Introducción a la física de las superficies foto-replicativas y aplicaciones comerciales del camuflaje termo-óptico
Autor: Erick Mota
Tutor: Akito Kasanagi
Resumen:
Debido a la enorme demanda de camuflajes termo-ópticos en el mercado y su continuo uso tanto por aficionados como por ejércitos privados. Consideramos recomendable desclasificar algunos estudios sobre el tema e intentar dar una explicación detallada a un fenómeno tan complicado como la invisibilidad para que el usuario sepa a que atenerse. El objetivo de este trabajo es introducirnos en la teoría del clokeo y mostrar algunas aplicaciones tecnológicas así como métodos de detección.
Introducción
Pasar desapercibido es una de las habilidades más codiciadas tanto por los espías, las tropas especiales, así como por ladrones y asesinos. La vía más común para lograrlo es el camuflaje ordinario que logra confundir al observador mezclando la figura del soldado, vehículo o base con el fondo.
El camuflaje termo-óptico se basa en el mismo principio. Consideremos el caso más simple, deseamos volver invisible una superficie esférica opaca. Supongamos ahora que cubrimos la esfera con una superficie hipotética que tiene la propiedad de absorber el rayo de luz incidente e instantáneamente emitir un rayo, que llamaremos replicado, con igual intensidad luminosa (I), su longitud de onda (?) y en la misma dirección (q) que el rayo incidente. Si esta condición puntual de replicación se cumple para toda la superficie integralmente obtendremos una esfera no-visible.
En la práctica este es el principio básico para volver invisible cualquier cuerpo. En cada caso particular se procede en dependencia de la simetría del problema y de la región del espectro en la que se desee pasar inadvertido.
Obtención de la superficie foto-replicativa
Concentrémonos primero en la replicación puntual del rayo de luz para luego generalizar a toda la superficie. Para lograr el efecto deseado se necesita de un censor capaz de absorber toda la luz incidente, transmitir los datos al censor conjugado y transmitir los que le envíe el mismo. Los primeros trajes que funcionaban en el modo oculto presentaban el problema de que el tiempo de absorción-emisión de la celda básica era muy grande y no se lograba la invisibilidad total sino solo una atenuación de la imagen, lo cual explica que los primeros sistemas termo-ópticos eran para el infrarrojo.
El problema fue resuelto inicialmente creando un compromiso entre las celdas conjugadas, así surgieron invisibilidades direccionales de extensa aplicación en ocultar bases o puestos de observación de campaña. Dicha direccionalidad se debe a que el par conjugado solo existe para una dirección de incidencia, basta que el rayo incidente varíe un d? , o lo que es lo mismo: que el observador se corra un poco, para que el par de censores conjugados cambie.
Solo con el aumento de la velocidad de absorción-emisión de la celda básica y estableciendo un protocolo de transmisión de dominios conjugados se lograron camuflajes verdaderamente imperceptibles al ojo humano ( velocidades de cambio de absorción-emisión menores de 24 cambios por segundo) aunque por supuesto existían detectores ópticos capaces de resolver los cambios de los termo-ópticos de primera generación, esto imposibilitó durante muchos años el camuflaje de las naves espaciales de combate.
A la hora de generalizar el proceso surgen algunos inconvenientes de corte práctico, como el hecho de que la misma superficie debe de ser la conductora de la información limitó el camuflaje al dominio de los androides de combate durante los primeros años antes de salir la primera generación de termo-ópticos al mercado, al llevar estos la cablería en su interior. Fue el proceso de miniaturización el que vino a salvar la situación transformando la celda básica en una unidad conductora además de lograrse más capacidad para el módulo lógico de control, siendo fácilmente instalable un circuito lógico capaz de coordinar el transporte de los datos de cada celda (I,?,?) a sus conjugados. Al aparecer en el mercado los primeros componentes activos basados en nano-tecnología la resolución se hizo mucho mayor, aumentándose el número de celdas básicas por cm2 .Debido al enorme número de celdas a las que enviar la información simultáneamente por cada cambio requería además de un circuito lógico eficiente, un tiempo de reacción por cablería relativamente corto. Este era el principal defecto de la primera generación de termo-ópticos y solo se resolvió en la segunda generación al aparecer en la ciencia de los materiales los superconductores a temperatura ambiente, desarrollada en las colonias de los mundos limítrofes, lo cual permitió lograr tiempos de retardo del orden de los 10-15 s.
Una vez generalizado resulta experimentalmente efectivo ( en un 100 %) una superficie foto-replicativa de primera generación totalmente esférica. Primeras aproximaciones en cruceros de batalla y maquinaria de guerra tanto aérea como terrestre resultaron satisfactorias pero a la hora de adaptar una superficie foto-replicativa a una silueta humanoide, caso idéntico para trajes de espionaje como para androides de combate, se determinó que para rayos de luz tangenciales se creaba un efecto borde en la silueta del sujeto en Modo Oculto. Por supuesto que era poco perceptible pero no escapaba a las armas robot, ni a las cámaras de seguridad. Tras la revolución nano tecnológica esta deficiencia fue mejorada en la segunda generación aumentando la densidad de celdas de absorción-detección-emisión (ADE) alcanzándose valores de hasta 1000 celdas básicas por cm2.
La celda básica de absorción-detección-emisión (ADE)
Los principios en los que se basa la celda básica son simples.
Imaginemos un fotosensor que detecta radiación electromagnética en un pequeño rango de frecuencias, generando corriente eléctrica de intensidad proporcional a la intensidad de la radiación incidente. Si tenemos un cierto número de dispositivos similares, que detecten en otros rangos de frecuencias, cubriendo en conjunto una zona más amplia, y además los ordenamos espacialmente de un modo convenido previamente (por ejemplo, dieciséis fotosensores ordenados en una <> de cuatro por cuatro), tenemos en conjunto un dispositivo capaz de detectar radiación electromagnética en un intervalo amplio de frecuencia, estando contenida la información de la intensidad de la misma en la intensidad de la corriente eléctrica generada en respuesta, y la del rango de frecuencia a que pertenece en la posición del sensor que la detecta. Un dispositivo construido de manera similar pero con fotoemisores, que al paso de corriente eléctrica emitieran radiación electromagnética de intensidad proporcional a la intensidad de la corriente eléctrica, donde cada fotoemisor esta diseñado para un determinado rango de frecuencias y en conjunto están ordenados espacialmente de una forma determinada. Estos dos dispositivos conforman una unidad que, unida a conversores AD y DA (análogo-digital y digital-analógico) es capaz detectar y emitir radiación electromagnética en el intervalo de frecuencias para el que fueron diseñadas, bajo el control de una sencilla unidad de procesamiento lógico.
Resolver el problema del ángulo de incidencia resultó menos elemental. Se necesitaron numerosas pruebas para que la ciencia de los materiales nos diera la respuesta. El gel de nuevo tipo DEMM-2332, contiene en suspensión partículas de momento dipolar intrínseco previamente polarizadas de modo que solo permite el paso de la radiación EM en una dirección, absorbiendo el resto de la radiación incidente. Ahora solo se trataba de formar un arreglo espacial de unidades como las descritas en los párrafos anteriores y recubrirlas, de manera convenida, con películas de gel que permitieran el paso de determinadas direcciones, cubriéndose todas las posibles direcciones de incidencia. Y es esta unidad, formada por el arreglo espacial de sub-celdas que, debido a la cubierta de gel , solo detectan o emiten en determinadas direcciones(descritas por dos ángulos según las coordenadas esféricas), es lo que llamamos celda ADE o celda básica.
Invisibilidad en todo el espectro
Las primeras celdas foto-replicativas tenían un amplio rango de emisión-absorción extendiéndose desde los 340nm hasta los 710nm. Pero no fue hasta la primera generación que se pudieron lograr trajes verdaderamente integrales. Surgió entonces el problema de que si se extendía mucho el rango de absorción-emisión aumentaba el tiempo de cambio. Con el surgimiento de las celdas ECA miniaturizadas se logró resolver este problema de la complejidad del sensor. Pero como se requería mover una cantidad de información enorme a través de la superficie el tiempo de reacción aumentaba con el ancho del espectro efectivo de invisibilidad. Olvidándose del costo de producción, la Armada Espacial creó prototipos de submarinos espaciales totalmente invisibles, hasta en las ondas de radio, con tiempos de reacción respetables, del orden de los microsegundos. Pero el proceso de su construcción era completamente irentable. Esto solo fue posible mediante el diseño y construcción de nuevos modelos experimentales de unidades lógicas de control (micro-controladores), por supuesto a precios prohibitivos (solo al alcance de los militares)
En tiempos de la segunda generación termo-óptica lo más usual era fabricar trajes para determinadas ventanas del espectro (infrarrojo, visible, microondas, etc.) jugando con la situación en la que se emplearía el traje y los detectores que enfrentaría. Precisamente fue en esta época que se pusieron de moda las lentes holográficas portátiles capaces de escudriñar una gama de frecuencias enorme centrada en el visible.
Procesamiento digital de la información
Nunca hubiese sido posible la construcción de un camuflaje basado en foto-replicación sin hacer uso del procesamiento digital de datos (DSP) La propia concepción exige un procesamiento de la información casi “al vuelo”. Para esto se empleó desde los primeros prototipos micro-controladores (de la familia de los procesadores digitales) para controlar la información enviada y recibida por cada celda básica.
Los cambios se han limitado a optimizar el proceso ajustando el diseño para emplear menos componentes electrónicos así como miniaturizar el proceso.
De más está decir que la información viaja a través de la propia superficie que a su vez posee cualidades conductoras. Solo se empleó cablería interna en los modelos experimentales previos a la primera generación.
Visores y medios ópticos
Desde que apareció el primer proyecto de camuflaje por medios foto-replicativos surgió la pregunta clásica de cómo podría ver el hombre invisible si toda la luz es absorbida por su traje. En la primera generación se empleó una especie de foto-censores en la parte frontal del casco o cabina que dejaban pasar un por ciento de la luz incidente. Esto le daba al piloto una imagen poco nítida de la realidad pero al menos veía. Incluso se construyeron prototipos con censores muy costosos en los que esto no era un problema.
Con el surgimiento de las celdas ADE miniaturizados a partir de superconductores algunas compañías privadas del Complejo Militar Industrial en la Tierra lograron fabricar visores de doble capa. En los cuales la imagen que le llega al ojo proviene de un sensor ADE que recibe la señal de las celdas básicas situadas en el frente. Estos visores, al emplear tecnología foto-replicativa no solo emiten la información obtenida en el visible sino que el usuario puede ver el mundo más allá del visible e inclusive hacer zoom.
En prototipos de nueva generación creados en las colonias usan un módulo lógico auxiliar para controlar las funciones del sistema de visión. El portador del traje puede elegir incluso desde cual perspectiva desea ver, debido a que al visor le llega información desde cualquiera de las celdas de la superficie termo-óptica. En la actualidad se investiga como desarrollar un sistema de visión más completo y con más opciones; como visión periférica, opción de ver varias imágenes e incluso solaparlas. Así el soldado que posea una termo-óptica de cuarta generación podría hasta solapar imágenes en el visible y en ultravioleta, por ejemplo. Incluso hay artículos en los que se habla de un nuevo sistema de soporte vital controlado por una IA que permite hacer análisis de las imágenes recibidas por el visor. Aun no hay resultados completos pero se trabaja en esa línea sobretodo buscando una posible aplicación en los maquinantes y las armaduras de combate del ejército de la Tierra.
Consideraciones termodinámicas y energéticas
Entre los métodos de detección más usuales de la termo-óptica se considera el de desequilibrar térmicamente la superficie foto-replicativa como el más efectivo. En efecto, al variar bruscamente la temperatura es afectado el sensor y por tanto la información, perdiéndose el efecto de la invisibilidad. Esto explica que la verdadera causa del fracaso del rescate de los rehenes durante los Sucesos de Luxemburgo fue tecnológica, debido a que los comandos antiterroristas se hicieron visibles al entrar en una habitación con calefacción.
Es conveniente aclarar, aunque algunos autores divergen, que el problema de las baterías nunca fue tal ya que solamente el microprocesador requiere alimentación.
Conclusiones
En la actualidad se fabrican sistemas de camuflaje que cubren una gran gama de longitudes de onda del espectro y con tiempos de retardo aceptables a la hora de burlar un sistema de seguridad de nivel medio. Los visores han alcanzado un nivel aceptable de comodidad y resolución aunque se esperan más avances en este sentido con la aparición de la quinta generación.
Es evidente que resulta efectivo emplear chorros de agua o gas para detectar superficies invisibles debido a que la teoría aplicada a esta tecnología es puramente óptica.
Esto sin contar con el ya descrito método del desequilibrio térmico, problema aun sin solución, ya que construir sensores resistentes a los cambios de temperatura equivale a perder sensibilidad en los mismos. Al menos con tecnología de la Tierra. Para las labores de espionaje sito al celebre general de la Armada Espacial Boris Sterkov (6) “La unidad que se mueve dentro de un campo de batalla o una posición enemiga dentro de un termo-óptico, no solo debe tener confianza en la tecnología sino que debe tener un modo de actuar acorde a esta, más que siguiendo un entrenamiento, aplicando una filosofía de supervivencia…”
Los costos de producción siguen siendo muy altos. No se esperan progresos en la tan esperada quinta generación.
Sigue siendo complicado, en las aplicaciones de la foto-replicación a la infantería de combate, el portar armas grandes y pesadas debido a que si bien las armas de asalto de grueso calibre pueden ser recubiertas por superficies foto-replicativas resulta imposible ocultarlas una vez que se recalienta el cañón tras muchos disparos.
Existen reportes sobre tecnología alienígena capaz de lograr estos efectos en un radio efectivo de varios metros. Se supone que se trate de algún montaje basado en a la manipulación de imágenes holográficas a distancia a partir de un principio similar a la foto-replicación, pero aun no es público que se halla adquirido dicha tecnología.
En resumen, la invisibilidad es un campo abierto a la investigación y es poco probable que con las próximas generaciones de camuflaje se satisfagan todas las expectativas.
En la actualidad este método es efectivo en un 100% en unidades de combate espacial tipo crucero, en unidades de desembarco y en trajes personales para espionaje urbano (un nivel militar de seguridad 5 es infranqueable aun usando termo-óptica de cuarta generación avanzada)
Agradecimientos
Lic. Madelaine Sánchez. Laboratorio de análisis estructural, división de investigaciones, Armada Espacial.
Dr. Javier de la Torre. Instituto de investigaciones del plasma, departamento de reciclaje, Complejo Militar Industrial.
Bibliografía
1-Eugene Hetchz; Edición revisada; “Óptica”.
2-Complejo Militar Industrial( Documento secreto); “Guía de sistemas termo-ópticos para espionaje”.
3-Armada de la Federación Colonial (Documento desclasificado); “Aplicaciones combativas del camuflaje foto-replicativo”.
4-Kouma Foundation & Technology; (Curso de adiestramiento para el ejército privado de KF&T); “Métodos antiterroristas aplicados a espacios cerrados”.
5-Miyuko & Zukubo corp; (Publicación trimestral); “Compra y venta de armas de asalto y accesorios”.
6-Boris Sterkov; Ediciones Armada Espacial; “Manual para oficiales y cadetes”.
7-Akito Kasanagi (Complejo Militar Industrial, edición pirata); “La foto-replicación puntual”.
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