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