Альбукерке, Нью-Мексико - Sandia National Laboratories присоединились к усилиям по избавлению планеты от того, что некоторые называют наихудшей формой загрязнения - наземных мин.
Сандиа работает в области обнаружения наземных мин и разминирования, начиная от химического зондирования и рентгеновских технологий обратного рассеяния и заканчивая укладкой быстротвердеющей пены для расчистки пути для военной техники. Sandia, лаборатория национальной безопасности Министерства энергетики (DOE), также разрабатывает роботизированные транспортные средства, которые можно использовать в качестве платформ для поддержки технологий.
Есть три уровня разминирования. Первый - это стандартное военное разминирование, используемое для расчистки пути для солдат и транспортных средств во время войны. Скорость имеет значение, и некоторые жертвы ожидаются. Второй также связан с военными операциями и связан с потребностью армии в обезвреживании большего количества мин в оккупированной стране. Это похоже на случай с оккупационными силами ООН в Боснии и Герцеговине. Третье - гуманитарное разминирование, то есть удаление всех мин с территории и ее восстановление для продуктивного использования.
Рон Вудфин, курирующий деятельность Sandia по разминированию и представлявший лаборатории на нескольких международных конференциях по разминированию, говорит, что, по общему мнению, не существует «серебряной пули» или одной технологии, которая может безошибочно обнаруживать все типы мин. при любых условиях.
Нынешние современные технологии разминирования в основном представляют собой различные формы детекторов аномалий или те, которые обнаруживают вещи, которые не ожидаются в их среде. Детекторы включают в себя пассивные инфракрасные, микроволновые, электропроводные и георадарные датчики, но пока они показали, что они очень дороги, имеют низкую точность и высокий уровень ложных срабатываний. Металлоискатели являются наиболее распространенной формой электронного обнаружения мин, но они в значительной степени неэффективны для некоторых современных пластиковых мин. И, как и все детекторы аномалий, металлодетекторы дают высокий уровень ложных срабатываний в зонах боевых действий, заполненных гильзами и другим металлическим мусором. Методы грубой силы с использованием плугов, граблей и взрывчатых веществ иногда используются для расчистки пути для солдат и транспортных средств, но почти всегда не удается найти или взорвать все мины. Самый надежный метод разминирования, но также и самый медленный и опасный - это ручное прощупывание почвы стержнем.
Во всем мире насчитывается около 100 миллионов наземных мин в 68 странах. Больше всего проблем у Анголы, Афганистана, Камбоджи, Ирака, Лаоса и Боснии и Герцеговины.
Каждый год во всем мире обезвреживается около 100 000 мин, но устанавливается еще 2 миллиона. В среднем 2000 человек ежемесячно погибают или получают увечья от наземных мин.
«Даже если сегодня все перестанут устанавливать мины, все равно потребуется 1000 лет, чтобы разминировать те, которые сейчас находятся в земле по всему миру», - говорит Вудфин из отдела электронного взрывателя. «На мой взгляд, это худшая форма загрязнения, с которой когда-либо сталкивалось человечество, без исключения».
Химическое зондирование
Одной из самых многообещающих технологий, разрабатываемых в Sandia для обнаружения морских мин, наземных мин и неразорвавшихся боеприпасов, является химическое зондирование. Все мины, очевидно, испускают молекулы взрывчатого вещества. Sandia помогает разработать портативную систему, включающую спектрометр ионной подвижности (IMS) - ту же технологию, разработанную для портала обнаружения взрывчатых веществ для проверки авиапассажиров, - которая будет способна быстро обнаруживать и классифицировать мельчайшие количества молекул взрывчатых веществ. Система не является детектором аномалий, поскольку она ищет сами молекулы взрывчатого вещества, а не контейнер, содержащий взрывчатку. Он включает в себя новую технологию концентрации, разработанную Sandia, которая потенциально может химически усиливать силу источника в тысячи раз.
Проект изначально был направлен на обнаружение морских мин и неразорвавшихся боеприпасов на мелководье и спонсируется совместно Министерством энергетики и Управлением боеприпасов Министерства обороны. Многие наземные мины на самом деле размещаются в воде, такой как рисовые поля, броды и источники воды для бытовых нужд, прачечные и оросительные каналы. Эта работа, которая продолжается, с тех пор была расширена до обнаружения наземных мин с помощью финансирования Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) и фондов лабораторных исследований и разработок (LDRD)..
«Мы являемся мировым лидером в области химического обнаружения для классификации взрывчатых веществ, и мы сможем убедительно продемонстрировать это в ближайшие шесть месяцев», - говорит Вудфин, тесно сотрудничавший с проектом. с многочисленными Sandians в разрезе дисциплин.
Джим Фелан из отдела технологии восстановления окружающей среды Sandia и Стив Уэбб из отдела анализа и моделирования миссии поддерживают разработку технологии химического обнаружения наземных мин, моделируя судьбу и перенос в окружающей среде (EF&T) характерных молекул взрывчатых веществ. Они анализируют, как условия окружающей среды, такие как температура и осадки, влияют на движение молекул взрывчатых веществ через почву, воздух и воду.
«В этой работе будет подчеркнуто значительное влияние условий окружающей среды, таких как температура, тип почвы, осадки и испарение, на перемещение молекул сигнатуры химических веществ в места, которые могут быть обнаружены химическим детектором», - говорит Фелан.. «Например, количество сигнатурных молекул взрывчатого вещества, выбрасываемых из мины в Боснии, может иметь совершенно иную концентрацию на поверхности земли, чем мина в Ираке или Афганистане. Мы также оценим такие вещи, как, лучше ли искать мины в днем, когда почва теплее, чем утром, и как осадки влияют на обнаружение."
Фил Родаси из отдела взрывчатых материалов/подсистем и Билл Чемберс из отдела аналитической химии выполняли большую часть полевых работ, связанных с разработкой технологии химических датчиков. Они периодически берут пробы почвы с небольшого имитации минного поля внутри огороженной территории в южной части Зоны III. На минном поле установлено шесть неразорвавшихся противотанковых мин и несколько суррогатных мин, изготовленных из пластмассы или состоящих из металлических коробок, окрашенных взрывчатыми составами. Они также планируют провести полевые испытания малых противопехотных мин.
Rodacy и Chambers периодически анализируют образцы почвы, чтобы определить концентрацию молекул взрывчатого вещества, которые могут быть обнаружены на различных расстояниях от шахт. Они также взяли пробы на мелководье для химического обнаружения неразорвавшихся боеприпасов (НРБ). Они говорят, что и вода, и почва создают разные проблемы. Взрывчатые вещества легко растворяются в воде, что затрудняет извлечение молекул взрывчатого вещества. Вода также часто представляет собой грязную среду с солями, органическими материалами и загрязнениями, мешающими процессу. Почва также содержит мешающие химические вещества, а факторы окружающей среды, такие как влажность и температура, могут повлиять на эффективность технологии.
Технология IMS уже успешно проанализировала полевые пробы воды и почвы в лаборатории завода по производству компонентов взрывчатых веществ. Технология также была успешно продемонстрирована в полевых условиях на острове Сан-Клементе в рамках двухлетней программы Управления военно-морских исследований. Ключевым моментом сейчас является сведение технологии к портативной стадии, чему способствовала новая IMS, разработанная Electronic Research Group в Лас-Крусесе и основанная на работе, проделанной в Университете штата Нью-Мексико..
По оценкам Woodfin, переносная система весом не более 20 фунтов будет готова к полевым испытаниям на морских минах следующей весной. Система, вероятно, будет иметь сенсорную трубку, которая выдвигается из коробки и будет проста в использовании: зеленый свет будет указывать на то, что устройство выполняет отбор проб, но не обнаружило взрывчатых веществ; желтый свет будет означать, что обнаружена небольшая концентрация взрывчатых веществ и требуется дополнительный отбор проб; и красный свет будет указывать на то, что была обнаружена значительная концентрация взрывчатого вещества.
Родаси сказал, что если весенние испытания на воде пройдут успешно, технология должна быть использована военными и доступна для лицензирования в течение следующего года. Система IMS почвы, вероятно, будет готова к использованию в полевых условиях через год или два после этого.
«Мы хотим свести это к тому, что один человек может нести достаточно комфортно, и что в конечном итоге может быть установлено на каком-нибудь роботизированном гусеничном ходу», - говорит Чемберс. «На самом деле задача состоит в том, чтобы уменьшить его до прочного и легкого корпуса для полевых работ».
Разработка миниатюрного миноискателя является одним из приложений более широкого предложения LDRD Grand Challenge по созданию автономной микрохимической лаборатории, чаще называемой «µChemLab». Грег Фрай из отдела исследований и разработок Microsensor говорит, что возможности Sandia в области микропроизводства используются для разработки модулей химических датчиков размером с почтовую марку, которые будут использоваться для создания систем микрохимического анализа размером с современную ладонь. Системы будут иметь беспрецедентные возможности для точного обнаружения и расшифровки подробных химических сигнатур и будут иметь широкий спектр применений в таких областях, как скрытое зондирование в целях нераспространения, обнаружение контрабанды и наземных мин, медицинская диагностика, а также мониторинг окружающей среды и процессов.
Рентгеновские лучи обратного рассеяния
Sandia получает финансирование от армии США, а также в рамках Меморандума о взаимопонимании Министерства обороны и Министерства энергетики США, управляемого Томом Хичкоком из Объединенного отдела технологий боеприпасов Министерства обороны и Министерства энергетики Sandia, чтобы помочь разработать мобильную, постоянно сканирующую, x -лучевая машина, которая может обнаруживать мины. Стивен Шоуп, руководитель проекта рентгеновского исследования обратного рассеяния, говорит, что в сентябре технология успешно позволила получить изображения противотанковых мин, зарытых в песок и каменистую почву Нью-Мексико. Изображение показало достаточно деталей, чтобы установить тип мины и расположение ее взрывателя, что важно для ее раскопок.
«Этот метод был впервые продемонстрирован в полевых условиях», - говорит Шоуп, который работал над проектом с Грантом Локвудом из отдела материаловедения и радиации. «Это единственный процесс, который дает изображение закопанной шахты в реальном времени».
Разработка прототипа, готового к полевым испытаниям, однако, еще примерно через год, и может пройти еще год после этого, пока рентгеновский миноискатель обратного рассеяния не начнет реально использоваться.
Рентгеновский аппарат с непрерывным сканированием был разработан и изготовлен компанией Imatron Inc. по контракту с Управлением ночного видения и электромагнитных датчиков армии США (NVESD) в Форт-Белвуар, штат Вирджиния. Sandia заключила контракт с NVESD на подготовку рентгеновский аппарат для полевых испытаний, для интеграции технологии обнаружения, разработанной Sandia, и для интеграции алгоритмов визуализации, разработанных Университетом Флориды, в полевой детектор наземных мин.
Техника основана на поглощении и рассеянии энергичных фотонов. Детекторная система, расположенная над почвой, улавливает фотоны обратного рассеяния. Более высокий отклик детектора регистрируется при попадании луча в пластиковый фугас, чем при попадании только в грунт. Другие материалы в почве, такие как органические вещества и камни, также могут создавать более высокий отклик детектора. Чтобы избежать ложных тревог, микропроцессор создает визуальное изображение в реальном времени для немедленного наблюдения и анализа.
Для недавних полевых испытаний экспериментальная система рентгеновской визуализации с обратным рассеянием была подвешена к платформе, которая катилась по небольшим подвижным гусеницам над небольшим полем, на котором было зарыто несколько противотанковых и противопехотных мин. Информация была отправлена на компьютер, расположенный в фургоне рядом с полем.
«Система может отображать наземные мины глубиной около четырех дюймов через воду и снег, а также все типы мусора, такие как камни, бревна и листья», - говорит Шоп из отдела приложений электромагнитных двигателей / лучей. «Он может отобразить один квадратный метр примерно за пять минут».
Шоуп говорит, что теперь, когда технология была успешно продемонстрирована в полевых испытаниях, следующим шагом будет создание прототипа системы, которая, вероятно, войдет в переработанный Humvee. Стив говорит, что идеальной платформой для самой детекторной системы, вероятно, был бы Remote TeleRobotic Vehicle for Intelligent Remediation (RETRVIR), вездеход с роботизированной рукой, которая может копать и поднимать объекты весом до 250 фунтов.
Разработка противоминной пены
Вудфин также является руководителем проекта и главным исследователем другого проекта, спонсируемого Меморандумом о взаимопонимании, по определению эффективности жесткого пенополиуретана для нейтрализации мин и заграждений. Уже было проведено несколько полевых испытаний для определения эффективности быстротвердеющей пены в качестве амортизатора от взрывов наземных и водяных мин для транспортных средств и солдат. Пена успешно выдержала вес грузовиков и цистерн. Хотя полевые испытания до сих пор показали, что пена является адекватной с точки зрения износа и прочности, дальнейшая работа и испытания продолжаются, включая эксперименты со взрывами в воздухе, почве и воде, говорит Вудфин..
Sandia - многопрофильная лаборатория Министерства энергетики, которой управляет дочерняя компания Lockheed Martin Corp. С основными объектами в Альбукерке, штат Нью-Мексико, и Ливерморе, Калифорния, Sandia выполняет основные исследования и разработки в области национальной безопасности, энергетики и охраны окружающей среды. технологий и экономической конкурентоспособности.