Nanotechnologie a zítřejší pěšák

Armáda byla vždy na špice techniky. Od starověké makedonské falangy přes anglický dlouhý luk až po atomovou bombu. Technologický pokrok byl vždy účinným způsobem, jak poskytnout jedné armádě vítěznou výhodu nad druhou.

Aplikace nanomateriálů je nyní rozšířena ve všech průmyslových odvětvích, jejich aplikace v technologickém pokroku pro armádu je zaručena.

Zatímco nanomateriály jsou nyní nasazovány v široké škále vojenského vybavení, jako jsou nátěry pro letadla, pouzdra dělostřeleckých granátů, námořní komunikační systémy, pancéřování tanků a další části vojenské techniky, mají také mnoho současných a budoucích využití pro pěšáky.

Zde je zkoumání to, kde a jak nanotechnologie pomůže «botám na zemi».

Nanotechnologie pro vysokou pevnost při nízké hmotnosti

Průměrná hmotnost baterií, které vezli bojoví pracovníci americké armády v Afghánistánu, byla až 4,5 kg – techničtí vojáci museli nést až 13 kg. Když se k této hmotnosti připočte 30 až 50 kilo výstroje a uniformy nošené v poli, pak je jasné, že hmotnost je pro pěší prapory skutečným problémem.

Současně musí být vybavení a oblečení nošené v bojových situacích pevné, odolné proti prasknutí, někdy voděodolné a musí být schopné fungovat v extrémních povětrnostních podmínkách.

Nanomateriály jsou ideálním řešením tohoto problému, protože jsou výjimečně pevné, ale zároveň lehké. Jsou široce používány pro zpevnění pryže, plastů a textilií a také poskytují odolnost proti prasklinám a nárazům.

Používají se při výrobě sportovní obuvi a oděvů vyšší třídy a v nadcházejících letech se budou objevovat v botách a bojových oděvech vojáků po celém světě.

Nanotechnologie v energetice

Například fotovoltaická, termoelektrická a piezoelektrická zařízení s nanotechnologií jsou kousek od schopnosti získávat elektřinu ze sluneční energie, odvodit tělesné teplo a kinetickou energii z pohybu vojáka. V mnoha případech mohou být tyto zdroje energie zabudovány přímo do tkaniny uniformy, s dostatečným výkonem pro rádio nebo pro zahřívání oblečení případně pro chlazení jako ochranu proti přehřátí/úpalu.

Nedávno skupina japonských výzkumníků v oblasti nanomateriálů demonstrovala ultratenká flexibilní organická fotovoltaická zařízení s účinností téměř 8 % s použitím nového materiálu nazvaného PNTz4T. Tyto zdroje elektrické energie byly integrovány do textilu, který dokonce zůstal pratelný.

Alternativně může termoelektrické zařízení přeměnit tepelnou energii na elektrickou energii. Jde o technologii, která využívá Seebeckova jevu, kdy teplotní rozdíl mezi dvěma odlišnými elektrickými vodiči vytváří rozdíl napětí mezi dvěma látkami.

Zatímco jejich účinnost byla vždy nízká, pokrok v nanotechnologii umožnil vytvořit nositelná termoelektrická zařízení. Zatímco v současnosti produkované nízké elektrické napětí (jen několik µW) znamená, že lze napájet pouze docela jednoduchá zařízení, nanomateriály, jako je telurid vizmutu, uhlíkové nanotrubice a grafen, výrazně zlepšily výstupní výkon. Nanotechnologie zároveň snižují poptávku po elektrické energii tím, že umožňují vytvářet stále menší elektroniku. Tato kombinace dělá z nanomateriálů most k nositelnému, teplem poháněnému zařízení zabudovanému do vojenského oděvu.

Nanotechnologie v bateriích

Volbou pro napájení přenosné elektroniky pro vojenské i nevojenské použití jsou lithium-iontové baterie díky své vysoké kapacitě, dlouhé životnosti a díky tomu, že jsou dobíjecí.

Konstruktéři baterií se zabývají tím, jak používat grafen, který je velmi slibný jako katodová surovina. Dokáže zachovat účinnost přenosu elektronů, je flexibilní, tenký a má srovnatelný výkon s konvenčními surovinami, jako je hliník a měď.

Kromě toho, implementace grafenu s nanočásticemi oxidu cínu jako anodou a proudovým kolektorem může poskytnout dobrou kapacitu anodu vedle elektrochemické stability.

Nanotech senzory v textilu

Výzkumníci se intenzivně snaží vyvinout textilie založené na nanotechnologiích s prvky nanosenzorů pro chemické, biologické, radiologické a jaderné hrozby (CBRN). Jak vysvětluje průmyslový časopis Nanowerk: „...kvůli atomům/molekulám dostupným na povrchu ve srovnání s těmi v jádře (vysoký poměr povrchu k objemu) jsou [nanomateriály] zvláště zajímavé pro detekci, ochranu a dekontaminaci CBRN bojových látek.”

Vzhledem k povaze válečných bojů musí být tkanina pro vojenské oblečení také nepromokavá, izolační a také musí poskytovat lehkou ochranu proti střelám a střepinám.

Očekává se, že plná integrace všech těchto technologií povede k dynamickému, lehkému a pohodlnému bojovému obleku.

Nanotechnologie v brnění

V současné době je kladen velký důraz na výzkum a vývoj neprůstřelných vest s použitím nanomateriálů, které jsou lehčí než současné ochranné prostředky proti střelám a výbuchu, a které váží přibližně 14–15 kg.

Aby byla splněna kritéria pro ideální neprůstřelnou vestu, musí použité materiály nejen zabránit průniku střely, ale také musí být schopny střely odrazit.

Jako možné ultralehké varianty se zkoumají nanomateriály jako magnetická a nemagnetická keramika, materiály na bázi uhlíku, jako jsou uhlíkové nanotrubice (CNT) a grafen.

Uhlíkové nanomateriály mají několik vlastností, které je dělají vhodnými pro vytváření ultralehkých neprůstřelných vest, jako je jejich nízká hmotnost, schopnost vytvářet pevné kompozity v polymerních a keramických matricích a vysoká odolnost proti tepelné degradaci a absorpci vysokoenergetických nárazů.

Simulace například ukázaly, že CNT dostatečné délky může zastavit kulku díky své schopnosti absorbovat kinetickou energii. Grafen, který má voštinovou 2D strukturu, má podobně působivé mechanické vlastnosti, včetně vysoké odolnosti proti deformaci (měřeno Youngovým modulem).

Specifická odolnost vůči penetrační energii vícevrstvého grafenu je také desetkrát vyšší než u makroskopických ocelových plechů při rychlosti střely 600 ms^-1, což z něj dělá mnohem pevnější variantu pro neprůstřelné vesty.

Bylo prokázáno, že kompozity grafenu a CNT v polymerní matrici, jako je polyethylen, poskytují pevnější neprůstřelný pancíř, který je výrazně lehčí (až o 70 %) než současné neprůstřelné vesty. Praktičnost výroby samostatné zbroje pro jednotlivé vojáky však zůstává výzvou.

Nanotechnologie představují výbornou příležitost pro armádu, jak zlepšit způsob, jakým můžou být vojáci vybaveni k boji. Potenciální aplikace této technologie jsou rozsáhlé, od vytváření lehkého a odolného brnění až po vývoj lékařských řešení pro rychlé léčení zranění na bojišti. Zatímco o tom, jak budou tyto technologie implementovány, stále není mnoho známo, vyhlídka na chytřejšího a efektivnějšího pěšáka poskytuje náhled do budoucnosti válčení.

Zdroj foto: HIZIR KAYA on Unsplash, Picryl, Dariusz Sankowski from Pixabay, Wikimedia, Nara, Picryl, Wikimedia, centaur60, Gordon Taylor from Pixabay, Creative Commons