فناوری نانو و مدیریت هزینه و انرژی در صنایع نظامی

چکیده
استفاده از فناوری نانو در صنایع دفاعی- امنیتی می‌تواند باعث کاهش هزینه‌ها گردد. فناوری نانو می‌تواند در کاهش مصرف سوخت هواپیماها و زیردریایی‌ها مؤثر باشد. فناوری نانو با تولید سوخت جدید برای موشک‌ها قابلیت‌های آن‌ها را بهبود بخشیده است. همین‌طور این فناوری می‌تواند منجر به کاهش هزینه بازرسی با اشعه x شود.
تعداد کلمات 1900 زمان مطالعه 9دقیقه

نویسنده رضیه برجیان

مقدمه

از نانو، بیوتکنولوژی و فناوری اطلاع‌رسانی به‌عنوان سه قلمرو علمی نام می‌برند که انقلاب سوم صنعتی را شکل می‌دهند. نانوتکنولوژی کاربردهای گسترده‌ای در تمام حیطه‌های زندگی دارد و ازاین‌رو توسعه آن می‌تواند به بهبود و تسهیل زندگی کمک فراوان کند. نانو مطالعه ذرات در مقیاس اتمی برای کنترل آن‌هاست. هدف اصلی اکثر تحقیقات نانو شکل‌دهی ترکیبات جدید یا ایجاد تغییراتی در مواد موجود است. نانو در الکترونیک، زیست‌شناسی، ژنتیک، هوانوردی و حتی در مطالعات انرژی بکار برده می‌شود. در نیم‌قرن گذشته شاهد حضور حدود پنج فناوری عمده بودیم که باعث پیشرفت عظیم اقتصادی در کشورهای سرمایه‌گذار شد.

استفاده از فناوری نانو در صنایع نظامی می‌تواند باعث کاهش هزینه‌ها گردد. در این مقاله مروری خواهیم داشت بر برخی از تولیدات نانو که می‌تواند باعث کاهش هزینه‌ها در صنایع نظامی گردد.

سوخت جدید برای موشک

آلومینیوم در صورت واکنش با اکسیژن، چهار برابر هیدرازین انرژی آزاد می‌کند، ولی واکنش گرمایی پودر به دلیل کمبود سطح مؤثر، احتراق شدیدی ندارد اما نانوپودرهای جدید آلومینیوم کاملاً می‌سوزند و انرژی بالای خود را آزاد می‌کنند و می‌توان در هر دو نوع سوخت جامد و مایع موشک، از آن‌ها استفاده کرد. با توجه به‌سرعت واکنش احتراق، به نظر می‌رسد به اکسیدکننده کمتری نیاز باشد. همچنین از نانوپودرهای فلزی می‌توان به‌عنوان نسل بعد مواد انفجاری نیز یاد کرد.[1] افزودنی‌های سوخت راکت، شامل ذرات اکسید آهن 3 نانومتری می‌توانند به‌عنوان کاتالیزور برای تبدیل پیشران جامد به گاز مورداستفاده قرار بگیرند. این گازها سپس مشتعل شده و نیروی پیشران موشک را تأمین می‌نمایند. این نانو کاتالیزورها سریع‌تر از کاتالیزورهای اکسید آهن معمولی عمل می‌نمایند و درنتیجه سرعت و برد بیشتری برای موشک‌هایی که از این نوع کاتالیزور استفاده می‌نمایند، قابل‌دسترسی هست. آزمایش‌های احتراق ماده «آر پی ـ 1» ژل‌مانند به همراه ذرات «الکس» که در یک موتور موشک آزمایشگاهی انجام شد، نشان داد که اضافه نمودن ذرات آلومینیوم به این ماده موجب افزایش قابل‌توجهی در آزاد کردن حرارت توسط «آر پی ـ 1» به دلیل آزادسازی انرژی با حجم بالا توسط آلومینیوم بوده است. مطالعات قبلی این ماده ژل‌مانند با پودرهای آلومینیومی معمولی نتایج خیلی پایین‌تری در بازدهی احتراق داشته است که این ممکن است به دلیل احتراق ناقص ناشی از بزرگ بودن ذرات آلومینیوم باشد. استفاده از این نانو ذرات می‌تواند از نظر تئوری منجر به احتراق کامل‌تر گردد که این به‌نوبه خود می‌تواند سبب افزایش مواردی نظیر دمای اشتعال بالاتر و نیروی پیشرانه بالاتر گردد.[2]

کاهش مصرف سوخت

استفاده از کامپوزیت‌های پلیمری که توسط نانولوله‌های کربنی تقویت‌شده‌اند (CNRP) یکی از کاربردهای نانولوله‌های کربنی خواهد بود. این مواد جدید به علت استحکام بیشتر و سبکی قادر خواهند بود به‌صورت بهتری شکل موردنظر طراحان ایروفویل را تأمین کنند به‌این‌ترتیب با کاهش نیروی پسآی هواپیما، هواپیما راندمان بهتری خواهد داشت، مصرف سوخت کاهش‌یافته و برد افزایش می‌یابد. هواپیما در زمان کوتاه‌تری از زمین بلند می‌شود و هزینه تعمیر نگهداری نیز کاهش می‌یابد.

کاهش هزینه بازرسی با اشعه x

استفاده از اشعه ایکس در فرودگاه‌ها امری متداول است. هم‌اکنون دستگاه اشعه ایکس جدیدی تولیدشده است که به دمای بالا برای تولید الکترون‌های با انرژی زیاد نیاز ندارد، از این الکترون‌های پرانرژی برای تولید اشعه ایکس استفاده می‌شود. این دستگاه از لایه نازکی از نانولوله‌های کربنی در دمای معمولی اتاق استفاده می‌نماید درحالی‌که در دستگاه‌های فعلی از الیاف فلزی در درون اتاق‌های خلأ با حرارت بالا استفاده می‌شود که این کاربرد ضمن کوچک کردن حجم این دستگاه‌ها، عمر بیشتری را هم برای این دستگاه‌ها فراهم می‌کنند که به‌این‌ترتیب امکان تولید دستگاه‌های قابل‌حمل اشعه ایکس فراهم می‌شود این دستگاه‌ها قابلیت استفاده در فرودگاه‌ها و آمبولانس‌های هوایی و تحقیقات فضایی را خواهند داشت.[3]

استفاده از نانوپودرها در منورها

ذرات با اندازه‌های مختلف طول‌موج‌های متفاوتی از نور را می‌پراکنند. رنگ و واکنش‌پذیری ذرات به اندازه آن‌ها وابسته است.[4] به دلیل هم‌اندازه بودن اندازه برخی نانو پودرها با طول‌موج نور مرئی، این طول‌موج را با تلألؤ بسیار زیادی منتشر می‌کنند؛ مثلاً فلورسانس فلز طلا در حالت نانوپودر بیش از ده برابر حالت معمولی آن است. در منورها یا موادی که نیاز به پراش شدید طیف خاصی از نور مرئی یا مادون‌قرمز است، می‌توان از نانو پودرهای فلزی ازجمله طلا استفاده کرد. به‌علاوه می‌توان رنگ‌های متکی بر نانو پودر را به‌جای رنگ‌های آلی به کاربرد و هواپیماهایی را که با فرسایش در سرمای شدید ارتفاعات مواجه هستند، رنگ‌آمیزی خاص نمود.[5]

استفاده از نانو ذرات در منورها می‌تواند باعث کاهش هزینه تولید آن‌ها گردد؛ چراکه بازتاب از سطح صورت می‌گیرد و بنابراین یک گرم از نانوپودر نسبت به یک گرم ماده معمولی بازتاب بیشتری دارد.

تحول در فناوری پیل سوختی

پیل سوختی در شناورها به‌خصوص شناورهای زیرسطحی و زیردریایی‌ها، کاربردهای وسیعی دارد. امروزه روش‌های مختلفی برای ذخیره‌سازی هیدروژن موردنیاز در پیل سوختی استفاده می‌شود؛ ازجمله ذخیره‌سازی به‌صورت مایع که برای آن به دمای بسیار پایین یا فشار بسیار بالایی نیاز است. با استفاده از نانولوله‌های کربنی برای ذخیره هیدروژن دیگر نیازی به دمای پایین، فشار بسیار بالا و تحمل وزن سنگین نخواهد بود. کاهش وزن سرعت بیشتر و مصرف سوخت کمتر را در پی خواهد داشت.

باتری‌های با ذخیره انرژی بسیار بالا

امروزه انواع مختلفی از باتری‌های قابل شارژ وجود دارند که دارای وزن زیاد و ذخیره انرژی اندکی هستند. این باتری‌ها در شناورها به‌خصوص در قایق‌های تفریحی، زیردریایی‌ها و کشتی‌ها به‌عنوان منبع برق اضطراری کاربرد دارند، امّا انرژی اندکی که ذخیره می‌کنند زمان ماندن زیردریایی‌های دیزل الکتریک در زیر آب را محدود می‌کنند. تنها در موقع حرکت سطحی دیزل قادر به فعالیت است و انرژی الکتریکی تولیدشده دیزل در باتری‌ها ذخیره می‌شود. در موقع حرکت در زیر سطح آب که به علت دسترسی نداشتن به هوا امکان کار برای دیزل وجود ندارد، از این انرژی الکتریکی استفاده می‌شود. فناوری نانو با ارائه باتری‌های با ذخیره انرژی بسیار بالا، زیردریایی‌های دیزل الکتریک را قادر می‌کند تا ده‌ها برابرِ زمان فعلی خود در زیر آب بمانند. علاوه بر آن فناوری نانو با کاهش وزن بسته‌های باطری، کاربردهای ارزنده‌ای در فناوری هوافضا، هواپیماهای بدون سرنشین، اتومبیل و شناورهای تفریحی کوچک پدید می‌آورد.

جاذب‌ها

استفاده از جاذب‌های انرژی موج دریا، نور خورشید، امواج صوتی و جاذب‌های ارتعاشی با جذب انرژی‌های محیطی می‌تواند باعث کاهش هزینه برای تولید انرژی گردند. البته برای چنین استفاده‌ای لازم است از مکملی که بتواند این انرژی‌ها را تبدیل به انرژی الکتریکی کند استفاده کرد. استفاده زیردریایی‌ها و پهبادها از انرژی‌های محیطی باعث می‌شود مدت زمان مانور آن‌ها افزایش یابد که برای عملیات‌های اطلاعاتی اهمیت بسزایی دارد.

جاذب‌های انرژی موج دریا و نور خورشید

فناوری نانو نسل جدیدی از مواد را ارائه می‌کند که همانند سلول‌های فتوالکتریک انرژی موج دریا و نور آفتاب را جذب می‌کنند و به‌مثابه منبع تأمین انرژی خواهند بود. ویژگی منحصربه‌فرد این مواد این است که همانند پوشش‌های معمولی دریایی قابل اتصال به بدنه شناور هستند که می‌تواند مدت دوام شناور در دریا را چندین برابر نماید و از انرژی‌های محیط استفاده کند. استفاده از این منابع انرژی مزیت‌های زیست‌محیطی نیز دارد.

جاذب‌های صوتی

این جاذب‌ها نیز مانند جاذبه‌ای ارتعاشی، علیرغم سبک و نازک بودن، انرژی صوت را به‌طور کامل میرا می‌کنند. جاذبه‌ای صوتی امروزی باوجود سنگین و حجیم بودن، نسبت به فرکانس و جهت صوت برخوردی، بازدهی متفاوتی دارند. فناوری نانو انواعی از جاذبه‌ای صوتی را ارائه می‌کند که ساختار مولکولی آن‌ها با جهت برخورد صوت و فرکانس صوت قابل تطابق باشد؛ به‌گونه‌ای که بتوانند بیشترین مقدار انرژی صوت را جذب کنند. این مواد در کشتی‌های مسافربری، شناورهای نظامی و زیردریایی‌ها کاربردهای بسیاری دارند و قسمت داخلی یا خارجی بدنه از این مواد پوشیده می‌شود.

جاذب‌های ارتعاشی

جاذبه‌ای ارتعاشی امروزی، موادی حجیم و سنگین هستند. فناوری نانو با ارائه جاذبه‌ای ارتعاشی جدید، تحول عمیقی را در این زمینه ایجاد خواهد کرد. این نانومواد، انرژی ارتعاشی را به مقدار بسیار بالایی در بین شبکه مولکولی خود ذخیره می‌کنند و ساختارهای مولکولی ویژه آن‌ها تا حد زیادی از انتقال انرژی ارتعاشی به مولکول‌های جانبی جلوگیری می‌کند؛ بدین ترتیب ارتعاش به‌خوبی مهار می‌شود. این مواد در کشتی‌های مسافربری، شناورهای نظامی و زیردریایی‌ها کاربردهای بسیاری دارند و اغلب در زیر موتورها و اجزای دوار شناورها نصب می‌گردند.[6]

کاهش هزینه‌های تولید صنعتی

فناوری نانو در کاهش هزینه‌های تولید صنایع نظامی نیز مؤثر است. محققان کشورمان در این زمینه دستاوردهای خوبی داشته‌اند که در زیر به برخی از آن‌ها اشاره می‌شود.

سنتز مواد نوین مهندسی کاربردی در هوا فضا و صنایع نظامی

تهیه مواد مهندسی با کاربردهای هوافضا و صنایع نظامی، صنایع خودروسازی، صنایع نیروگاهی و توربین‌های گازی و صنایع دما بالا در شرایط خورندگی بالا صورت می‌گیرد. یکی از نیازهای اساسی فناوری‌های روزآمد، دستیابی به مواد اولیه با ویژگی‌های مطلوب از قبیل خلوص بالا، فازهای مطلوب، مورفولوژی دلخواه است. از میان روش‌های پیشنهادی در جهت دستیابی به مواد اولیه با خواص موردنظر اخیراً روش سنتز احتراقی خودگستر (SHS) توجه بسیاری از محققان را جلب کرده است. صرفه‌جویی در انرژی، سادگی پروسه، سرعت بالای سنتز و زمان پایین واکنش، خلوص بالای محصول و بالاتر از مواد اولیه و سنتز پذیری بالای محصول ازجمله عواملی است که این روش را از فرایندهای متداول سنتز متمایز می‌کند.
از نانو، بیوتکنولوژی و فناوری اطلاع‌رسانی به‌عنوان سه قلمرو علمی نام می‌برند که انقلاب سوم صنعتی را شکل می‌دهند.فرآیند SHS به‌طور خلاصه، بهره‌گیری از واکنش گرمازای بین اجزای مواد اولیه در جهت گسترش واکنش به کل نمونه پس‌ازاینکه منبع گرمایش اولیه خاموش شد، است. با توجه به اینکه اکثر مواد نوین مهندسی از قبیل سرامیک‌های غیر اکسیدی و اینترمتالیک‌ها ترکیبات به مراتب پایدارتر از عناصر تشکیل‌دهنده‌شان هستند، لذا کاندیداهای مناسبی برای واکنش SHS محسوب می‌شوند. از طرف دیگر افزایش دمای نمونه حین سنتز احتراقی حتی تا بالای ۰۱۱۱ درجه سانتی‌گراد سبب تصعید بسیاری از ناخالصی‌ها می‌شود. با توجه به شرایط غیرتعاملی واکنش، مواد سنتز شده حاوی عیوب ساختاری بسیاری هستند که همین مسئله سبب بهبود سنتز پذیری پودر تهیه‌شده می‌شود. تلفیق این روش با فعال‌سازی مکانیکی، سنتز ترکیبات نانو ساختار و نانو کامپوزیت‌ها را می‌تواند به ارمغان آورد. تجهیزات موردنظر این روش نسبتاً ساده و در دسترس است و با توجه به انعطاف‌پذیری آن با حداقل امکانات می‌توان محصول مورد نظر را با خلوص قابل‌قبول سنتز کرد.

ساخت پوشش پیشرفته 10 لایه‌ای با کاربرد نظامی و انرژی هسته‌ای

محققان یکی از شرکت‌های دانش‌بنیان مستقر در شهرک علمی و تحقیقاتی اصفهان برای اولین بار در کشور موفق به ایجاد پوشش ۰۱ لایه تشکیل‌شده از لایه‌های کریستالی TiN و TiCN و لایه‌های نانو کامپوزیت TiAlCrSiN و TiAlCrSiCN به روش Evaporation Arc Cathodic-PVD شدند. این پوشش در مقیاس صنعتی ارائه‌شده است. این پوشش کاربرد وسیعی در کنترل سایش قطعات صنعتی اعم از انواع ابزار برشی، انواع قالب‌های گرم کار و سرد کار و دیگر قطعات صنعتی که تحت سایش شدید قرار دارند، دارد.[7]

سنتز نانو کامپوزیت B4C-SiC به روش خود احتراقی

محققان پژوهشگاه مواد و انرژی ایران موفق به سنتز نانو کامپوزیت B4C-SiC به روش خود احتراقی فعال‌شده مکانیکی شدند. این نانو کامپوزیت در صنایع دفاعی و هسته‌ای، ابزار برش و مواد ساینده کاربرد دارد. نانو کامپوزیت B4C-SiC به روش سنتز خود احتراقی فعال‌شده مکانیکی ساخته می‌شود که این سنتز یا کاربید بور به خاطر داشتن ترکیب مناسبی از ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی، مانند سختی بالا، مقاومت به سایش، دمای ذوب بالا، چگالی پایین، جاذب نوترون و پایداری شیمیایی بالا، در انواع ابزار برش، صنعت هسته‌ای، ابزار جنگی و ترمودینامیک به‌کاربرده می‌شود[8].

پی نوشت

[1] بنی طبای کوپایی، مقاله فناوری نانو در عرصه دفاعی و امنیتی، ص 6.

[2] http://hupaa.com

[3] http://hupaa.com

[4] مقدمه ای برنانو تکنولوژی، ص 155.

[5] بنی طبای کوپایی، مقاله فناوری نانو در عرصه دفاعی و امنیتی، ص 6.

[6] http://hupaa.com

[7]. http://iranetavana.ir/?p=1345

[8]. http://iranetavana.ir/?p=1348

منابع
بنی طبای کوپایی، سیدحسین و جوادصفری و شیوا دهقان خلیلی، مقاله فناوری نانو در عرصه دفاعی و امنیتی، فضای نانو، شماره نوزدهم.
مقدمه‌ای بر نانو تکنولوژی، پوول، چارلز و جی. اون، فرانک؛ موسسه انتشارات یزد،1385.
http://hupaa.com
http://iranetavana.ir