés structurelles, thermiques, électriques et optiques qui révolutionneront l'espace de combat d'aujourd'hui.
Graphène
Alors que les nanotubes de carbone ont un bon potentiel pour des applications dans les systèmes électroniques et de camouflage, ainsi que dans le domaine biomédical, le graphène est "plus intéressant car il offre, au moins sur le papier, plus de possibilités", a déclaré Giuseppe Dakvino, porte-parole de la Défense européenne. Agence (EOA).
Le graphène est un nanomatériau ultra-mince formé d'une couche d'atomes de carbone d'un atome d'épaisseur. Le graphène léger et durable a une conductivité thermique et électrique record. L'industrie de la défense étudie attentivement la possibilité d'utiliser le graphène dans des applications qui nécessitent sa force, sa flexibilité et sa résistance aux températures élevées, par exemple, dans les missions de combat effectuées dans des conditions extrêmes.
Dakvino a déclaré que le graphène « est, au moins en théorie, le matériau du futur. La raison pour laquelle il y a tant de débats intéressants maintenant, c'est parce qu'après tant d'années de recherche dans le secteur civil, il est devenu clair que cela va réellement changer les scénarios de combat. »
« Pour ne citer que quelques-unes des possibilités: électronique flexible, systèmes d'alimentation, protection balistique, camouflage, filtres/membranes, matériaux à haute dissipation thermique, applications biomédicales et capteurs. Ce sont, en fait, les principales directions technologiques. »
En décembre 2017, l'EAO a commencé une étude d'un an sur les applications militaires prometteuses possibles du graphène et son impact sur l'industrie européenne de la défense. Ce travail a été dirigé par la Fondation espagnole pour la recherche technique et l'innovation, avec laquelle l'Université de Carthagène et la société britannique Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. En mai 2018, s'est tenu un séminaire de chercheurs et d'experts sur le graphène, où une feuille de route pour son utilisation dans le secteur de la défense a été déterminée.
Selon l'EOA, « parmi les matériaux qui ont le potentiel de révolutionner les capacités de défense au cours de la prochaine décennie, le graphène figure en tête de liste. Léger, flexible, 200 fois plus résistant que l'acier, et sa conductivité électrique est incroyable (meilleure que le silicium), tout comme sa conductivité thermique."
L'EOA a également noté que le graphène a des propriétés remarquables dans le domaine de la "gestion de la signature". C'est-à-dire qu'il peut être utilisé pour produire des "revêtements radio-absorbants, qui transformeront les véhicules militaires, les avions, les sous-marins et les navires de surface en objets presque indétectables". Tout cela fait du graphène un matériau extrêmement attractif non seulement pour l'industrie civile, mais aussi pour les applications militaires, terrestres, aériennes et maritimes. »
À cette fin, l'armée américaine étudie l'utilisation du graphène pour les véhicules et les vêtements de protection. Selon l'ingénieur Emil Sandoz-Rosado du Laboratoire de recherche militaire de l'armée américaine (ARL), ce matériau possède d'excellentes propriétés mécaniques, une couche atomique de graphène est 10 fois plus rigide et plus de 30 fois plus résistante que la même couche de fibre balistique commerciale. « Le plafond pour le graphène est très élevé. C'est une des raisons pour lesquelles plusieurs groupes de travail de l'ARL s'y intéressent, car ses caractéristiques de conception sont très prometteuses en termes de réservation.
Cependant, il y a aussi des difficultés assez importantes. L'un d'eux met le matériel à l'échelle; l'armée a besoin de matériaux de protection pouvant couvrir les chars, les véhicules et les soldats. « Nous avons besoin de beaucoup plus. En général, nous parlons d'environ un million ou plus de strates dont nous avons besoin en ce moment ».
Sandoz-Rosado a déclaré que le graphène peut être produit d'une ou deux manières, soit par un processus de pelage où le graphite de haute qualité est séparé en couches atomiques séparées, soit en faisant croître une seule couche atomique de graphène sur une feuille de cuivre. Ce processus est bien établi par les laboratoires produisant du graphène de haute qualité. « Ce n’est pas tout à fait parfait, mais c’est assez proche. Cependant, aujourd'hui, il est temps de parler de plus d'une couche atomique, nous avons besoin d'un produit à part entière ». En conséquence, un programme a récemment été lancé pour développer des procédés de production de graphène en continu à l'échelle industrielle.
« Qu'il s'agisse de nanotubes de carbone ou de graphène, vous devez prendre en compte les exigences spécifiques qui doivent être satisfaites », a averti Dakvino, notant que la description formelle des caractéristiques des nouveaux matériaux avancés, la normalisation des processus précis de création de nouveaux matériaux, la reproductibilité de ces procédés, la fabricabilité de l'ensemble de la chaîne (de la recherche fondamentale à la production de démonstration et de prototypes) nécessitent une étude et une justification minutieuses lorsqu'il s'agit d'utiliser des matériaux de rupture tels que le graphène et les nanotubes de carbone dans les plateformes militaires.
« Il ne s'agit pas seulement de recherche, car après tout, vous devez être sûr qu'un certain matériau est officiellement décrit, puis vous devez être sûr qu'il peut être produit selon un certain processus. Ce n'est pas si facile, car le processus de fabrication peut changer, la qualité du produit fabriqué peut varier en fonction du processus, donc le processus doit être répété plusieurs fois. »
Selon Sandoz-Rosado, ARL a travaillé avec des fabricants de graphène pour évaluer la classe de qualité du produit et son évolutivité. Bien qu'il ne soit pas encore clair si les processus continus, qui sont au début de leur formation, ont un modèle commercial, une capacité appropriée et s'ils peuvent fournir la qualité requise.
Dakvino a noté que les progrès de la modélisation informatique et de l'informatique quantique pourraient accélérer la recherche et le développement, ainsi que le développement de méthodes pour la production de matériaux avancés dans un avenir proche. « Avec la conception assistée par ordinateur et la modélisation des matériaux, beaucoup de choses peuvent être modélisées: les caractéristiques des matériaux et même les processus de fabrication peuvent être modélisés. Vous pouvez même créer une réalité virtuelle, où vous pouvez essentiellement regarder les différentes étapes de la création d'un matériau. »
Dakwino a également déclaré que les techniques avancées de modélisation informatique et de réalité virtuelle offrent un avantage en créant "un système intégré où vous pouvez simuler un matériau particulier et voir si ce matériau peut être appliqué dans un environnement particulier". L'informatique quantique pourrait changer radicalement la donne ici.
"À l'avenir, je vois encore plus d'intérêt pour de nouvelles méthodes de fabrication, de nouvelles façons de créer de nouveaux matériaux et de nouveaux processus de fabrication grâce à la simulation informatique, car une énorme puissance de calcul ne peut potentiellement être obtenue qu'en utilisant des ordinateurs quantiques."
Selon Dakwino, certaines applications du graphène sont technologiquement plus avancées, tandis que d'autres le sont moins. Par exemple, les composites céramiques matriciels peuvent être améliorés en intégrant des plaques de graphène qui renforcent le matériau et augmentent sa résistance mécanique tout en réduisant son poids. « Si nous parlons, par exemple, de composites », poursuit Dakvino, « ou, dans les termes les plus généraux, de matériaux renforcés par l'ajout de graphène, alors nous aurons de vrais matériaux et de vrais procédés de leur production en série, sinon demain, mais peut-être dans les cinq prochaines années.
« C'est pourquoi le graphène est si intéressant pour les systèmes de protection balistique. Pas parce que le graphène peut être utilisé comme armure. Mais si vous utilisez du graphène dans votre armure comme matériau de renforcement, il peut alors devenir plus résistant que même le Kevlar. »
Les domaines prioritaires, par exemple, les systèmes autonomes et les capteurs, ainsi que les domaines militaires à haut risque, tels que sous-marin, spatial et cybernétique, dépendent surtout de nouveaux matériaux avancés et de l'interface de la nano- et microtechnologie avec la biotechnologie, « furtivité » matériaux, matériaux réactifs et systèmes de production et de stockage d'énergie.
Les métamatériaux et les nanotechnologies tels que le graphène et les nanotubes de carbone connaissent aujourd'hui un développement rapide. Dans ces nouvelles technologies, les militaires recherchent de nouvelles opportunités, explorant leurs applications et les obstacles potentiels, car ils sont obligés de trouver un équilibre entre les besoins du champ de bataille moderne et les objectifs de recherche à long terme.
