DOW-UAP-D118: יישומי תעופה וחלל של חומר ניתן לתכנות - אטומים מלאכותיים, חלונות חכמים ותחנת חלל שמשנה את עורה

קובץ: DOW-UAP-D118_AAWSAP-DIRD-Aerospace-Applications-of-Programmable-Matter-December-14-2009.pdf סוכנות מקור: סוכנות הביון הביטחונית של ארה"ב (DIA), משרד ההתרעה הביטחונית (Defense Warning Office), במסגרת תוכנית AAWSA סוג מסמך: מסמך עזר מודיעיני ביטחוני (Defense Intelligence Reference Document, DIRD), סדרת "Acquisition Threat Support"; מספר בקרה DIA-08-0911-016 תאריך: 14 בדצמבר 2009 (תאריך סגירת המידע, ICOD: 1 בדצמבר 2009) סיווג: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY, כשהסייג FOUO מחוק בקו בכל עמוד; שוחרר לציבור ב-2026 מספר עמודים: 20 VIRIN: 260918-D-D0360-1107 שחרור PURSUE: 6

תקציר

"Aerospace Applications of Programmable Matter" (יישומי תעופה וחלל של חומר ניתן לתכנות) הוא מסמך עזר מודיעיני מ-14 בדצמבר 2009, שהוכן בידי אגף תמיכת הרכש (DWO-3) של משרד ההתרעה הביטחונית, במנהלת הניתוח של ה-DIA. שם המחבר מושחר ובמקומו מופיע "AAP Person 90". ההערה המנהלית הקבועה מגדירה אותו כ"one in a series of advanced technology reports produced in FY 2009" (אחד מסדרה של דוחות טכנולוגיה מתקדמת שהופקו בשנת הכספים 2009) במסגרת תוכנית AAWSA, ומציינת את AAP Person 1, מנהל התוכנית, ככתובת לפניות; אזהרת זכויות יוצרים חלה על התצלומים שבו. תאריכו ותאריך סגירת המידע שלו זהים לאלה של המסמך על זכוכיות מתכתיות, DOW-UAP-D117 (DIA-08-0911-012).

המסמך מגדיר את עצמו כנייר עמדה, "by no means an exhaustive reference" (בשום אופן לא חיבור עיון ממצה), שנועד "to serve as a primer on the principles behind smart materials and their possible aerospace applications over the next 50 years" (לשמש מבוא לעקרונות שמאחורי חומרים חכמים וליישומיהם האפשריים בתעופה ובחלל ב-50 השנים הבאות; עמוד 4). הוא עובר מפיזיקה (ארבעה סוגים של "אטומים") דרך חלונות חכמים מסחריים, ניהול חום בחלליות וקצירת אנרגיה, אל יום בדיוני על סיפון תחנת חלל שהמעטפת שלה משנה את עצמה, ומסתיים בכיווני מחקר ובמסקנה בת פסקה אחת. יש בו שבעה איורים, טבלה אחת ותשע הערות שוליים, והטון שלו קרוב יותר למדע פופולרי מאשר לסקירה טכנית.

המסמך אינו מזכיר עב"מים או UAP. הוא כן נוגע בנושאים הקשורים לתחום הפחתת החתימה (signature reduction) של התוכנית: "chameleon-style camouflage" (הסוואה בסגנון זיקית), "deflection of laser beams" (הסטת קרני לייזר), "outright invisibility" (אי-נראות של ממש), ותחנה שיכולה "turn 'invisible'" (להפוך ל"בלתי נראית"). תחומיו הטכניים העיקריים הם חומרים (materials) וייצור אנרגיה (power generation), ובמידה משנית הפחתת חתימה וממשק האדם (human interface).

מאמר מחקר

ארבעה סוגים של "אטומים"

הרעיון המארגן של המסמך הוא שאור ושדות חשמליים אינם "רואים" אטומים בודדים, ולכן החומר מתנהג כחומר רציף, ושבעשורים האחרונים נוצרו לפחות ארבעה סוגים של "אטומים" בעלי תכונה זו. אטומים טבעיים הם 92 היסודות היציבים שבטבלה המחזורית. נקודות קוונטיות (quantum dots), הסוג השני, "sometimes known as 'artificial atoms'" (מכונות לעיתים "אטומים מלאכותיים"): מבנים "usually on the order of 5-20 nanometers" (בדרך כלל בסדר גודל של 5 עד 20 ננומטר) הכולאים מספר מתון של אלקטרונים בשלושה ממדים, כך שהם יוצרים גלים עומדים הדומים לאורביטלים של אטום (עמודים 5-6). שני הבדלים חשובים כאן. מספר התצורות האפשריות אינסופי, מה שמאפשר "designer atoms with properties that simply do not occur on the periodic table" (אטומים מעוצבים בעלי תכונות שפשוט אינן קיימות בטבלה המחזורית), ואפשר להזרים אלקטרונים פנימה והחוצה בעזרת שדות חשמליים, וכך לקבל "a bounded but infinite variety of material properties that can be summoned or dismissed at will" (מגוון חסום אך אינסופי של תכונות חומר שאפשר לזמן או לבטל כרצוננו; עמודים 6-7).

הסוג השלישי הוא מבנים קטנים מאורך הגל: גבישים פוטוניים, סריגי-על (superlattices, כמו השכבות המגנטו-התנגדותיות שבכוננים קשיחים ובמצפנים דיגיטליים) ומטא-חומרים (metamaterials), שהמהודים המתכתיים שבהם יכולים ליצור מקדם שבירה שלילי המכופף אור "the wrong way" (בכיוון ההפוך) ונראה כמי ש"defy the laws of classical optics" (מתריס נגד חוקי האופטיקה הקלאסית; עמוד 8). הסוג הרביעי הוא גבישים נוזליים, שהמחבר מכנה "an advanced 21st century technology that somehow fell backward in time" (טכנולוגיה מתקדמת של המאה ה-21 שאיכשהו נפלה אחורה בזמן; עמוד 8), המסוגלים לחסום, לכופף, למקד, לקטב או לפזר אור "in limitless combinations" (בצירופים ללא גבול).

מחומרים "בלתי אפשריים" לחומרים דינמיים

פרק שכותרתו "'Impossible' Materials" (חומרים "בלתי אפשריים") שואל מרוג'ר בייקון (Roger Bacon) את הביטוי "natural magic" (קסם טבעי) לתיאור מראות, עדשות ומגנטים, ומציג חומרים בעלי מבנה ננומטרי כ"a higher order of magic" (קסם מדרגה גבוהה יותר). הדוגמה שלו היא "מטא-מקטב" (metapolarizer) היפותטי: בעוד שמקטבים רגילים מבזבזים 50 אחוז מהאור או יותר, מטא-מקטב היה מסובב את הקיטוב הלא רצוי במקום להשליכו, וכך יכול היה "double the battery life of a laptop display" (להכפיל את חיי הסוללה של צג מחשב נייד). אבל גם חומרים כאלה הם סטטיים, והמסמך טוען ש"The greatest revolution in materials science may in fact come from materials capable of changing their properties on demand" (המהפכה הגדולה ביותר במדע החומרים עשויה לבוא דווקא מחומרים המסוגלים לשנות את תכונותיהם לפי דרישה; עמוד 9).

איור 4 מציג סיב "Wellstone" רעיוני: שכבות מוליכים ומוליכים-למחצה סביב ליבת זיכרון וקווי הזנה ובקרה, גליל גמיש "whose surface is studded with artificial atoms" (שפני השטח שלו משובצים אטומים מלאכותיים), שאותו אפשר לארוג לחומר נפחי הניתן לתכנות באותות חיצוניים (עמוד 10). המסמך גלוי לב בנוגע למגבלות. תכונות רבות קשורות זו בזו, ולכן חומר שהוא גם מוליך חשמל וגם מבודד חום "probably could not be made transparent as well" (כנראה לא יוכל להיות גם שקוף); "A computer is unlikely to double as an air conditioner" (לא סביר שמחשב ישמש גם כמזגן). "החומר החכם של 2050" יופעל כנראה בחשמל, וזה מעורר שלוש בעיות: סבולות ייצור שנמצאות בגבול היכולת הנוכחית או מעבר לו; הפרעות אלקטרומגנטיות, "Like a pocket calculator in a microwave oven" (כמו מחשבון כיס בתוך תנור מיקרוגל); והאקרים, שאסור למסור לידיהם את "the keys to matter itself" (המפתחות לחומר עצמו; עמוד 10).

האתגר הגדול ביותר, עם זאת, הוא הטמפרטורה, שמזיזה את פערי האנרגיה של מוליכים-למחצה, את המרווחים בגבישים פוטוניים ואת הסימטריות של גבישים נוזליים. חומרים מוקדמים של נקודות קוונטיות ניתנות לתכנות היו רגישים כל כך לטמפרטורה, עד שהחום התברר כדרך הקלה ביותר לשלוט בהם, וכאן המחבר עובר לגוף ראשון: "we were able to enhance these effects to produce thermally activated smart materials with no need for electric controls at all" (הצלחנו להגביר את ההשפעות האלה ולייצר חומרים חכמים המופעלים בחום, ללא צורך בבקרה חשמלית כלל; עמוד 11). המסמך אינו מפרט מי הם "אנחנו".

חלונות חכמים: הראיות המסחריות

החלק העשיר ביותר בנתונים עוסק במבנים. המסמך מזכיר צבע תרמוכרומי (thermochromic) שפיתחו חוקרים סינים באמצע שנות ה-90, שלפי הנטען העלה את טמפרטורת הבניין בכ-4 מעלות צלזיוס בחורף והוריד אותה בכ-8 מעלות בקיץ, ומציין שמבנים אחראים ל-40 אחוז מצריכת האנרגיה בארה"ב, ל-71 אחוז מצריכת החשמל ול-38 אחוז מפליטות הפחמן הדו-חמצני. מחקר משנת 2003 של המעבדה הלאומית לורנס ברקלי (LBNL) של משרד האנרגיה, שנעשה עבור ASHRAE, בחן חלונות שמקדם רווח החום הסולארי שלהם (SHGC) משתנה בין 0.26 ל-0.40, בשמונה ערים בארה"ב. זכוכית בעלת פליטות נמוכה (low-E) חסכה בממוצע 8 עד 15 אחוז מעלויות החימום, הקירור והאוורור השנתיות; חלונות דינמיים חסכו עוד 6 עד 19 אחוז והורידו את עומס הקירור בשיא בעוד 5 עד 38 אחוז. לפי הציטוט, המחקר הגיע למסקנה שחלונות דינמיים "provide the best of all worlds" (מספקים את הטוב שבכל העולמות; עמוד 12).

משם עובר המסמך למוצר אחד. "In the third quarter of 2009, [a smart-window company] introduced [its window film]" (ברבעון השלישי של 2009 השיקה חברת חלונות חכמים את יריעת החלון שלה), יריעה "active-passive thermoreflective" (תרמו-מחזירה אקטיבית-פסיבית) שקופה כשקר ומחזירה חלקית כשחם, עם טווח SHGC של 0.12 עד 0.43, "more than twice the range studied by LBNL" (יותר מכפליים מהטווח שנבחן ב-LBNL; עמוד 12). שני איורים מציגים את היריעה ואת החיסכון המצטבר החזוי שלה לאורך חמש שנים בדנוור לעומת מסנני חלונות מובילים; במחיר קמעונאי של 25 דולר לרגל רבועה, תקופת ההחזר מוערכת ב-5 עד 10 שנים (עמוד 13). הנתונים האלה נשענים על "Studies performed by [the company] using LBNL tools" (מחקרים שביצעה החברה בכלים של LBNL), ולפי הערות השוליים גם על "Internal research & modeling at [the company], 2006-2009" (מחקר ומידול פנימיים בחברה). המסמך אינו מציג נתוני בדיקה בלתי תלויים של המוצר.

חום, אנרגיה וחיישנים מתכנתים-מחדש במסלול

בחלליות, המסמך יוצא מגרסה מבודחת של שלושת חוקי התרמודינמיקה ("(1) you cannot win, (2) you cannot break even, and (3) you cannot quit the game", כלומר אי אפשר לנצח, אי אפשר לצאת באפס ואי אפשר לפרוש מהמשחק), וטוען שלכל הפחות אפשר להעביר אנרגיה, להמיר אותה ולאגור אותה. צומת פלטייה (Peltier junction, איור 7) שואב חום מפאה אחת לאחרת כשזורם בו זרם. חומרים טבעיים מגיעים ליעילות של כ-10 אחוז, אבל ב-2001 השתמשו מדענים במכון Research Triangle בצפון קרוליינה בסריגי-על של מוליכים-למחצה כדי לבנות צומת בעל "2.5 times the efficiency and 23,000 times the speed of all previous designs" (פי 2.5 מהיעילות ופי 23,000 מהמהירות של כל התכנונים הקודמים; עמוד 14). מעטפת ניתנת לתכנות תוכל ליצור מקררים כאלה בכל משטח, להפוך את העור למוליך במקומות מסוימים ולמבודד באחרים, ולאגור חום לשחרור מאוחר. טבלה 1, צריכת האנרגיה היומית של משק בית אמריקאי בשנים 1993-1997 (41 קוט"ש לחימום חללים, 15 לחימום מים, 7 לקירור מזון וכן הלאה), משמשת אנלוגיה לחללית מאוישת: "Over 80 percent of the energy budget is spent heating and cooling things" (יותר מ-80 אחוז מתקציב האנרגיה מוצאים על חימום וקירור; עמוד 15).

אותה מעטפת גם תוכל לקצור אנרגיה. תאים סולאריים מסחריים הגיעו ליעילות של כ-13 אחוז, התאים המתוחכמים ביותר של נאס"א "usually no more than 24-percent" (בדרך כלל לא יותר מ-24 אחוז), ותכנונים ניסיוניים רב-שכבתיים ליותר מ-40 אחוז במעבדה; המחבר טוען שאלה גבולות מעשיים ולא תיאורטיים, וחומרים מעוצבים יוכלו להעלות אותם (עמוד 15). מקורות נוספים הם מפל הטמפרטורות התלול בקו היום-לילה (terminator) של החללית ולחץ פייזואלקטרי מאוויר התא ומחבטות של אנשי הצוות, שכן "energy scavenging is an excellent activity even at very low efficiency" (קצירת אנרגיה היא פעילות מצוינת גם ביעילות נמוכה מאוד), והאגירה בקבלי-על (ultracapacitors) ננו-מבניים או בלולאות מוליכות-על בצד המוצל והקר (עמוד 16). אחר כך מגיעים התקנים מתכנתים-מחדש: חיישן מצב (attitude) יחיד שעובר בין חישת שמש, אופק וכוכבים, מצלמות רב-ספקטרליות זולות ללא חלקים נעים, ובקרי מפרש סולארי המשנים צבע לשמירת מיקום (station keeping). המסמך גם קובע ש"a 64-qbit computer is roughly 18 billion billion times as powerful as a 64-bit binary one" (מחשב בן 64 קיוביטים חזק בערך פי 18 מיליארד מיליארד ממחשב בינארי בן 64 ביט; עמוד 17), פישוט פופולרי: האצה קוונטית ידועה רק לסוגים מסוימים של בעיות.

יום אחד בתחנת חלל ניתנת לתכנות

הפרק החריג ביותר הוא סיפור בדיוני קצר (עמודים 17-18). תחנה במסלול נמוך סביב כדור הארץ היא "one big, dead-black solar collector" (קולט שמש אחד גדול ושחור לגמרי) ללא חלונות, והקבלים שלה "literally growing larger" (גדלים ממש) ככל שהם אוגרים אנרגיה. ב-"0600 Houston time" (06:00 לפי שעון יוסטון) צוהרים ומראות מתגלים בהדרגה כדי להעיר את הצוות, וזוחלים על הקירות ככל שהתחנה מסתובבת. הזכוכית מחזירה, כך ש-"ground-based and space-based telescopes cannot see inside the station" (טלסקופים קרקעיים וחלליים אינם יכולים לראות לתוך התחנה), ו"In a pinch, the station can even turn 'invisible'" (בשעת הצורך התחנה אף יכולה להפוך ל"בלתי נראית"). כמעט כל משטח יכול לשמש שולחן עבודה, מקלדת או מסך. כשהתחנה בסכנת התחממות יתר צצים בצד המוצל רדיאטורים של צומתי פלטייה עם אזהרות HOT SURFACE; כשמגיעה סערה סולארית שנחזתה מראש, המעטפת מייצרת שדה מגנטי להסטת החלקיקים הטעונים, ויריעות מוליכות-על מרחיקות את השדה מהצוות. בצל כדור הארץ התחנה חיה על מטען ועל חום אגורים, וב-21:30 לפי שעון יוסטון האורות מתעמעמים לשינה.

כיווני מחקר ומסקנות

הפרקים המסכמים מפוכחים יותר. משום שהטכנולוגיה הצרכנית זולגת כיום אל התעופה והחלל ולא להפך (הדוגמאות של המסמך הן מקלטי GPS אזרחיים ומחשבים ניידים מהמדף במעבורת החלל), ההתקדמות "will likely depend on research and development for consumer applications" (תהיה כנראה תלויה במחקר ופיתוח ליישומים צרכניים), וחלונות חכמים ומטא-מקטבים חוסכי אנרגיה "should be considered the most promising for research over the next 5 years" (צריכים להיחשב למבטיחים ביותר למחקר בחמש השנים הבאות; עמוד 19). בטווח הארוך, מטא-חומרים דורשים תבליטים של "100 nanometers or less, and often as little as 10 nanometers" (100 ננומטר או פחות, ולעיתים קרובות רק 10 ננומטר); גבישים נוזליים צריכים עמידות גבוהה יותר לאולטרה-סגול ולקרינה מייננת; ומערך נקודות קוונטיות בעל מיעון, "Perhaps the most promising long-term technology" (אולי הטכנולוגיה המבטיחה ביותר לטווח הארוך), מחייב ריסון של הרגישות לטמפרטורה ומיגון שייתכן שיתבסס על "as-yet-undeveloped techniques or materials" (טכניקות או חומרים שטרם פותחו). המסמך צופה ש-"by 2050 it seems likely that our grandchildren will have difficulty imagining a world where these objects are made from traditional, inert materials" (עד 2050 נכדינו כנראה יתקשו לדמיין עולם שבו החפצים האלה עשויים מחומרים מסורתיים ואדישים; עמוד 19), ואז מזהיר מפני "unknown unknowns" (הלא-ידועים הלא-ידועים) ומסיים: "we must roll up our sleeves and begin experimenting" (עלינו להפשיל שרוולים ולהתחיל להתנסות; עמוד 20). המסקנה מודה שחלק ממרכיבי התרחיש "are speculative" (ספקולטיביים), אך קובעת שהרווחים האפשריים "well worth pursuing" (שווים בהחלט את המאמץ).

משמעות

מסמך DIRD זה הוא חוברת מבוא צופה פני עתיד ולא הערכה טכנית. אין בו ניתוח איומים, אין בו הערכה של יכולת זרה מלבד אזכור חולף של הצבע התרמוכרומי הסיני, ואין בו חומר על UAP. הקשר שלו לתחומי העבודה של AAWSAP ברור בעיקר בשני מקומות: קצירה ואגירה של אנרגיה בחלליות (ייצור אנרגיה) ומשטחים מסתגלים המציעים הסוואה, הסטת לייזר ו"אי-נראות" (הפחתת חתימה), אף שהמסמך אינו מסביר כיצד אי-נראות תושג מעבר להקרנה מחדש של "a matching signal" (אות תואם) בצד השני.

שלוש הסתייגויות חשובות. ראשית, הראיות הכמותיות החזקות ביותר עוסקות במבנים ולא בחלליות, וחלק ניכר מהן נוגע למוצר של חברה אחת ונשען על המידול של אותה חברה. שנית, המחבר כותב בגוף ראשון על כך שייצר חומרים חכמים המופעלים בחום, אבל המסמך אינו מסביר את הקשר הזה, וזהות המחבר מושחרת. שלישית, כמה מהטענות (ההשוואה הקוונטית, תרחיש התחנה) הן המחשות ולא הערכות הנדסיות, כפי שהמסקנה עצמה מודה בחלקה. השיפוט הבר-בדיקה הברור ביותר של המסמך הוא לוח הזמנים שלו: חלונות חכמים בתוך חמש שנים, וחומר ניתן לתכנות במלואו בסביבות 2050.

אנשים מרכזיים

מקומות

מושגי מפתח

ציטוטים בולטים

"However, when sensors, filters, emitters, and photovoltaic solar panels are made of Programmable Matter smart materials, the solution to a component failure or new mission requirement might be as simple as a software update." (אולם כאשר חיישנים, מסננים, פולטים ולוחות סולאריים פוטו-וולטאיים עשויים מחומרים חכמים של חומר ניתן לתכנות, הפתרון לכשל ברכיב או לדרישת משימה חדשה עשוי להיות פשוט כמו עדכון תוכנה.) -- עמוד 4

"Smart materials can even create new defensive capabilities, such as chameleon-style camouflage, deflection of laser beams, and even outright invisibility." (חומרים חכמים יכולים אף ליצור יכולות הגנה חדשות, כמו הסוואה בסגנון זיקית, הסטת קרני לייזר ואפילו אי-נראות של ממש.) -- עמוד 4

"Like a pocket calculator in a microwave oven, programmable materials face a harsh electromagnetic environment and will need to be shielded and safeguarded against spurious behavior." (כמו מחשבון כיס בתוך תנור מיקרוגל, חומרים ניתנים לתכנות ניצבים מול סביבה אלקטרומגנטית קשה, ויהיה צורך למגן אותם ולהגן עליהם מפני התנהגות שגויה.) -- עמוד 10

"We must be extremely cautious about handing malicious hackers the keys to matter itself!" (עלינו להיזהר מאוד שלא למסור להאקרים זדוניים את המפתחות לחומר עצמו!) -- עמוד 10

"The greatest challenge, however, is temperature." (אולם האתגר הגדול ביותר הוא הטמפרטורה.) -- עמוד 11

"In a pinch, the station can even turn 'invisible,' taking light and heat from one side and emitting a matching signal on the other side." (בשעת הצורך התחנה אף יכולה להפוך ל"בלתי נראית", כשהיא קולטת אור וחום בצד אחד ופולטת אות תואם בצד השני.) -- עמוד 17

"Therefore, near-term applications such as smart windows and energy-saving metapolarizers, which offer direct and immediate economic advantages (namely energy savings) and which dovetail neatly with existing infrastructure, should be considered the most promising for research over the next 5 years." (לכן יישומים לטווח הקרוב, כמו חלונות חכמים ומטא-מקטבים חוסכי אנרגיה, המציעים יתרונות כלכליים ישירים ומיידיים (כלומר חיסכון באנרגיה) ומשתלבים היטב בתשתית הקיימת, צריכים להיחשב למבטיחים ביותר למחקר בחמש השנים הבאות.) -- עמוד 19

"Many elements of the preceding scenario are based on current and emerging technologies; others are speculative." (מרכיבים רבים של התרחיש שלעיל מבוססים על טכנולוגיות קיימות ומתהוות; אחרים הם ספקולטיביים.) -- עמוד 20