Adaptieve camouflage: kunnen onze militairen onzichtbaar worden voor vijandige detectie?

Maarten, onderzoeker voor de divisie Human Performance van TNO Defence, Safety & Security en Giampiero, principal scientist bij de TNO-afdeling Optica, vertellen over de geavanceerde technieken die worden ontwikkeld in dit project.

Het tactische belang van camouflage

“Aan de frontlinie kan de juiste camouflage een groot verschil maken. Het is een tactisch voordeel als onze militairen de vijand kunnen detecteren en lokaliseren, terwijl ze zelf onopgemerkt blijven”, leidt Maarten in. “Vooral dat laatste wordt steeds moeilijker. Nog niet zo lang geleden konden we bijvoorbeeld een scherpschutter of een ‘spotter’ op pad sturen in een ‘ghillie suit’. Dat is camouflagekleding aangevuld met natuurlijk lijkende materialen zoals bijvoorbeeld bladeren. Deze militair was dan visueel vrijwel onzichtbaar. Nu komen we daar niet meer mee weg.”

“Ondetecteerbaar zijn wordt steeds moeilijker door bijvoorbeeld zeer geavanceerde satellieten, maar ook door relatief eenvoudige en goedkope drones”, vervolgt hij. “Kleine, wendbare drones, uitgerust met één of meer detectiesystemen, kunnen zonder direct gevaar allerlei gebieden en situaties bereiken, informatie doorgeven en zelfs een goed gecamoufleerde militair ‘zichtbaar’ maken. Daarom werken we bij TNO steeds aan nieuwe technieken om detectie tegen te gaan, zodat onze militairen langer ‘onzichtbaar’ blijven.”

Zichtbaarheid versus onzichtbaarheid

“Om onzichtbaar te kunnen zijn, moet je eerst weten hoe je zichtbaar bent”, start Giampiero zijn uitleg. “Naast akoestische systemen zijn er grofweg drie detectiesystemen waarmee vijanden mogelijk militairen, voertuigen en ander materieel kunnen waarnemen. Deze drie systemen maken gebruik van specifieke elektromagnetische golven. Een van de meest gebruikte is radar: een elektromagnetische golf wordt uitgezonden in een smalle bundel. Door de terugkaatsing van de bundel door een object, is het mogelijk dit object te detecteren.

Naast radar zijn er infraroodsensoren. De meest voorkomende zijn ‘warmtecamera’s’, vaak aangeduid als ‘thermisch infrarood’. Deze sensoren kunnen alles zichtbaar maken wat warmte – infraroodstraling – uitzendt, zoals mensen, voertuigen en machines. Tot slot zijn er optische detectiesystemen die gebruikmaken van licht om van grote afstand zeer nauwkeurige beelden te maken om militaire bases of activiteiten te detecteren.”

Manipuleren van elektromagnetische golven

“Elektromagnetische golven zijn eigenlijk overal,” gaat hij verder. “Als je om je heen kijkt, zie je licht met golflengten die worden gemeten in nanometers (ongeveer van 380 tot 780 nanometer; één nanometer is één miljardste van een meter).
Als je naar een FM-radiostation luistert, is dat het resultaat van elektromagnetische golven die door het radiostation zijn uitgezonden. Wanneer deze elektromagnetische golven – nadat ze mogelijk honderden kilometers hebben afgelegd – door de antenne van je radio worden opgevangen, zetten de systemen in je radio ze om in hoorbare geluidsgolven.

Maar wanneer je een zonnebril draagt, kan fel zonlicht worden gefilterd tot zachter licht, waardoor het lastiger kan worden om bepaalde kleuren te onderscheiden. En als de antenne van de radio de golf niet op de juiste manier ontvangt, hoor je misschien alleen ruis. Door te veranderen hoe de elektromagnetische golflengten worden verstrooid of gereflecteerd, kan hetgeen wordt uitgezonden anders worden waargenomen; de signatuur is veranderd.”

Multispectraal meten en multispectraal reageren

“Camouflage draait om het verminderen of veranderen van de signatuur van een object zodat detectiesystemen het object niet kunnen waarnemen zoals het werkelijk is”, legt Giampiero verder uit. “Bijvoorbeeld: zouden soldaten in een oranje overall door het bos lopen, dan zijn ze door hun kleur, vorm en manier van bewegen - hun signatuur - duidelijk herkenbaar als soldaten. Dragen ze camouflagepakken die perfect zijn afgestemd op de kleuren van het bos, dan vallen ze optisch nauwelijks op. Onze technologie doet hetzelfde maar dan op alle relevante gebieden binnen het elektromagnetisch spectrum, en automatisch.

Met deze technologie kunnen we camouflagesystemen ontwikkelen die met sensoren de omgeving van een object ‘multispectraal waarnemen’. Dus niet alleen op optisch niveau, maar ook op het gebied van radar en infrarode golven. Met de verkregen data kan het camouflagesysteem vervolgens multispectraal reageren en zich automatisch en real time aanpassen aan de omstandigheden in de omgeving. In de meest ideale situatie verkrijgt het gecamoufleerde object hiermee dezelfde signatuur als de omgeving en zal het object feitelijk ondetecteerbaar zijn.”

‘Metasurfaces’: de toekomst van adaptieve camouflage

Giampiero vertelt verder over zijn specialisme: “Een veelbelovende benadering om deze adaptieve camouflage te realiseren is het inzetten van ‘metasurfaces’ en ‘metamaterialen’. ‘Metasurfaces’ zijn ultradunne, kunstmatig ontworpen oppervlakken die elektromagnetische golven op een gecontroleerde wijze kunnen manipuleren. Wanneer elektromagnetische golven een ‘metasurface’ raken, kunnen ze bijvoorbeeld in een andere vorm worden verstrooid of gereflecteerd om zo de signatuur te verminderen van het object waarop de ‘metasurface’ is bevestigd.

In de praktijk betekent dit dat we door elektromagnetische golven te manipuleren, in staat zijn vijandige detectiesystemen ‘om de tuin te leiden’. Het systeem zal een andere radarecho-intensiteit, kleur, vorm of temperatuur detecteren. Zijn dit precies dezelfde karakteristieken als van de omgeving van het object, dan detecteert het systeem feitelijk niets en hebben wij ons ultieme doel bereikt.”

Uitdagingen in de toepassing van ‘metasurfaces’ in de praktijk

“De volgende fase in het ontwikkelen van ‘metasurfaces’ voor camouflagedoeleinden is de testfase”, vult Maarten aan vanuit zijn vakgebied. “Hiervoor worden demonstratiemodellen ontwikkeld; voertuigen of pakken waarin deze technologieën worden geïntegreerd. Tijdens de tests kijken we niet alleen naar het vermogen om detectie te vermijden, maar ook naar praktische aspecten. Is het pak niet te zwaar? Raakt de drager niet oververhit? Zijn er batterijen nodig, en zo ja, zijn die inzetbaar onder veldomstandigheden?

Een bijkomende uitdaging voor deze technologie is het behoud van de adaptieve camouflage tijdens beweging en daarmee een continu veranderende achtergrond. Om dit te realiseren, moeten de sensoren razendsnel meten, data verwerken en het materiaal de juiste respons geven. Bij trage bewegingen is dit technisch haalbaar, maar bij hogere snelheden is dit complexer.

Ook het vormen van de ‘metasurfaces’ is in de praktijk nog lastig. Het modelleren en karakteriseren van de complexe structuren van ‘metasurfaces’ is buitengewoon ingewikkeld. Daarom gebruiken we nu nog relatief eenvoudige vormen, zoals vlakke of licht gebogen oppervlakken. Deze zijn makkelijker te optimaliseren en te modelleren.”

Toekomstverwachtingen

Giampiero besluit: “Het is duidelijk dat het steeds moeilijker wordt onze militairen om hun werk onopgemerkt te kunnen doen. Het ACROSS-project biedt de kans om Europese strijdkrachten veiliger op pad te kunnen sturen. De komende jaren zullen cruciaal zijn: lukt het om de ‘metasurface-technologie’ effectief, schaalbaar en betaalbaar in te zetten, dan verandert dat fundamenteel de manier waarop we denken over zichtbaarheid en bescherming op het slagveld. Het is een zoektocht vol uitdagingen, maar met enorme strategische potentie, want wie onzichtbaar is, bepaalt het strijdveld.”