به غیر از تجربه منحصر به فردی که سفر به فضا دارد، این سفر ممکن است تاثیرات خاصی را بر بدن داشته باشد که ممکن است مشکلات سلامتی کوتاه مدت و همچنین بلند مدت را در آینده به همرا داشته باشد . این مقاله شما را از مشکلات سلامتی احتمالی و تاثیرات منفی که سفر به فضا ممکن است بر بدن‌تان داشته باشد، آگاه می‌کند.

بیماری فضایی

حدود 60 الی 70 درصد فضانوردان، بیماری ناشی از حرکت را در فضا تجربه کرده‌اند، که این بیماری طی 2 تا 3 روز و به محض آن‌که آن‌ها به محیط فضا عادت ‌کنند، فروکش می‌کند.
همه ما می‌دانیم که بدن‌ ما به طور خاص برای زندگی روی زمین در نظر گرفته شده است. ما به خوبی به محیط زمین عادت کرده‌ایم که حتی کوچک ترین تغییری در این محیط می‌تواند آسیب مخربی بر بدن وارد کند و عملکرد اندام‌های مختلف را دچار اختلال می‌کند. این اختلال زمانی که فضانوردان به خارج فضا، جایی که شرایط محیط کاملا متفاوت از محیط زمین است، حرکت می‌کنند حتی بیشتر هم می‌شود.
لحظه‌ای که فضانورد از جو زمین خارج می‌شود، بدن او با توجه به تغییر در محیط، شروع به تجربه تغییراتی می‌کند. مهم‌ترین تغییری که همه ما می‌دانیم، نبود جاذبه و بی‌وزنی است. در حالی که روی زمین، بدن انسان به طور کلی به شرایط طبیعی زمین واکنش نشان می‌دهد و از این رو با آن سازگاری می‌یابد. از سویی دیگر، زمانی که فضانورد به فضا وارد می‌شود، بدن او شروع به واکنش دادن با شرایط عادی موجود در آنجا می‌کند. در حین انجام آن، انسان شروع به تجربه اثرات شدیدی در بدن خو می‌کند که در زیر مورد بحث قرار گرفته است. نگاهی به آن‌ها بی‌اندازید.

تاثیرات بی‌وزنی بر انسان

افزایش قد

هنگامی که فضانورد به فضا وارد می‌شود، به دلیل عدم وجود نیروی جاذبه، بدن، تراکم را تجربه نمی‌کند. این امر منجر به استراحت و در نهایت گستردگی و انبساط مهره‌ها می‌شود. این مورد بیشتر باعث کشیده شدن ستون فقرات می‌شود و فضانورد تقریبا حدود 0.5 متر بلندتر می‌شود. از آن‌جا که عضلات و رباط کمر کاملا شل می‌شوند، فضانورد ممکن است کمر درد شدیدی را تجربه نماید. با این حال، افزایش در قد موقتی است و هنگامی که فضانورد به زمین باز می‌گردد، قد او به مقدار اصلی خود برمی‌گردد.

تغییرات قلبی و عروقی تغییرات سیالی

بر روی زمین، قلب انسان خلاف نیروی گرانش زمین کار می‌کند و خون را برای پخش کردن به اندام‌های واقع در بدن، از قسمت‌های پایین‌تر بدن به سمت خود می‌کشد. با این حال، در فضا یا در شرایط نیروی گرانش صفر، قلب نباید برای چرخش خون به قسمت‌های بالا‌تر خیلی سخت کار کند، که این امر به تدریج به کاهش اندازه و عدم قرارگیری مناسب آن منجر می‌شود. فضانوردانی که در ماموریت‌های فضایی طولانی مدت از پیش تعیین شده هستند اما مشکلات قلبی عروقی غیر قابل تشخیص دارند در معرض خطر بیشتر ابتلا به عوارض شرایط خود هستند.
از آن‌جا که فضانوردان، ساکن محیطی هستند که فاقد کشش گرانشی است و تغییر عمده‌ای در عملکرد قلبی عروقی وجود دارد، تغییر جهت مایع در بدن آن‌ها رخ می‌دهد. در این وضعیت، خون که معمولا به طرف قسمت‌های پایینی بدن کشیده می‌شود، اکنون تغییر جهت می‌دهد و به سمت بالا، به طرف سر و تنه توزیع می‌شود. بدین دلیل، فضانوردان اغلب چهره پف کرده و سنگینی سر را تجربه می‌کنند. همچنین، یک نوع از عدم تناسب را می‌توان تجربه کرد، که در آن پاها از و سر و نیم‌تنه بالایی کوچکتر می‌شود.

تاثیرات تشعشع

جو زمین و میدان مغناطیسی از نفوذ اشعه‌های فضا بر سطح زمین که به زندگی موجودات زنده آسیب می‌رساند، جلوگیری می‌کند. با این حال، این لایه محافظتی در فضا وجود ندارد و از این رو، فضانوردان به طور مستقیم در معرض مقدار زیادی از تشعشات فضایی قرار دارند. مشکلات حاد مرتبط با سلامتی که به دلیل تشعشع ایجاد می‌شوند عبارتند از حالت تهوع، استفراغ، خستگی، آسیب پوستی، تغییرات درتعداد گلبول‌های سفید خون و سیستم ایمنی بدن. این مشکلات سلامتی ممکن است پس از آن‌که فضانورد به زمین باز می‌گردد، بهبود یابند. تاثیرات بلند مدت اشعه که ممکن است فضانورد آن‌ها را تجربه نماید شامل مشکلات بینایی، دستگاه گوارش، ریه‌ها و سیستم عصب مرکزی می‌باشد. اشعه ممکن است همچنین بر سلول‌های اندوتلیال یا همان پوشش نازک رگ‌های خونی تاثیر بگذارد،که ممکن است به بیماری عروق کرونر قلب منجر شود. علاوه بر این، قرار گرفتن در معرض اشعه برای طولانی مدت ممکن است منجر به اختلال در کارایی فضانورد گردد که خود این امر منجر به شکست ماموریت می‌شود.

بیماری حرکتی

همان‌طور که قبلا هم ذکر شد، بسیاری از فضانوردان، بیماری ناشی از حرکت در فضا را چند ساعت بعد از وارد شدن به فضا به شکل تهوع، استفراغ، سردرد و تشویش تجربه کرده‌اند. معمولا، بیماری ناشی از حرکت به واسطه تغییرات در گردش خون ایجاد می‌شود و علائم می‌توانند در عرض 2 تا 3 روز پس از گذشت پرتاب شدن به فضا، فروکش کند.

تاثیرات بر عضلات و استخوان‌ها

باتوجه به نیروی جاذبه صفر، بدن انسان در فضا شناور است. بنابراین، اگر فضانوردی بخواهد از نقطه‌ای به نقطه دیگر حرکت کند، او تنها باید به دیوارهای فضاپیما در خلاف جهت، مقدار کمی فشار وارد نماید. این کار مانع از کارکرد کافی عضلات است، در نتیجه آن‌ها را ضعیف‌تر می‌کند.
به طور مشابه، حتی استخوان‌ها در فضا خیلی استفاده نمی‌شوند، که ممکن است به بدتر شدن منجر شود و در نهایت، باعث پوکی ستخوان می‌شود. استخوان‌ها در قسمت پایین‌تر تنه وظیفه تحمل وزن بر روی زمین را انجام می‌دهند. زمانی که فردی به فضا وارد می‌شود، استخوان‌های پایین تنه دیگر باید وزن بالا تنه را نیز تحمل نماید و از این رو، شروع به شکننده و ضعیف شدن می‌کنند. با دوره‌های طولانی سفر فضایی، این وضعیت به یک سطح پیچیده پیشرفت می‌کند، تا جایی که افزایش شکست استخوان با آزاد شدن کلسیم و فسفر وجود دارد. کلسیم و فسفر آزاد شده که توسط بدن بازجذب می‌شود، استخوان‌ها را شکننده‌تر می‌سازد. علاوه بر این، آزاد شدن کلسیم می‌‌تواند خطر ابتلا به تشکیل سنگ کلیه و شکستگی‌های استخوانی را افزایش ‌دهد.
سفر فضایی تاثیرات زیادی بر عملکرد فضانورد دارد. بنابراین، برنامه تکنولوژیکی علم وفن‌آوری موسسه زیست پزشکی فضایی بین‌المللی یا به عبارت دیگر NSBRI درحال بررسی راه‌های به حداقل رساندن یا از بین بردن تغییراتی که در فضا در بدن انسان رخ می‌دهند، هستند و افزایش سطح عملکرد فضانوردان را در حالی که بتوانند در ماموریت‌های بلند مدت زنده بمانند را فراهم می‌کنند.

دوران رویاهای بزرگ سپری شده است. بر مبنای همین اصل، دانشمندان علم نانو را که معمولاً نانوتکنولوژی نامیده می شود ( NT ) به وجود آورده اند. (1) بسیاری پیش بینی می کنند که آینده جهان احتمالاً با این تکنولوژی اداره شود. در چند دهه اخیر، دانشمندان سراسر جهان پژوهش هایی به ویژه درباره استفاده از این تکنولوژی در پزشکی و الکترونیک انجام داده اند. در واقع محصولات جانبی نانوتکنولوژی پیشرفت های چشمگیری در حوزه هایی مانند تراشه های کامپیوتر، لوازم آرایشی مانند کرم های ضد آفتاب، شیشه های خود شوی ( Self – cleaning window ) و لباس های ضد لک گذاشته است.
نانوتکنولوژی با کاربردهای چندگانه اش قابلیت کاهش قیمت ها و توانایی ذاتی تولید مواد جدیدی را مانند آهن انعطاف پذیر و ضد زنگ دارد. این تکنولوژی در سراسر جهان به عنوان « نیروی صنعتی » پدیدار شده است. گروه بازرگانی اتحاد تجارت نانو برآورد می کند که در سال 2004 محصولاتی با ارزش سیزده میلیارد دلار آمریکا با دخالت نانوتکنولوژی تولید شده اند که این میزان کمتر از 0/1 درصد تولید جهانی است. ولی تا سال 2014، انتظار می رود این رقم نزدیک به 3 تریلیون دلار آمریکا، یا 15 درصد تولید کارخانجات برسد (2). این برآوردها پیش از فروپاشی اقتصادی جهان در سال های 2008 – 2009 بوده است. با این وجود، امیدواریم سرمایه گذاری در این زمینه کاهش شدیدی نداشته باشد، شاید صنعت خصوصی بتواند از طریق پژوهش و پیشرفت هزینه ها را کاهش دهد.
در دو سال گذشته بخش های مختلف صنعتی، از جمله مجتمع نظامی – صنعتی (3)، بر روی نانوتکنولوژی سرمایه گذاری کرده اند. مهمترین وجه این سرمایه گذاری ها، اکثراً سرمایه گذاری های چشمگیر در بخش غیرنظامی است. این سرمایه گذاری ها با دیدگاه قبلی که از جنگ جهانی دوم آغاز شد رقابت می کنند؛ دیدگاهی که پژوهش نظامی اصولاً به پیشرفت تکنولوژی های مختلف کمک می کند و این تکنولوژی ها پس از یک دوره زمانی در زمینه غیرنظامی نیز بکار گرفته می شوند. شایان ذکر است که ترانزیستورها، مدارهای مجتمع ( ICها )، کامپیوترها و اینترنت همگی نتیجه فعالیت های گران پژوهشی و پیشرفته متمرکز نظامی هستند. با این وجود، در قرن 21 بسیاری از تکنولوژی های نوپدید وارد بازار غیرنظامی می شوند و متعاقباً آن نظامیان از ویژگی های کاربری دوگانه بهره می برند. همین موضوع درباره نانوتکنولوژی نیز صدق می کند. در ابتدا، به این تکنولوژی به عنوان سکویی برای خلق شگفتی ها نگریسته می شد و به دلیل کاربردپذیری تجاری آن، بیشتر تمرکزش بر روی موضوعات غیرنظامی و تجاری بود. با این وجود، به تدریج بخشی از این تمرکز به سمت کاربرد پذیری نظامی آن نیز سوق پیدا می کند.
از آنجایی که این تکنولوژی در رابطه با سرمایه گذاری بر روی تحقیق و توسعه خیلی پرهزینه نیست، بسیاری از کشورهای درحال توسعه به این زمینه علاقه نشان می دهند. از آن مهمتر، کشورهای در حال توسعه دریافته اند که نباید در این زمینه عقب بیافتند و به جهان پیشرفته اجازه دهند تا همان طور که در سایر زمینه های مختلف در خیلی سال های گذشته مسلط بوده اند در این زمینه نیز چیره شوند. به همین دلیل، چند کشور در حال توسعه نیز اصولاً با تمرکز به کاربردپذیری غیرنظامی آن به عرصه نانوتکنولوژی می تازند (4).
جنبه تأسف باری که در مورد نانوتکنولوژی مشاهده شده است، افراط بیش از حد توانایی واقعی و اثبات شده آن است. تعریف نانوتکنولوژی تا حدودی مبهم به نظر می رسد، زیرا بسیاری از پژوهشگران، از جمله کسانی که روی سیستم های دارای مقیاس میکرومتر کار می کنند، می کوشند تا خود را زیر چتر نانوتکنولوژی بگنجانند. این افراط شامل پیش بینی های خوش بینانه درباره آینده نانوتکنولوژی نیز می شود. گواه این مدعا بحثی است که چند دانشمند مطرح کرده اند که « می توان دستگاه های برنامه ریزی شده روباتیک کوچکتر از 100 نانومتر ساخت تا به راحتی در جریان خون انسان گردش کنند، سلول های سرطانی را تشخیص دهند و پیش از این که تشکیل تومور دهند، آنها را از بین ببرند (5) ». اساساً این موضوع به این دلیل اتفاق می افتد که نانوتکنولوژی شامل بسیاری از مفاهیم پیچیده ای می شود که به آسانی دیده یا احساس نمی شوند و به نظر می آید این دانشمندان در نتیجه گیری عجله می کنند. به همان طریق مشاهده شده است که برخی ادعاها بیشتر بر اساس خیال و تصورات بنا شده است تا بر پایه واقعیت و علم.
به طور کلی، می توان گفت که درک نانوتکنولوژی دشوار نیست. علم ممکن است پیچیده باشد، اما اصول اولیه آن چنین نیست. 116 نوع یا عنصر اتم شناخته شده است. جهان و هر آنچه در آن است از اتم های یک یا چند عنصری این چنینی ساخته شده است. آرایش و ترکیب این اتم ها تعیین می کند که هر شی چه خواهد شد. عنصر کربن را در نظر بگیرید؛ گروهی از اتم های کربن را به شیوه ای خاص آرایش کنید تا شما گرافیت به دست آورید؛ آنها را کمی متفاوت بچینید، الماس به دست می آورید؛ آن را با اتم های اکسیژن ترکیب کنید، تا تبدیل به گازی شوند که در سرتاسر جو معلق است (6). در یک کلمه نانوتکنولوژی را می توان شیوه ای برای سازماندهی مصنوعی اتم ها نامید. این فصل بیشتر بر روی « آن حوزه از نانوتکنولوژی » تمرکز می کند که کاربردی، مرتبط و دست یافتنی باشد. تمرکز اصلی این فصل بر جنبه های نظامی نانوتکنولوژی است. تعداد اندکی از موضوعات مرتبط با آینده نانوتکنولوژی در سطح عمومی و به منظور نشان دادن طرز تفکر در این عرصه بحث می شود، ولی در حال حاضر غیر قابل دوام به نظر می رسد.

نانوتکنولوژی: تعریف و مفهوم

نانوتکنولوژی علم نوپدید قرن بیست و یکم است که با مهندسی مواد در مقیاس اتم ها و مولکول های مجزا سرو کار دارد. مواد نانوفاز ( nanophase ) که گاهی با این نام خوانده می شوند، به دلیل روش بسیار دقیقی که در آن ذرات تشکیل دهنده آن آرایش شده اند و شکل گرفته اند، اغلب ویژگی های جدیدی را نشان خواهند داد (7).
در واقع، نانوتکنولوژی دو مفهوم متفاوت ولی مهم دارد. یک معنای گسترده و وسیع آن شامل هر تکنولوژی است که با چیزی کمتر از اندازه 100 نانومترسرو کار داشته باشد. معنای دیگر آن، معنای اصلی است – طراحی و ساخت ماشین هایی است که در آن هر اتم و پیوند شیمیایی به دقت تعیین می گردد (8). ناریو تانیگوچی ( Nario Taniguchi )، استاد دانشگاه علوم توکیو، در سال 1974 واژه نانوتکنولوژی را معرفی کرد تا براده برداری ( تولیدات ماشینی – machining ) با اندازه های 0/1 تا 100 نانومتر را دربر گیرد (9). وی معتقد بود که نانوتکنولوژی اکثراً شامل « پردازش، جداسازی، ترکیب و تغییر شکل مواد با یک اتم یا یک مولکول » می شود (10).
در سال های اخیر کتاب بنیادی اریک درکسلر ( K. Eric Drexler )، با نام موتورهای تکوین ( 1986 ) این تکنولوژی را معرفی کرده و نظر بسیاری از پژوهشگران بخش های صنعتی و نظامی را جلب کرده است. با این وجود، تمرکز وی بیشتر بر روی بخشی از نانوتکنولوژی، به نام نانوتکنولوژی مولکولی است.
به طور کلی، نانوتکنولوژی را می توان به دو بخش متفاوت تقسیم کرد. نخست، نانوتکنولوژیِ ساختاری که به ساختارهای بسیار کوچکی مانند نانوکریستال ها و مولکول های پیچیده مرتبط می شود. در حال حاضر، اکثر پژوهشگران نانوتکنولوژی بر این مطلب متمرکز شده اند. نوع دیگر نانوتکنولوژی که اریک درکسلر آن را نانوتکنولوژی مولکولی نامیده به ماشین های بسیار کوچک، روبات ها، موتورها و کامپیوترهایی که اتم به اتم، کوچکتر از یک سلول ساخته شده اند مرتبط می شود. این نوعی از نانوتکنولوژی است که امید به تولید آزاد و ترس از نابودی محیط را افزایش داده است. نانوتکنولوژی ساختاری فقط در چند سال گذشته زمینه قابل قبولی برای پژوهش شد، ولی برای کاربردپذیری در سایر عرصه های پژوهش به سرعت در حال پیشرفت است. نانوتکنولوژی ساختاری عمدتاً کاربردهای تجاری دارد. انتظار می رود که نانوتکنولوژی ساختاری ما را در انجام بهتر کارهای موجود کمک کند. سرانجام پیشرفت ها در این زمینه می تواند به کامپیوترهای سریع تر، داروهای مؤثرتر، مواد قوی تر و موتورهای کارآمدتر منجر شود.
نانوتکنولوژی مولکولی (11) مسائل مختلفی را مطرح می کند. نخست آن که این تکنولوژی هنوز وجود ندارد! امروزه، ما می توانیم روبات هایی به اندازه حشرات بسازیم نه به اندازه سلول که مدنظر نانوتکنولوژی مولکولی است. بسیاری از ترس های مرتبط با نانوتکنولوژی به خاطر امکان خوهمتاسازی ( Self-replication ) است؛ ماشینی که می تواند کپی هایی را از خودش بسازد. اگر این مسئله به واقعیت بپیوندد، نمی دانیم با این اختراعات چه می توان کرد؟ آیا نانوتکنولوژی واقعاً می تواند « ماده چسبناک خاکستری » (12) تولید کند که تمام محیط را ببلعد و آیا می توان به آسانی جلوی چنین چیزهایی را گرفت؟ (13) در این مرحله، بسترسازی کردن تأثیر چنین احتمالات مبهمی برای کاربرد نظامی آنها غیرممکن است. هدف این فصل بررسی جزییات جنبه های قابل پرسش علمی و مرتبط با آینده نانوتکنولوژی نیست.
نانوتکنولوژی اغلب به تکنولوژی همه منظوره اطلاق می شود. این بدین دلیل است که در شکل تکامل یافته اش، ممکن است تأثیر چشمگیری بر بسیاری از صنایع و جامعه در سطح کلان بگذارد. به طور کلی نانوتکنولوژی محصولاتی با ساخت بهتر، بادوام تر، تمیزتر، ایمن تر و هوشمندتری را برای مصارف خانگی، ارتباطی، پزشکی، ترابری، کشاورزی و صنعتی عرضه می کند. همانند برق و کامپیوتر که پیش از نانوتکنولوژی پا به عرصه وجود گذاشتند، از نانوتکنولوژی نیز انتظار می رود که در اکثر جنبه های زندگی کارآیی خوبی داشته باشند. نانوتکنولوژی به عنوان یک تکنولوژی همه منظوره – هم برای مصارف تجاری و هم نظامی استفاده دوگانه ای دارد؛ برای ساخت سلاح و ابزار تجسسی قدرتمند (14).
صرف نظر از زمینه فعالیت یا اصول فیزیکی درگیر، نانوتکنولوژی در صدد توجه به مقیاس های کوچکتر از ویژگی های دائمی مواد پرحجم و طراحی جزییات دانه ای مولکول ها و اتم ها است. انجام کارها به این شیوه مزایای زیادی دارد. یکی از آنها، افزایش کارایی، سرعت و سایر عوامل اجرایی مرتبط با کوچک سازی است که این رویه در کامپیوترقابل توجه است. پژوهشگران پیش بینی کرده اند که مقیاس های نانویی جایگزین اجزای ریزتراشه می شود؛ به عنوان مثال، ترانزیستورهای مولکولی و سیم هایی که انرژی کمتری مصرف می کنند و می توانند با دقت بیشتری ساخته شوند. با این اجزای مولکولی، طراحان تراشه می توانند نه فقط میلیون ها، بلکه میلیاردها ترانزیستور روی یک تراشه پیاده کنند و عملکرد کامپیوتر را هزار برابر کنند (15).
مفهوم اصلی نانوتکنولوژی آرایش مجدد اتم ها بر اساس نیاز است. هر چیزی در این جهان از مولکول هایی ساخته می شود که آن ها نیز در حقیقت از اتم های کوچکتری تشکیل شده اند. ویژگی های یک ماده بیشتر به آرایش اتمی آن بستگی دارد. برای مثال به مورد دو اتم کربن، زغال سنگ و الماس دقت کنید. بنابراین، اگر شخصی بتواند آرایش اتمی داخل زغال سنگ را تغییردهد، می تواند از آن الماس به دست آورد! این جایی است که نانوتکنولوژی در آن گام می نهد. با کمک این تکنولوژی، حداقل از لحاظ تئوری، این امر دست یافتنی است (16).
قدرت واقعی نانوتکنولوژی این است که نه تنها محصولات بهتر، بلکه یک روند ساخت بسیار پیشرفته ای را ارائه دهد. به همین دلیل انتظار می رود که نانوتکنولوژی انقلاب صنعتی بعدی را به ارمغان آورد (17). از آنجایی که راه کارهای اصلی نانوتکنولوژی را می توان با هر مواد خامی استفاده کرد، کاربردهای بالقوه نانوتکنولوژی تنها با سرمایه گذاری، ساعت ها پژوهش و ابتکار معین می شود (18).

وضعیت کنونی نانوتکنولوژی

در اویل دهه 1980، وقتی که دو دانشمند IBM در سوئیس میکروسکوپ تونل زنی پویشی ( STM ) را اختراع کردند، نانوتکنولوژی کاربردی پا به عرصه ظهور گذاشت. میکروسکوپ تونل زنی پویشی، ابزار فوق العاده ساده ای است که تصاویری با جزییات جدید سطوح اتمی، رسانای برق را تولید می کند. میکروسکوپ های اتمی و مغناطیسی و نیز اختراعات IBM، دید مقیاس اتمی به سطوح غیررسانا را گسترش دادند و موجب چشم انداز مستقیم نیروهای سطحی مانند مغناطیس و اصطکاک می شوند. در سال 1990، IBM نشان داد که می توان STM را نه تنها برای تصویربرداری، بلکه برای تثبیت و استقرار اتم ها نیز استفاده کرد. اولین نمایش کاربرد نانوتکنولوژی توجه به لوگوی IBM با 35 اتم زنون بود و بلافاصله، این نماد معروفی از دقت مقیاس نانویی شد (19).
امروزه، پژوهشگران نانوتکنولوژی رویکردی دوگانه در ساخت دستگاه های نانویی دارند. اهداف رویکرد « بالا – پایین » ادامه کوچک سازی وسایل و ماشین های کنونی با بهبود شیوه های موجود و بکارگیری پیشرفت های اخیر تکنولوژی مانند لیتوگرافی با اشعه ایکس و نگارنده های پرتوی الکترونی است. در اینجا اتم ها و مولکول ها از مواد حجیم و گاهی غشاهای نازیک زدوده می شوند تا ساختار نانویی مطلوب به دست آید. در رویکرد « پایین – بالا » تلاش می شود که با تقلید از طبیعت و از طریق تحریک اتم ها و مولکول ها برای خود سامان دهی یا خودمونتاژی در سیستم های پیچیده ای که به صورت دستگاه ها و ماشین ها عمل می کنند، دقیقاً همانند درون سلول های زیستی شود. در این رویکرد اجزا توسط نیروهای فیزیکی / شیمیایی خود را آرایش می کنند (20). در این پیوستگی، اتم ها و مولکول ها به شیوه ای جفت می شوند که از طریق رسوب کنترل شده ( Controlled deposition ) بر روی پارامترهای واکنشی، مواد نانویی از اندازه و شکل مورد نیاز برخوردار شوند. این شیوه پایین به بالای ساخت « اتم به اتم » که قلمروی رویایی نانوتکنولوژیست ها است، هنوز برای ساخت دستگاه های الکترونیکی به واقعیت نپیوسته است زیرا آنها نمی توانند الگوهای متصل طراحی شده ای را تولید کنند.
هر رویکردی با چالش های خاص خود مواجه می شود. امروزه علم نانو به طور مساوی بین دو رویکرد تقسیم شده و انتظار می رود تا رویکردهای ترکیبی که خودمونتاژی در تکنولوژی های بالا – پایین موجود را در هم ادغام می کند پدیدار شوند (21). با این وجود، صنعت در این عرصه منتظر هیچ کشف مهمی نمی ماند، ولی به سرعت نوآوری های جدید ( در دسترس بودن، امکان پذیر بودن، و عملاً آزمایش شده ) را وارد عمل می کند. از این رو، کاربردهای نانوتکنولوژی به واقعیت پیوسته است.
تولید کنندگان اتومبیل در ایالات متحده بیش از یک دهه از لاستیک های نانونیی (22) برای بهبود ایمنی خطوط سوخت در وسایل نقلیه مسافربری استفاده می کنند و صنعت الکترونیک بر لاستیک های نانویی در مواد بسته بندی « برای مصونیت بهتر کالاها » و برای کمک به برداشت هرگونه بار الکتریکی پیش از این که به حد تخلیه جرقه ای برسد تکیه کرده است. امروزه، کار در زمینه نانو محدود به چند کشور خاص نمی شود. در عوض، در قسمت های مختلف جهان با سطوح مختلف پشتیبانی تخصصی و مالی اجرا می شود. ژاپن، کره، تایوان و کشورهای اروپایی از جمله اسکاتلند و هلند نیز نقش های مؤثری در گسترس توانمندی های نانوتکنولوژی ( غیر از ایالات متحده ) ایفا کرده اند – و جلب نظر به این تکنولوژی در سرتاسر جهان همچنان ادامه دارد (23).
میکروالکترونیک ها امروزه به طور روتین ساختارهای حدود 100 نانومتری را می سازند. بنابراین عصر ساخت نانویی، از یک جهت پیش از این وجود داشته، « و عصر علم نانو آغاز شده است، ولی عصر استفاده های عملی یافته های نانوتکنولوژی از ساختارهای نانویی هنوز ( تا شروع قرن 21 ) آغاز نشده است (24) ». ولی پیشرفت های زیادی در ربع دهه گذشته صورت گرفته است. پیشرفت در گسترش علم درمان شناسی ترکیبی نیز با اندازه نانو و سیستم های تحویل داروهایی با اندازه نانو در طول دهه گذشته قابل توجه بوده است (25).
به طور کلی، شناسایی اختصاصی تفصیلی بسیار جزیی گسترش در حوزه این تکنولوژی بسیار دشوار است. به این دلیل که نانوتکنولوژی موضوعی میان رشته ای است. از این رو، شیوه های مختلف فیزیکی، شیمیایی، زیستی و ترکیبی مختلفی برای آمیختن مواد نانویی وجود دارد. در تمامی این صحنه ها به طور همزمان کارهای مختلفی در حال انجام است و دستاوردهای آنها با سطوح مختلف موفقیت دیده می شوند.

فضا و سایر کاربردهای دفاعی

امروزه میادین جنگ به انتقال دقیق تر قوا، با آسیب های جنبی کمتری نیاز دارند. این امر می تواند با استفاده هوشمندانه از حسگرها و ابزارهای مختلف فن آوری اطلاعات فراهم شود. در دسترس بودن مواد ساختاری قوی تر و سبک تر و مواد منفجره و باروت های قابل اطمینان که انرژی بیشتری را رها می کنند به این اتفاق کمک می کنند. وزن نقش حیاتی در رابطه با عملکرد هرگونه سکوی انتقال تسلیحات در کشتی یا در هواپیما ایفا می کند. صرف نظر از وزن سلاح روی کشتی، وزن سکوی آن نیز حیاتی است. هر چه وزن کمتر باشد، قابلیت مانور دادن سکو بیشتر است. طراحی و توسعه سکو اصولاً به وزن، استحکام، نوع و کیفیت مواد استفاده شده برای ساخت آن بستگی دارد. چنین مواد خورنده با آسیب پذیری کمتر در ساخت کشتی ها، زیردریایی ها، هواپیماها و ماهواره ها مفید هستند. انتظار زیادی از مواد نانوساختار در کاربردهای ساختاری می رود. نانو کامپوزیت ها قبلاً راه خود را به خودروها باز کرده اند و به 10 – 15% پیشرفت های وزن و قدرت آنها رسیده اند و انتظار می رود که این میزان به 20 – 25% برسد (1). چنین مواد ساختاری و کوچک سازی به صورتی که نانوتکنولوژی به آن دست یافته است، احتمالاً نقش بسیار حیاتی در مورد طراحی وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین یا وسایل نقلیه هوایی جنگی بدون سرنشین ایفا می کنند (2).
مشاهده شده است که نانوتکنولوژی اثر مهمی بر روی تکنولوژی های فضایی آینده دارد. ضرورتی به یادآوری نیست که ماهواره های سراسر جهان برای کاربردهای نظامی و دفاعی همواره مورد استفاده قرار می گیرند. این ماهواره ها از موشک های پرفشارتر برای ماندن در مدار یا تغییر مدار استفاده می کنند. این به خاطر چندین عامل از جمله فشار نیوتن ( کشش گرانشی برای آوردن اشیا به پایین ) ضرورت می یابد. عمر این ماهواره ها تا حد زیادی توسط مقدار سوختی که آنها می توانند با خود حمل کنند تعیین می شود. در حقیقت، بیش از یک سوم سوخت داخل هواپیما که توسط ماهواره ها حمل می شود به خاطر احتراق ناکامل و ناکارآمد سوختی مانند هیدرازین توسط این پشتیبان های جابجا شونده ( Repositioning Thrusters ) هدر می رود. دلیل این احتراق ناکامل و ناکارآمد این است که چاشنی های همراه با هواپیما به سرعت فرسوده می شود و نمی تواند نقش مؤثری ایفا کند. نانومواد، مانند کامپوزیت دی بورید – مس تونگستن – تیتانیوم نانو کریستال کاندیداهای بالقوه ای برای ارتقای عمر و ویژگی های اجزایی این چاشنی ها هستند (3).
دانشمندان فضایی و دفاعی سعی می کنند نانومواد را به عنوان مواد جایگزین مواد متداول جایگزن نمایند. مواد پرمنفذ نانویی سبک تر مانند آئروژل ها (4) کاربردپذیری گسترده تری در تولید فضاپیماها و صنایع دفاعی دارند. حتی برخی لباس ها و ژاکت های خاص سبک را نیز می توان با استفاده از آئروژل ها ساخت. مواد خاص با دمای بالا که به دشواری ساخته می شوند نیز می توانند همانند نانوموادها در دماهای پایین تر ساخته شوند.
به غیر از سوخت همراه، ماهواره ها در خارج از جو زمین از انرژی خورشیدی به عنوان منبع انرژی برای فعالیت های مختلفی استفاده می کنند. طراحان ماهواره ها همواره برای یافتن ابزارهای کاهش وزن این گونه سلول های خورشیدی کار می کنند. این احتمال وجود دارد که فضاپیماها در آینده بتوانند انرژی خود را از پرتوهای سلول خورشیدی نانوذراتی حساس شده با رنگ درخشان که به کاهش وزن و افزایش کارآیی این وسایل نقلیه کمک می کند، بگیرند.
وسایل فضایی نیز به مواد چند منظوره با عملکرد بالا نیاز دارند تا بتوانند در طی مرحله پرتاب و در فضا در محیط های ناملایم و دور مقاومت کنند (5). مخصوصاً این مواد باید دمای بالا و دمای پایین را در فشار بالا و فشار پایین پایدار نگه دارند. برای برخی قسمت ها، پلیمرهای سبک وزن کاملاً جذاب هستند. دمای پایین این فرآیند، امکان فیبری کردن آنها، پوشش ها و غشاهای نازک پلیمرها را به عنوان یک عایق داخلی در موتورهای موشک جامد جذاب کرده است. کامپوزیت های پلیمری که از فیبرهای سیلیسی و نانوذرات ها استفاده می کنند به خصوص برای چنین عملیاتی مناسب هستند. نانوذرات در کامپوزیت های پلیمری که پشتیبانان بهتری برای تابش هستند، بر کامپوزیت های مبتنی بر ریزذرات مزیت دارند. در ماهواره ها چاشنی های بهتری از مواد نانوکریستالی در نظر گرفته شده اند. در هواپیماها، به ویژگی های ممتاز، به ویژه به مواد مقاوم در برابر فرسودگی نیاز است. نانوتکنولوژی در اینجا گزینه های قابل دوامی را پیشنهاد می کند.
ناسا بر روی برنامه فوق مدرنی به نام « مرفینگ » کار می کند. تیمی که بر روی پروژه مرفینگ کار می کنند موادی با ویژگی های بسیار غیرعادی را آزمایش می کرده اند. این ها شامل موادی با قابلیت خم شدن هستند و زمانی که در میدان مغناطیسی قرار می گیرند از مایع به جامد تبدیل می شوند. هدف این کار تولید مواد هوشمندی است که بتواند خودتشخیص و خودتعمیر باشد (6). با نگاه به وضعیت کنونی تکنولوژی، این مفهوم دور از انتظار است. با این وجود، پیشرفت چشمگیری در این زمینه ظرفیت دگرگون سازی صنعت سکوی نظامی را دارد.
این پروژه انتظار دارد که هواپیماهای آینده از قطعات و سیستم های قدیمی و متعددی که به طور مکانیکی به هم وصل شده اند ساخته نشوند. در ساختار بال این هواپیما ممکن است از مواد « هوشمند » کاملاً یکپارچه تعبیه شده توسط نانوتکنولوژی بکار رود یا از مکانیسم های عاملی استفاده شود که بال های هواپیماها را به سطوح جدیدی از کارایی های ایرودینامیکی و کنترل هواپیما مجهز می کنند. این سکو توانایی پاسخ به شرایط دائماً متغیر پرواز را دارد؛ حسگرها مانند اعصاب درون بال پرندگان عمل خواهند کرد و فشار کل سطح بال را اندازه گیری خواهند کرد و مطابق با تغییرشکل بال های هواپیما عمل می کنند تا همواره شرایط پرواز را بهینه کنند. در اینجا، استفاده گسترده از نانوتکنولوژی ممکن است برای بهبود حس و فعال سازی همانند پلیمرهای الکتروفعال در حال گسترش انجام شود. محققانی که در این زمینه فعالیت می کنند امروزه یک مکانیسم فعال کامپوزیتی پلیمری نانولوله ای کربنی ( CNT ) تک ریخت اصلی جدید اختراع کرده اند (7).
پس از 11 نوامبر 2009، ضرورت ردیابی دراز مدت CBRNE ( مواد منفجره هسته ای رادیولوژیک زیستی شمیایی ) تشخیص داده شد؛ این ماده توسط بسیاری از تحلیل گران امنیت به عنوان خطر محتمل در آینده مطرح شده است. این مسئله به طور خاصی چالش دار است. اینجا، در محیط های شلوغ شهری که درگیر فعالیت های مشکوک به ساخت بمب هستند، شناسایی دقیق مردم و اماکن ضروری است. هم زمان تروریست های عصر مدرن از دستگاه های منفجره اصلاح شده ( IEDs ) کنترل دار بی سیم و بمب های نقلیه ای استفاده می کنند که خسارت های چشمگیر جانی به همراه دارند و به زیرساخت آسیب می رسانند. علاوه بر آن، دانشمندان برای ساخت دستگاه های مکانیسم شناسایی، نانوتکنولوژی را کنار سایر تکنولوژی ها می گذارند. می توان در کنار پردازش علامتی ضعیف به منظور توانمندسازی ردیابی طولانی مدت بناهای مخفی و مستتر که ممکن است مواد منفجره در آن ساخته و ذخیره شود از تکنولوژی طیف سنج نوری – صوتی معکوس دو شعاعی ( REPAS ) استفاده کرد. از دستگاه ردیابی شیمیایی دستی نیز انتظار می رود که توانایی شناسایی مقدار جزیی ترکیبات خطرناکی که توسط مردم حمل می شوند را داشته باشند (8).
در تمامی نبردهای نظامی اخیر، به دلیل کشنده بودن گلوله های ( سوراخ کننده ) اورانیوم تهی شده ( DU ) در مقابله با اهداف سخت شده و وسایل نقلیه مجهز دشمن استفاده از آن همواره ناراحتی هایی را به همراه دارد. این عمدتاً بدین دلیل است که گلوله های اورانیوم تهی شده رادیواکتیویته پسماند دارند و بنابراین، برای بشر سمی ( سرطان زا )، منفجره و مهلک هستند. با این وجود، هیچ جایگزینی برای استفاده از گلوله های اورانیوم تهی شده وجود ندارد زیرا آنها مکانیسم خودتیزکنی منحصر به فردی در اصابت گلوله به هدف دارند. آلیاژهای سنگین نانوکریستالی مبتنی بر تنگستن به دلیل ویژگی های منحصر به فرد دگرریختنی شان مانند لغزش مرز دانه ای [ تغییر شکل ذرات بدون اینکه به مرزهای آن ها خللی وارد شود ] ( grain – boundary sliding )، خود را مرهون چنین مکانیسم خودتیزشوندگی ( Self-sharpening ) می داند. بنابراین آلیاژها و کامپوزیت های سنگین نانوکریستالی مبتنی بر تنگستن به عنوان کاندیداهای بالقوه برای جایگزینی سوراخ کننده های اورانیوم تهی شده ارزیابی می شوند (9)
یک شرکت خصوصی آمریکایی در نیویورک ( مواد آپ نانو ) موفق به تولید نانولوله های دیسولفید غیرآلی تونگستن ( WS2 ) در مقادیر صنعتی شده است. این موفقیت چشمگیر در 30 ژوئن 2008 اعلام شد. این ماده فوق العاده قوی برای تولید جلیقه های ضدگلوله، کلاه های ایمنی و سایر تجهیزات ایمنی شخصی استفاده می شود. این ماده چهار تا پنج برابر از استیل و شش برابر از کولار ( Kevlar )، ماده پذیرفته شده برای استفاده در جلیقه های ضد گلوله، قوی تر است (10).

تسلیحات و مهمات معمولی و غیراتمی

مواد قوی تر و سبک تر مبتنی بر نانوتکنولوژی می تواند در ساخت تسلیحات غیراتمی لوله ای شکل با جرم کاهش یافته کمک کند. قابل تصور است که جنگ افزارهای کوچک و سلاح های سبک بتوانند از لوله جنگ افزار، قفل گلنگدن و غیره که از کامپوزیت های نانوفیبری ساخته شده اند استفاده کنند. در واقع، این می تواند به کاهش وزن چنین سلاح هایی کمک کند. حتی نسبت به موشک های بالیستیک و هوایی، جرم کاهش یافته می تواند به افزایش چشمگیری در سرعت، طیف یا بار مفید و کاهش اندازه حامل تبدیل شود. همچنین پیش بینی شده است که باروت و مواد منفجره ای که توسط نانوتکنولوژی اصلاح شده اند احتمالاً طی دهه آینده وارد کاربری نظامی شوند (11).
مطالعات اخیری که موضوع آنها چگونگی تهیه و استفاده مواد منفجره توسط نانوتکنولوژی است حکایت از چگونگی کاربری این تکنولوژی نسبت به کاربردهای نظامی تهاجمی دارد. زمانی که احتراق و انفجار مواد منفجره قوی مدنظر باشد، مهندسی و کنترل ویژگی های مواد فعال در مقیاس نانو از اهمیت بیشتری برخوردار است. امروزه، دانشمندان به میزان نسبتاً زیادی در کنترل ویژگی های احتراق و انفجار مواد منفجره قوی از طریق ساختار آن به موفقیت هایی دست یافته اند (12). آنها در جایگاهی هستند که ذرات مواد منفجره قوی را با مقیاس نانو به دست آورده و به حالت تثبیت و موازنه در می آورند. تاکنون، تنها راه برای تنظیم واکنش پذیری انفجاری، ترکیب کردن چند ماده شیمیایی برای به دست آوردن ترکیبی با ویژگی های صحیحی بود. امروزه، حداقل امکان نظری برای تغییر ویژگی های واکنش پذیر از طریق ساختار مواد منفجره وجود دارد. انتظار می رود که نانوتکنولوژی به تعریف میزان احتراق مهمات و نیز تنظیم سرعت انفجار مواد منفجره قوی کمک کند (13).

جنگ افزارهای اتمی

مشاهده شده است که در مقایسه با جنگ افزارهای اتمی، انقلاب در نانوتکنولوژی تغییر چندانی در ویژگی های تسلیحات اساسی به همراه ندارد. اگر هر تغییری وجود داشته باشد، انتظار می رود که به عرصه سیستم های راهنمایی، ایمنی، مسلح کننده و ذوب وارد شود (14).
خازن های جدید، مدارهای مجتمع ( IC ) جدید مقاوم در برابر تشعشعات اتمی، مواد کامپوزیتی جدید قادر به تحمل دماهای بالا و شتاب موجب پیشبرد سطح بیشتر کوچک سازی و افزایش متناظر ایمنی و قابلیت استفاده سلاح های هسته ای می شوند. در نتیجه، تأسیسات نظامی و امکان آرایش نظامی رو به جلو، و نیز توانایی مأموریت های جدید افزایش خواهد یافت (15).
هر پیشرفتی در محاسبات توانمندسازی نانوتکنولوژی ( NT enabled computing ) می تواند مدل سازی کلاهک های جنگی را به سطح بسیار بالایی از تکامل و مهارت امروزی برساند (16).

پیش بینی اوضاع جوی فضایی

در سال های پیش رو، از آنجایی که ارتباط و ناوبری می تواند الزاماً با سیستم های فضایی کنترل خواهند شد، احتمالاً وابستگی نظامی به تجهیزات فضایی افزایش می یابد. نامتعادل بودن امواج فضایی ( Ionospheric )، طوفان های خورشیدی و سایر طوفان های ژئومغناطیسی بر روی عملکرد سیستم های فضا تأثیر می گذارند. با این نگرش، داشتن اطلاعات دقیقی از جو فضا در نزدیکی زمین و محیط فضایی خورشید ضروری است. در حال حاضر، تلاش ها برای پیش بینی جو فضا با چالش های تکنولوژیکی مواجه می شوند. انتظار می رود که حسگرهای نانوساختار نقش اساسی در دریافت اطلاعات از امواج فضایی و سایر مناطق فضا ایفا کنند (17).

سرمایه گذاری های نظامی در نانوتکنولوژی: چشم اندازی جهانی

در قرن 21، هزینه های نظامی ایالات متحده تقریباً نیمی از کل هزینه های نظامی جهان محسوب می شود (18). اساساً ایالات متحده بر تحقیق و توسعه ( R&D ) نظامی سرمایه گذاری می کند. این حجم سرمایه گذاری ها نزدیک به دو سوم هزینه های جهان برای تحقیق و توسعه نظامی است. ارتش آمریکا از اوایل دهه 1980 درگیر پژوهش نانوتکنولوژی شده است (19). از دهه اخیر، سرمایه گذاری های پژوهشی و نظارتی از سوی وزارت دفاع ( DoD ) در عرصه نانوتکنولوژی چشمگیرتر شده است. در اواسط دهه 1990، وزارت دفاع نانوتکنولوژی را به عنوان یکی از شش حوزه استراتژیکی پژوهش شناخت (20). برنامه نانوتکنولوژی وزات دفاع به هفت ناحیه تشکیل دهنده برنامه ای ( PCAs ) طبقه بندی می شوند (21) که منطقه تشکیل دهنده برنامه، ابتکار عملیات نانوتکنولوژی ملی آمریکا ( NNI ) را منعکس می کند (22). نزدیک به نیمی از سرمایه گذاری نانوتکنولوژی وزارت دفاع به DAPRA ( آژانس پروژه های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی ) اختصاص می یابد و بقیه آنها به نیروهای مسلح می رسد (23). آنها همچنین از سال 1998 مؤسسه ای برای نظامی شدن نانوتکنولوژی در انستیتو نانوتکنولوژی ماساچوست دارند که بکار تحقیق و توسعه در موضوعات متعدد نانوتکنولوژی نظامی مشغول است (24).
وزارت دفاع برای پیشبرد اهداف تهاجمی و دفاعی بر روی نانوتکنولوژی سرمایه گذاری می کند (به شکل 1-4 مراجعه شود). اولین مناطق مدنظر آنها شامل جمع آوری، پردازش، ذخیره سازی و نمایش اطلاعات ( نانوالکترونیک )، عملکرد و قدرت خرید مواد ( مواد نانو )، و دفاع جنگی شیمیایی و زیستی ( حسگرهای نانویی ) می شود. آنها همچنین به نانوتکنولوژی به عنوان تکنولوژی مبنا در تولید ابزار حفاظتی سرباز می نگرند. یکپارچگی این عاملیت ها در یک تکنولوژی واحد هدف نهایی « مؤسسه نانوتکنولوژی نظامی ( Institute for Soldier Nanotechnologies ) می باشد (25). نمودار بعدی ( شکل 1–4 ) سرمایه گذاری سالانه وزارت دفاع در نانوتکنولوژی را نشان می دهد:

نمودار سرمایه گذاری سالانه وزارت دفاع در نانوتکنولوژی