8 دقیقه
پژوهشگران در چین مسیری شگفت‌آور برای رسیدن به پنهان‌سازی راداری گزارش داده‌اند: یک پوشش نازک کربنی حاصل از یک گیاه رایج. با ترکیب ساختارهای زیستی دیرینه با نانومواد نوین، تیم تحقیقاتی اظهار میکند که این فیلم میتواند تقریباً تمام امواج راداری باند Ku را جذب کرده و به طور چشمگیری سطح مقطع راداری (RCS) هواپیما را کاهش دهد.
از لیوف تا ماده کم‌قابل‌رصد
دانشمندان موسسات پژوهشی چین و شرکت صنایع هوافضای چین (CASIC) لیوف خشک‌شده — یک گیاه الیافی که سال‌ها بهعنوان اسفنج حمام کاربرد داشته — را به یک داربست کربنی سبک تبدیل کردند. سپس آن ساختار را با نانوذرات اکسید نیکل–کبالت پوشش دادند تا یک کامپوزیت با نام NCO-2 تولید شود. فیلم حاصل تنها 4 میلی‌متر ضخامت دارد اما بر اساس مطالعه‌ای که در مجله High Power Laser and Particle Beams منتشر شده است، میتواند بیش از 99.99٪ از انرژی الکترومغناطیسی تابیده‌شده در باند Ku (12–18 گیگاهرتز) را جذب نماید. این دستاورد نشان‌دهنده پیشرفتی مهم در حوزه پوشش‌های جاذب رادار و مواد پنهان‌ساز راداری است، به‌خصوص وقتی صحبت از کاهش سطح مقطع راداری و پنهان‌سازی هواپیماها باشد.
چرا ساختار اهمیت دارد
نکته کلیدی در شبکه سه‌بعدی طبیعی الیاف سلولزی گیاه نهفته است. پس از کربونیزه شدن، این شبکه به یک داربست رسانا و فوق‌سبک تبدیل می‌شود — چیزی شبیه «ریزجنگلی» از کانال‌های متصل. امواج الکترومغناطیسی واردشونده به این ماده تحت بازتاب‌های داخلی متعدد و مسیرهای پیچ‌درپیچ قرار می‌گیرند که طول مسیر تعامل را افزایش داده و اتلاف انرژی به ماده را تقویت میکند. این هندسه سه‌بعدی، همراه با خواص الکترومغناطیسی نانومواد پوشش‌دهنده، نقش تعیین‌کننده‌ای در عملکرد جذب امواج دارد و نمونه‌ای روشن از طراحی ساختاری الهام‌گرفته از بیولوژی برای کاربرد در مهندسی رادار است.
تبدیل الکترومغناطیسی به حرارتی
- بازتاب‌های متعدد مسیر امواج را درون جاذب طولانی‌تر می‌کنند که احتمال برهم‌کنش و اتلاف انرژی را افزایش میدهد.
- نانوذرات NiCo2O4 مکانیسم‌های تلفات مغناطیسی فراهم می‌آورند که انرژی میدان مغناطیسی موج را به گرما یا حالت‌های داخلی دیگر تبدیل می‌کنند.
- چارچوب کربنی هادی امکان حرکت الکترون‌های آزاد و ایجاد مقاومت ژول (Joule heating) را میدهد و بدین‌وسیله بخش قابل توجهی از انرژی رادار را به گرما تبدیل میکند.
در مجموع، این اثرات باعث می‌شود که حتی برای پالس‌های راداری که از زاویه عمودی و مستقیم تابیده می‌شوند — که یکی از سخت‌ترین آزمون‌ها برای سنجش پوشش‌های جذب‌کننده در باند Ku است — فیلم نازک عملکرد جذب استثنایی نشان دهد. چنین قابلیتی برای مقابله با آشکارسازی ماهوارهای و رادارهای فضایی اهمیت بالایی دارد، زیرا این حسگرها معمولاً از زوایای قائم با هدف‌های زمینی و هوایی تماس برقرار می‌کنند.
عملکرد، پیامدها و اعداد
نویسندگان مطالعه ادعا می‌کنند که اعمال این پوشش میتواند سطح مقطع راداری (RCS) یک هواپیمای پنهان‌کار را به‌طور قابل‌توجهی کاهش دهد. بهعنوان مثال، جسمی با RCS عمودی 50 متر مربع ممکن است به کمتر از 1 متر مربع تقلیل یابد که در این حالت تشخیص توسط رادارهای ماهوارهای بسیار دشوارتر خواهد شد. RCS معیاری استاندارد برای بیان این است که یک جسم از دید رادار «چقدر بزرگ» به نظر می‌رسد؛ کاهش آن به‌صورت چند مرتبه، هدف اصلی مهندسی پنهان‌سازی راداری است. در این مطالعه، درصد جذب بیش از 99.99٪ در باند Ku نشان میدهد که ماده NCO-2 توانایی تبدیل سریع و مؤثر انرژی موج راداری به فرم‌های غیرقابل‌بازتاب دارد، امری که میتواند تأثیر زیادی بر قابلیت کشف و ردگیری اهداف هوایی و سطحی داشته باشد.
برای تحلیل فنی‌تر، باید توجه داشت که مؤلفه‌های مؤثر در کاهش RCS شامل خواص دی‌الکتریک و مغناطیسی نانوذرات، رسانایی چارچوب کربنی، ساختار تخلخل و ضریب بازتاب سطحی هستند. در عمل، کاهش RCS به کمتر از یک متر مربع در باند Ku میتواند نیازمند پوشش سطحی همگن و یکپارچه، طراحی هندسی مناسب بدنه هواپیما و ترکیب با دیگر فناوری‌های کاهش بازتاب مانند شکل‌دهی بدنه و استفاده از مصالح کامپوزیتی ویژه باشد.
همچنین لازم است به محدودیت‌های اندازه‌گیری و شرایط آزمایش توجه شود: نتایج آزمایشگاهی غالباً تحت شرایط کنترل‌شده و با نمونه‌های کوچک به‌دست می‌آیند. اندازه‌گیری‌های RCS در میدان آزاد، تحت شرایط جوی متفاوت، و در حضور منابع مزاحم الکترومغناطیسی ممکن است نتایج متفاوتی نشان دهند. با این حال، ترکیب جذب نزدیک‌به‌کامل در باند Ku با ضخامت تنها 4 میلی‌متر یک پیشرفت برجسته در حوزه مواد جاذب رادار و مواد مهندسی نانو به‌شمار می‌آید.
مواد پایدار و چشم‌اندازهای آینده
فراتر از جنبه‌های نظامی، این پژوهش نشان‌دهنده روندی فراگیرتر است: توسعه مواد کربنی با عملکرد بالا از پیشمادههای زیستی و پایدار. بازتبدیل ضایعات کشاورزی یا پسماندهای گیاهی به مواد کارکردی پیشرفته میتواند هزینه‌ها و اثرات زیست‌محیطی را در مقایسه با مسیرهای کاملاً سنتزی کاهش دهد. استفاده از لیوف بهعنوان پیش‌ماده نمونه‌ای از اقتصاد دایره‌ای و رویکردهای پایدار در مهندسی مواد است؛ این رویکرد میتواند منجر به تولید مواد جاذب رادار با اثر کربن کمتر و صرفه‌جویی در منابع طبیعی گردد.
نویسندگان همچنین به هم‌پوشانی با کاربردهای روزمره اشاره کرده‌اند — همان ماده شبیه لیوف که در گذشته بهعنوان اسفنج حمام مورداستفاده بوده، اکنون میتواند الهام‌بخش فناوری‌های پیشرفته شود. این ایده که ساختارهای طبیعی با تاریخچهٔ کاربرد ساده می‌توانند در مهندسی رادار و نانوشیمی به‌کار روند، نشان‌دهنده هم‌افزایی میان زیست‌شناسی، علم مواد و مهندسی الکترونیک است.
با این حال، سؤالات مهمی درباره مقیاسپذیری تولید، مقاومت در برابر شرایط محیطی (رطوبت، دما، فرسایش) و دوام در شرایط واقعی پروازی باقی می‌ماند. برای استفاده در هواپیماها و سامانه‌های نظامی یا غیرنظامی، پوشش‌ها باید در برابر تخریب مکانیکی، سایش، تابش UV و تغییرات دمایی شدید مقاوم باشند. همچنین باید ارزیابی شود که آیا عملکرد جذب طیف وسیع فرکانسی (فراتر از باند Ku) مناسب است یا باید ترکیب‌های چندلایه و چندمنظوره طراحی شود تا حفاظت در برابر رادارهای با فرکانس‌های مختلف (S، X، Ka و غیره) تضمین گردد.
به‌علاوه، تولید صنعتی چنین پوشش‌هایی مستلزم توسعه فرآیندهای کنترل‌شده برای کربونیزاسیون، نشاندن دقیق نانوذرات NiCo2O4 و اطمینان از یکنواختی موضعی است. روش‌های مقیاس‌پذیر و مقرون‌به‌صرفه مانند فرآیندهای شیمیایی مرطوب، الکترولیتی یا روش‌های مبتنی بر تف‌جوشی و پاشش ممکن است برای تولید انبوه نیاز باشد. ارزیابی چرخه حیات (LCA) و بررسی امکان بازیافت یا دفع امن مواد نیز برای تعیین پایداری واقعی این رویکرد ضروری است.
در نهایت، این کار نشان میدهد که چگونه معماری‌های زیستی ساده، همراه با نانوشیمی هدفمند، می‌توانند پوشش‌های قوی جذب‌کنندهٔ امواج الکترومغناطیسی تولید کنند. برای دستیابی به کاربردهای واقعی و تجاری، ادامه مطالعات درباره عملکرد طیفی، پایداری مکانیکی، همسان‌سازی با سطوح متنوع و سازگاری با خطوط تولید صنعتی ضروری است. ترکیب دانش مهندسی رادار، علم مواد و طراحی ساختاری مبتنی بر طبیعت میتواند راه را برای نسلی جدید از مواد پنهان‌ساز و جاذب رادار هموار کند؛ موادی که هم عملکرد بالا دارند و هم از منظر زیست‌محیطی و اقتصادی امیدوارکننده به نظر می‌رسند.
در مجموع، یافته‌های اولیه درباره پوشش کربنی لیوف با نانوذرات NiCo2O4 نقطه شروعی قدرتمند برای توسعهٔ پوشش‌های جاذب رادار با وزن کم و ضخامت ناچیز هستند. با پیشرفت تحقیقات، امکان دارد این نوع مواد بهعنوان بخشی از راهکارهای جامع پنهان‌سازی راداری و کاهش سطح مقطع راداری در صنایع دفاعی و برخی کاربردهای غیرنظامی وارد بازار شوند، به شرطی که مسائل مهندسی، محیط‌زیستی و تولیدی به‌درستی حل شوند.
منبع: smarti
ارسال نظر