DOW-UAP-D141: מטא-חומרים ליישומים אווירו-חלליים - עדשות-על, אור איטי, בולעים מושלמים ואופטיקה חד-כיוונית

קובץ: DOW-UAP-D141_AAWSAP-DIRD-Metamaterials-for-Aerospace-Applications-April-6-2010.pdf סוכנות מקור: סוכנות הביון הביטחונית (DIA), משרד ההתרעה (Defense Warning Office), במסגרת התוכנית ליישומי מערכות נשק אווירו-חלליות מתקדמות (AAWSAP) סוג מסמך: מסמך ייחוס מודיעיני ביטחוני (DIRD) בסדרת "Acquisition Threat Support", מספר בקרה DIA-08-1004-006 תאריך: 6 באפריל 2010 (מועד חיתוך המידע, ICOD: 1 בדצמבר 2009) סיווג: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY, וסימון ה-FOUO מחוק בקו בכל עמוד; שוחרר ב-2026 מספר עמודים: 38 VIRIN: 260918-D-D0360-1130 שחרור PURSUE: 6

תקציר

המסמך הוא סיור תמציתי בעולם המטא-חומרים. אלה מבנים מהונדסים שאבני הבניין החוזרות שלהם קטנות מאורך הגל של האור או של גלי הרדיו העוברים דרכם, כך שהמבנה כולו מתנהג כחומר בעל תכונות חשמליות ומגנטיות לפי הזמנה. המחבר, ששמו הושחר והוחלף בכינוי "AAP Person 78", טוען שעבור כלי טיס וחלליות התועלת כפולה. מטא-חומרים מאפשרים רכיבים אופטיים ומיקרוגליים קטנים וקלים בהרבה, והם מאפשרים פעולות שחומרים רגילים אינם מסוגלים להן, כמו דימות של עצמים קטנים מאורך הגל של האור.

המאמר משתרע על 34 עמודים ממוספרים, עם 26 איורים ו-37 מקורות, בשישה פרקים: הגדרה, דימות מתחת לגבול העקיפה, הקטנת רכיבי פולסים ומוליכי גל, קצירת אנרגיה, התקנים לא-הדדיים ("חד-כיווניים") ומטא-חומרים ניתנים לכוונון. אחריהם בא פרק סיכום ומסקנות בן פסקה אחת. בשונה ממסמכי DIRD רבים בסדרה, זהו בחלקו דוח התקדמות. הוא מתאר עבודת מעבדה של קבוצת המחקר האוניברסיטאית של המחבר עצמו, וחלק ממנה מסומן במפורש "טרם פורסם".

המאמר זהיר בהערכת הבשלות. הוא מכנה את המטא-חומרים האופטיים "תחום חדש מאוד", ובסיום מודה שהם "עדיין תחום מחקר אקדמי". הוא אינו מזכיר בשום מקום תופעות אוויריות בלתי מזוהות (UAP), עב"מים או תופעות חריגות, ואינו אומר דבר על הסוואה לבלתי-נראוּת (cloaking) או על חמקנות.

מאמר מחקר

המסמך ומקומו בתוכנית AAWSAP

השער (עמוד 1) מזהה את המאמר כמסמך ייחוס מודיעיני ביטחוני בסדרת "Acquisition Threat Support". הוא מתוארך ל-6 באפריל 2010, מועד חיתוך המידע שלו הוא 1 בדצמבר 2009 ומספר הבקרה שלו הוא DIA-08-1004-006. מספר זה בא מיד אחרי המספר של מסמך ה-DIRD על תקשורת בגלי כבידה שהונפק באותו יום (DOW-UAP-D140, DIA-08-1004-005). עמוד 2 מציין כגוף המכין את אגף תמיכת הרכש (Acquisition Support Division, DWO-3) במשרד ההתרעה של מנהלת הניתוח ב-DIA. ההערה המנהלית מגדירה את המסמך כ"אחד בסדרה של דוחות טכנולוגיה מתקדמת שהופקו בשנת הכספים 2009" במסגרת תוכנית AAWSA, ומפנה שאלות אל AAP Person 1, מנהל התוכנית, בבניין 6000 של ה-DIA בוושינגטון. בעותק ששוחרר סימן מישהו בצהוב את ההגדרה הפותחת (עמוד 5) וארבעה משפטים במסקנות (עמוד 35).

מבין שנים-עשר התחומים הטכניים שבהצהרת היעדים של התוכנית (DOW-UAP-D110), המאמר משרת במישרין בעיקר את תחום ה"חומרים". פרק קצירת האנרגיה נוגע גם ב"ייצור הספק", והחומר על דימות, על מבודדים ועל מאפננים שייך לחישה ולתקשורת, הנכללות ב"נושאים תומכים".

מהו מטא-חומר

המאמר נפתח בהגדרה שמישהו סימן מאוחר יותר: "תווך מלאכותי שתכונותיו (מכניות, אופטיות, מגנטיות או אחרות) אינן מצויות בחומרים טבעיים" (עמוד 5). הדגש הוא על מטא-חומרים אלקטרומגנטיים ואופטיים, ובראשם אלה בעלי מקדם שבירה שלילי, המחייב שגם המקדם הדיאלקטרי (permittivity) וגם החדירות המגנטית (permeability) יהיו שליליים. המחבר מסביר שבעבר כונו חומרים כאלה "שמאליים" (left-handed), משום שהאנרגיה והפאזה נעות בהם בכיוונים מנוגדים, ושהכינוי נזנח משום שגרם לבלבול עם מבנים סליליים ("כיראליים").

אבן הבניין הבסיסית היא מהוד הטבעת המפוצלת (split ring resonator, SRR). איור 1, הלקוח ממאמר שפורסם ב-Science ב-2006 על הסוואה בתחום המיקרוגל (מקור 6), מציג תא יחידה שרוחבו עשירית מאורך הגל בתדר 10 ג'יגה-הרץ. המחבר מדגיש שקנה המידה הזה, הקטן מאורך הגל, הוא מה שמבדיל בין מטא-חומרים לבין "בני דודיהם הקרובים", הגבישים הפוטוניים. עמודים 7 עד 8 מציגים שלוש משפחות חדשות יותר: תווך בעל מקדם דיאלקטרי בלתי מוגדר (indefinite permittivity, או "היפרבולי"), תווך שהמקדם הדיאלקטרי שלו קרוב לאפס (ENZ), ומטא-חומרים משלימים (CMM), שהם חריצים ביריעת מתכת. הטיעון האווירו-חללי נאמר במפורש: "ההקטנה הזאת היא שהופכת את המטא-חומרים למעניינים ליישומים אווירו-חלליים, שבהם משקל קטן וגודל קטן הם הכרחיים" (עמוד 8).

המאמר גלוי לגבי המגבלות. המטא-חומרים האופטיים היו "תחום חדש מאוד", ובו "קומץ" הדגמות רב-שכבתיות בלבד. המחבר מסביר מדוע קשה להשיג מגנטיות בתחום האופטי: התגובה המגנטית של מבנים קטנים נבלעת בתהודות אלקטרוסטטיות. אפילו מנסרת ה"רשת" (fishnet) בעלת מקדם השבירה השלילי משנת 2008 בנויה מתא יחידה שגודלו מחצית מאורך הגל שבו היא פועלת (עמודים 8 עד 9). אחר כך מציג המחבר את הישגי קבוצת המחקר שלו עצמו. הקבוצה תכננה את "עדשת-העל" הפלסמונית הראשונה בעלת מקדם שבירה שלילי, ובנתה בולע "מושלם" רחב-זווית לאינפרא-אדום הבינוני בשם WAPAMIR (עמוד 9).

לראות מתחת לגבול העקיפה

הפרק הארוך ביותר (עמודים 10 עד 19) עוסק בדימות. עדשה רגילה מאבדת פרטים הקטנים מכמחצית אורך הגל, משום שהמידע הזה נישא בגלים "דועכים" (evanescent) שנעלמים בתוך שבריר מאורך הגל. עדשת-על שמקדם השבירה שלה הוא מינוס 1 יכולה להגביר את הגלים האלה, אבל הדמות שהיא יוצרת עדיין קטנה מאורך הגל, וכדי לקרוא אותה נדרש גשש סורק של שדה קרוב (NSOM). לטענת המחבר, הגשש הזה מגושם ואיטי מדי עבור "פלטפורמות אווירו-חלליות מתקדמות".

המאמר ממחיש את הבעיה בתרחיש יוצא דופן: משלחת עתידית לכוכב לכת אחר שמוצאת "עדות כלשהי לחיים פרימיטיביים ברמת התא", וצריכה לדמות תא חי מתחת לנוזל בלי לגעת בו (עמוד 11). לאחר מכן הוא סוקר:

• עדשת-על מסיליקון קרביד (SiC) שדימתה חורים ברוחב עשרים מאורך הגל, קבורים מתחת לשכבת סיליקון דו-חמצני, באורכי גל של כ-11 מיקרון (עמודים 11 עד 12);
• עדשת-היפר בת 16 שכבות של כסף ואלומינה, שהפרידה בין קווים ברוחב 35 ננומטר במרווח 150 ננומטר ב-400 ננומטר, והגדילה אותם ל-350 ננומטר (עמוד 13);
• עדשת-היפר מתיילים מתכנסים, המגדילה פי חמישה עצם שגודלו λ/25 (עמוד 14);
• עדשת-על לשדה רחוק, שהפרידה בין זוג ננו-תיילים שמיקרוסקופ רגיל לא הצליח להפריד (עמוד 15).

עמודים 16 עד 19 מתארים את הדרך של המחבר עצמו לעדשת-על לשדה רחוק: הולוגרפיה מרובת קרניים ומרובת גלאים דרך שכבה בעלת מקדם דיאלקטרי בלתי מוגדר, מסיליקון דו-חמצני, סיליקון קרביד וסיליקון דו-חמצני, שיוצרה בקבוצה. המאמר מדווח על שתי אבני דרך. הראשונה: גלים מתחת לגבול העקיפה עברו בשכבה בהפסד קטן יותר מגלים רגילים, "אפקט מנוגד מאוד לאינטואיציה". השנייה: הגלים האלה נגרמו להתאבך, ונמדדו בשתי קרניים ובשני גלאים באורכי גל של 10.8 ו-11.3 מיקרון (איור 13). המחבר מקפיד להוסיף: "אף אחד מהניסויים האלה אינו דימות כשלעצמו" (עמוד 18).

להאט את האור כדי להקטין רכיבים

עמודים 20 עד 23 עוסקים במגבלה בסיסית: התקן המעבד פולס צריך להיות ארוך בערך כמו אורך הפולס במרחב. פולס מיקרוגל של ננו-שנייה אחת דורש התקן "באורך רגל אחת לפחות". (המונח "EMP" בכותרת הפרק מציין כאן פולסים אלקטרומגנטיים באופן כללי, לא את האפקט של נשק גרעיני.) האטת הפולס מקטינה את ההתקן. המאמר סוקר את "הקשת הלכודה" (trapped rainbow, מקור 30), שבה מוליך גל מתחדד בעל מקדם שבירה שלילי עוצר כל צבע בעובי אחר. הוא מציין ש"הסיכוי לייצר חומר בעל מקדם שבירה שלילי ובהפסד נמוך בתחום האופטי עדיין רחוק במידה מסוימת" (עמוד 22).

אחר כך הוא מתאר מקבילה מטא-חומרית לשקיפות מושרית אלקטרומגנטית (EIT). אנטנה "מקרינה" באורך 128 ננומטר מוצמדת לאנטנות "חשוכות" באורך 100 ננומטר, כך שההחזרה נעלמת וההעברה מתקרבת ל-100 אחוז ב-700 ננומטר. כשהמבנה נערם בשכבות, הוא מאט את האור "פי 30 או יותר" (איור 17, עמוד 23). המחבר מוסיף שגרסאות אינפרא-אדום ומיקרוגל "צפויות להיות שימושיות יותר לפלטפורמות אווירו-חלליות מתקדמות מן התחום הנראה שבו מתמקדים רוב המחקרים".

קצירת אנרגיית אינפרא-אדום

פרק האנרגיה (עמודים 24 עד 30) טוען שפלטפורמות אווירו-חלליות יכולות לאסוף אנרגיית אינפרא-אדום משלושה מקורות:

• אור שמש המוחזר מפני השטח. לדימות בשעות היום התחום החשוב הוא 2 עד 3 מיקרון.
• הזוהר התרמי של כדור הארץ עצמו. שיאו סביב 10 מיקרון, ו"מ"ר אחד של משטח שחור בטמפרטורת החדר מקרין 460 ואט" (עמודים 27 עד 28).
• לייזרים קרקעיים. לייזר המכוון לחלון אטמוספרי ב-3 עד 4 מיקרון או סביב 10 מיקרון יוכל להזין בהספק כלי טיס, אפשרות שהמחבר מכנה "לא מופרכת מדי".

הפרק מציע גם מערכי בולעים צרי-פס שישמשו בולומטרים, כדי לזהות את החתימות האינפרא-אדומות של כוכבים מסוימים לצורכי ניווט בחלל. בולע בתחום הטרה-הרץ בעובי 6 מיקרון בלבד (λ/50) מגיע לבליעה של 70 אחוז (עמוד 25). התכנון המקורי נכשל כבר בזוויות של 20 מעלות, והנוסחה שבמאמר מראה מדוע מטא-חומר מותאם-עכבה בולע כ-97 אחוז גם בזווית של 30 מעלות (עמוד 26). על תאים תרמופוטו-וולטאיים (TPV), הממירים קרינת חום לחשמל, המחבר צופה ש"ממיר תרמופוטו-וולטאי מסוג כלשהו יותקן כמעט בוודאות" בפלטפורמות עתידיות. המאמר גם טוען, בלי מקור ספציפי, ש-TPV הכפיל פי שלושה את טווח הנסיעה של מכוניות חשמליות ניסיוניות (עמוד 27).

התרומה הקונקרטית ביותר של הפרק מתוארת כ"טרם פורסמה". שכבת SiC בעובי 500 ננומטר על גבי מראת מתכת מחזירה פחות מ-3 אחוזים באורך גל של 13.1 מיקרון, כלומר בולעת 97 אחוז בשכבה שעוביה עשרים וחמישית מאורך הגל. המאמר מסביר זאת בעיקרון הוותיק של "מסך סליסברי" (Salisbury screen) מעולם המיקרוגל. ניקוב המראה בחריצים בצורת U (שהמחבר מכנה "מטא-מראה") העלה את הבליעה של שכבת SiC מ-40 ל-75 אחוז (איור 22, עמוד 29). הפרק נחתם בארבע שאלות פתוחות: טווח הזוויות, רוחב הפס, אי-התלות בקיטוב, והאם הרעיון יכול לעבוד גם באנרגיה סולארית.

אופטיקה חד-כיוונית וחומרים ניתנים למיתוג

מבודדים אופטיים, המעבירים אור בכיוון אחד וחוסמים החזרות, מגינים על לייזרים ועל מגברים. המאמר מציין שהדבר חשוב "במקום שבו יש להימנע מתיקונים בכל מחיר" (עמוד 31). מבודדים מקובלים משתמשים במסובבי פאראדיי מגנטיים מגושמים. במקומם מציע המחבר רעיון שלא פורסם, "המרת אופנים אדיאבטית בלתי הפיכה בזמן" (ATIMC), בסיב כיראלי מפותל. לסיב שנבדק בסימולציה ליבה בגודל 2 על 1.8 מיקרון, פסיעה סלילית המשתנה ב-6 אחוזים סביב 166 מיקרון לאורך 500 מ"מ, הספק שיא של 3.5 ואט ב-1.5 מיקרון ואופן מעטפת עם הפסד (10 דציבל למטר). אור הנע קדימה עובר כמעט בלי פגע, ואילו אור מוחזר מומר לאופן המעטפת ונבלע (איור 25, עמוד 33).

הפרק הטכני האחרון (עמודים 34 עד 35) מכנה תכונות קבועות, "מחווטות מראש", "מכשול רציני" לשימוש בחלל, וסוקר שני תכנונים ניתנים לכוונון. האחד הוא טבעת מפוצלת בתחום הטרה-הרץ הממותגת חשמלית, שמפתחיה טוענים שהיא עולה על המאפננים הקיימים בסדר גודל, בטמפרטורת החדר. השני משתמש בטבעות מפוצלות עם קבלים מבריום-סטרונציום טיטנאט (BST), הניתנות לכוונון על פני 140 מגה-הרץ סביב 1.75 ג'יגה-הרץ, והחדירות המגנטית שלהן עוברת בין ערכים חיוביים לשליליים במתח של 0 עד 5 וולט.

מה המאמר אינו מכסה

כמה פערים בולטים:

• אין הסוואה ואין חמקנות. המאמר אינו דן כלל בהסוואה לבלתי-נראוּת, בחמקנות מכ"מית או בהפחתת חתימה. זאת אף שאיור 1 לקוח ממאמר על הסוואה, ואף שהבולעים שהוא מתאר יכולים לשמש לכך באופן סביר.
• נושאים שהובטחו ולא הגיעו. המבוא מבטיח תיאור של "לייזרים קומפקטיים במיוחד מבוססי מטא-חומרים", ומונה "טכניקות ליתוגרפיה חדשות" בין היישומים המרגשים ביותר (עמודים 8 עד 9), אך אף אחד מהם אינו זוכה לפרק. האזכור של לייזרים בתקציר הרשמי נשען רק על ההבטחה הזאת שבמבוא.
• אין ניסוי אווירו-חללי. דבר מן המתואר לא הודגם על פלטפורמה אווירו-חללית. הקשר לתחום נטען בדרך של היקש (משקל, גודל, הספק), ופסקת הסיום מודה ש"קשה להצביע על היישומים המדויקים".
• רשלנויות בהצגה. כמה הפניות לאיורים בטקסט מוסטות באחד (למשל "איור 20" עבור מה שהוא איור 21). המאמר גם קובע נחרצות שדימות דרך האטמוספרה באור נראה "אינו אפשרי" בגלל פיזור, הגזמה לנוכח הדימות השגרתי של לוויינים בתחום הנראה.

משמעות

מבין מסמכי ה-DIRD של AAWSAP, זה הקרוב ביותר למדע המקובל. מטא-חומרים היו, ועודם, תחום מחקר פעיל, ורוב העבודות המצוטטות כאן פורסמו בכתבי עת מובילים כמו Science, ‏Nature ו-Physical Review Letters. ערכו לארכיון הוא בתמונת המצב שהוא מספק על התחום בסוף 2009. הוא מתעד את תוצאות התקופה במקדם שבירה שלילי, בעדשות-על, באור איטי ובבולעים מושלמים, מנקודת מבטו של חוקר המתאר עבודת מעבדה שלא פורסמה, ובדיווח כן על מגבלות הייצור ועל חוסר הבשלות באורכי גל אופטיים. אין בו תוכן על UAP, והקשר שלו לסיפור ה-UAP מוסדי בלבד: הוא הוזמן במסגרת אותה תוכנית של ה-DIA.

אנשים מרכזיים

מקומות

מושגי מפתח

ציטוטים בולטים

"A metamaterial is defined as an artificial medium whose properties (mechanical, optical, magnetic, or other) cannot be found in naturally-occurring materials." (מטא-חומר מוגדר כתווך מלאכותי שתכונותיו, מכניות, אופטיות, מגנטיות או אחרות, אינן מצויות בחומרים טבעיים.) -- עמוד 5

"It is this miniaturization that makes metamaterials interesting for aerospace application where small weight and size are essential." (ההקטנה הזאת היא שהופכת את המטא-חומרים למעניינים ליישומים אווירו-חלליים, שבהם משקל קטן וגודל קטן הם הכרחיים.) -- עמוד 8

"Optical metamaterials are still a very new area. Just a handful of experimental demonstrations of multi-layer (truly bulk) optical metamaterials exist at the moment." (מטא-חומרים אופטיים הם עדיין תחום חדש מאוד. כרגע קיימות רק קומץ הדגמות ניסיוניות של מטא-חומרים אופטיים רב-שכבתיים, נפחיים באמת.) -- עמוד 8

"One can envision space expeditions to other planets that could, potentially, result in finding some evidence of primitive cellular-level life." (אפשר לדמיין משלחות חלל לכוכבי לכת אחרים שעשויות, בפוטנציה, להוביל למציאת עדות כלשהי לחיים פרימיטיביים ברמת התא.) -- עמוד 11

"None of these experiments constitutes imaging per se." (אף אחד מהניסויים האלה אינו דימות כשלעצמו.) -- עמוד 18

"Moreover, the prospect of producing a low-loss negative index material in the optical domain still remains somewhat distant." (יתרה מזו, הסיכוי לייצר חומר בעל מקדם שבירה שלילי ובהפסד נמוך בתחום האופטי עדיין רחוק במידה מסוימת.) -- עמוד 22

"Some type of thermophotovoltaic converter will almost undoubtedly be installed on the advanced aerospace platforms of the future." (ממיר תרמופוטו-וולטאי מסוג כלשהו יותקן כמעט בוודאות בפלטפורמות האווירו-חלליות המתקדמות של העתיד.) -- עמוד 27

"Although metamaterials are still an academic area of research, these examples illustrate that there is great potential for practical applications." (אף שמטא-חומרים הם עדיין תחום מחקר אקדמי, הדוגמאות האלה ממחישות שיש פוטנציאל גדול ליישומים מעשיים.) -- עמוד 35