Prof. Moran Bercovici i dr Valeri Frumkin opracowali tanią technologię wytwarzania soczewek optycznych, dzięki czemu możliwe jest wyprodukowanie okularów dla wielu krajów rozwijających się, w których okulary nie są dostępne.Teraz NASA twierdzi, że można go wykorzystać do budowy teleskopów kosmicznych
Nauka zwykle rozwija się małymi krokami.Do każdego nowego eksperymentu dodawana jest mała informacja.Rzadko zdarza się, aby prosty pomysł, który pojawia się w mózgu naukowca, bez użycia technologii prowadzi do wielkiego przełomu.Ale tak właśnie stało się z dwoma izraelskimi inżynierami, którzy opracowali nową metodę wytwarzania soczewek optycznych.
System jest prosty, tani i dokładny i może mieć ogromny wpływ na nawet jedną trzecią światowej populacji.Może też zmienić oblicze badań kosmicznych.Aby go zaprojektować, naukowcom wystarczy biała tablica, marker, gumka i odrobina szczęścia.
Profesor Moran Bercovici i dr Valeri Frumkin z Wydziału Inżynierii Mechanicznej Technion-Israel Institute of Technology w Hajfie specjalizują się w mechanice płynów, a nie w optyce.Ale półtora roku temu, na Światowym Forum Laureatów w Szanghaju, Berkovic siedział z izraelskim ekonomistą Davidem Zibermanem.
Zilberman jest zdobywcą nagrody Wolfa, a teraz na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley opowiadał o swoich badaniach w krajach rozwijających się.Bercovici opisał swój eksperyment z płynami.Następnie Ziberman zadał proste pytanie: „Czy możesz użyć tego do zrobienia okularów?”
„Kiedy myślisz o krajach rozwijających się, zwykle myślisz o malarii, wojnie, głodzie” – powiedział Berkovic.„Ale Ziberman powiedział coś, czego w ogóle nie wiem – 2,5 miliarda ludzi na świecie potrzebuje okularów, ale nie może ich dostać.To niesamowita liczba.
Bercovici wrócił do domu i stwierdził, że raport Światowego Forum Ekonomicznego potwierdził tę liczbę.Chociaż wykonanie prostej pary okularów kosztuje tylko kilka dolarów, tanie okulary nie są ani produkowane, ani sprzedawane w większości części świata.
Wpływ jest ogromny, od dzieci, które nie widzą tablicy w szkole, po dorosłych, których wzrok tak bardzo się pogarsza, że tracą pracę.Szacuje się, że nie tylko szkodzi to jakości życia ludzi, ale także koszt światowej gospodarki sięga 3 biliony dolarów rocznie.
Po rozmowie Berkovic nie mógł spać w nocy.Kiedy przybył do Technion, omówił tę kwestię z Frumkinem, który był wówczas badaczem podoktoranckim w swoim laboratorium.
„Narysowaliśmy ujęcie na tablicy i przyjrzeliśmy się mu” – wspomina.„Instynktownie wiemy, że nie możemy stworzyć tego kształtu za pomocą naszej technologii kontroli płynów i chcemy dowiedzieć się, dlaczego”.
Kulisty kształt to podstawa optyki, ponieważ z nich wykonana jest soczewka.Teoretycznie Bercovici i Frumkin wiedzieli, że mogą zrobić okrągłą kopułę z polimeru (płynu, który zastygł), aby zrobić soczewkę.Ale ciecze mogą pozostać kuliste tylko w niewielkich ilościach.Kiedy są większe, grawitacja zgniecie je w kałuże.
„Więc musimy pozbyć się grawitacji” – wyjaśnił Bercovici.I dokładnie to zrobili on i Frumkin.Po przestudiowaniu tablicy Frumkin wpadł na bardzo prosty pomysł, ale nie jest jasne, dlaczego nikt wcześniej o tym nie pomyślał – jeśli soczewka zostanie umieszczona w komorze z cieczą, efekt grawitacji można wyeliminować.Wystarczy upewnić się, że ciecz w komorze (zwana pływającą cieczą) ma taką samą gęstość jak polimer, z którego wykonana jest soczewka, a wtedy polimer będzie unosił się na wodzie.
Kolejną ważną rzeczą jest użycie dwóch nie mieszających się płynów, co oznacza, że nie będą się ze sobą mieszać, np. olej i woda.„Większość polimerów przypomina bardziej oleje, więc naszą jedyną pływającą cieczą jest woda” – powiedział Bercovici.
Ale ponieważ woda ma mniejszą gęstość niż polimery, jej gęstość należy nieco zwiększyć, aby polimer mógł się unosić.W tym celu naukowcy wykorzystali również mniej egzotyczne materiały – sól, cukier czy glicerynę.Bercovici powiedział, że końcowym elementem procesu jest sztywna rama, do której wtryskiwany jest polimer, aby można było kontrolować jego formę.
Kiedy polimer osiąga swoją ostateczną formę, jest utwardzany promieniowaniem ultrafioletowym i staje się stałą soczewką.Do wykonania ramy badacze użyli prostej rury kanalizacyjnej, wyciętej w pierścień lub szalki Petriego wyciętej od spodu.„Każde dziecko może zrobić je w domu, a moje córki i ja zrobiliśmy je w domu” – powiedział Bercovici.„Przez lata zrobiliśmy wiele rzeczy w laboratorium, niektóre z nich są bardzo skomplikowane, ale nie ma wątpliwości, że jest to najprostsza i najłatwiejsza rzecz, jaką zrobiliśmy.Być może najważniejsza”.
Frumkin stworzył swój pierwszy strzał tego samego dnia, w którym pomyślał o rozwiązaniu.„Wysłał mi zdjęcie na WhatsApp” – wspomina Berkovic.„Z perspektywy czasu był to bardzo mały i brzydki obiektyw, ale byliśmy bardzo szczęśliwi”.Frumkin kontynuował badania nad tym nowym wynalazkiem.„Równanie pokazuje, że po usunięciu grawitacji nie ma znaczenia, czy rama ma jeden centymetr czy kilometr;w zależności od ilości materiału, zawsze uzyskasz ten sam kształt.”
Obaj badacze kontynuowali eksperymenty z tajnym składnikiem drugiej generacji, wiadrem do mopa, i wykorzystali go do stworzenia soczewki o średnicy 20 cm, która jest odpowiednia dla teleskopów.Koszt soczewki rośnie wykładniczo wraz ze średnicą, ale przy tej nowej metodzie, niezależnie od rozmiaru, wszystko czego potrzebujesz to tani polimer, woda, sól (lub gliceryna) i forma pierścieniowa.
Lista składników oznacza ogromną zmianę w tradycyjnych metodach produkcji soczewek, które pozostają prawie niezmienione od 300 lat.W początkowej fazie tradycyjnego procesu szklana lub plastikowa płyta jest szlifowana mechanicznie.Na przykład podczas produkcji soczewek okularowych marnuje się około 80% materiału.Stosując metodę opracowaną przez Bercovici i Frumkina, zamiast rozdrabniania materiałów stałych, do oprawki wstrzykiwany jest płyn, dzięki czemu soczewka może być wyprodukowana w całkowicie bezodpadowy proces.Ta metoda również nie wymaga polerowania, ponieważ napięcie powierzchniowe płynu może zapewnić wyjątkowo gładką powierzchnię.
Haaretz odwiedził laboratorium Technion, gdzie doktorant Mor Elgarisi zademonstrował proces.Wstrzyknął polimer do pierścienia w małej komorze na ciecz, napromieniował go lampą UV, a dwie minuty później wręczył mi parę rękawiczek chirurgicznych.Bardzo ostrożnie zanurzyłem rękę w wodzie i wyciągnąłem obiektyw.— To wszystko, przetwarzanie się skończyło — krzyknął Berkovic.
Soczewki są absolutnie gładkie w dotyku.To nie jest tylko subiektywne odczucie: Bercovici mówi, że nawet bez polerowania chropowatość powierzchni soczewki wykonanej metodą polimerową jest mniejsza niż jeden nanometr (jedna miliardowa metra).„Siły natury same w sobie tworzą niezwykłe właściwości i są wolne” – powiedział.Natomiast szkło optyczne jest wypolerowane do 100 nanometrów, podczas gdy lustra flagowego Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba są wypolerowane do 20 nanometrów.
Ale nie wszyscy wierzą, że ta elegancka metoda wybawi miliardy ludzi na całym świecie.Profesor Ady Arie z Wydziału Elektrotechniki Uniwersytetu w Tel Awiwie zwrócił uwagę, że metoda Bercoviciego i Frumkina wymaga okrągłej formy, do której wtryskiwany jest ciekły polimer, samego polimeru i lampy ultrafioletowej.
„Nie są one dostępne w wioskach indiańskich” – zauważył.Inną kwestią podniesioną przez założyciela SPO Precision Optics i wiceprezesa R&D Niv Aduta oraz głównego naukowca firmy, dr. Dorona Sturlesiego (obaj zaznajomieni z pracą Bercoviciego) jest to, że zastąpienie procesu szlifowania odlewami z tworzywa sztucznego utrudni dostosowanie obiektywu do warunków wymagania.Jego ludzie.
Berkovic nie wpadł w panikę.„Krytyka jest fundamentalną częścią nauki, a nasz szybki rozwój w ciągu ostatniego roku jest w dużej mierze zasługą ekspertów popychających nas do narożnika” – powiedział.Odnosząc się do wykonalności produkcji na odległych obszarach, dodał: „Infrastruktura wymagana do produkcji okularów tradycyjnymi metodami jest ogromna;potrzebujesz fabryk, maszyn i techników, a my potrzebujemy tylko minimalnej infrastruktury”.
Bercovici pokazał nam w swoim laboratorium dwie lampy promieniowania ultrafioletowego: „Ta pochodzi z Amazona i kosztuje 4 USD, a druga pochodzi z AliExpress i kosztuje 1,70 USD.Jeśli ich nie masz, zawsze możesz użyć Sunshine” – wyjaśnił.A co z polimerami?„Butelka o pojemności 250 ml kosztuje 16 USD na Amazon.Przeciętna soczewka wymaga od 5 do 10 ml, więc koszt polimeru również nie ma znaczenia”.
Podkreślił, że jego metoda nie wymaga stosowania unikalnych form dla każdego numeru obiektywu, jak twierdzą krytycy.Prosta forma jest odpowiednia dla każdej liczby soczewek, wyjaśnił: „Różnica polega na ilości wtryskiwanego polimeru, a aby wykonać cylinder na okulary, wystarczy trochę rozciągnąć formę”.
Bercovici powiedział, że jedyną kosztowną częścią procesu jest automatyzacja wtrysku polimeru, która musi odbywać się dokładnie w zależności od wymaganej liczby soczewek.
„Naszym marzeniem jest wywieranie wpływu w kraju przy jak najmniejszych zasobach” – powiedział Bercovici.Chociaż tanie okulary można przywieźć do biednych wiosek – choć nie zostało to zrealizowane – jego plan jest znacznie większy.„Tak jak to słynne przysłowie, nie chcę im dawać ryb, chcę ich nauczyć łowić ryby.W ten sposób ludzie będą mogli tworzyć własne okulary – powiedział.„Czy to się uda?Tylko czas da odpowiedź.
Bercovici i Frumkin opisali ten proces w artykule sprzed około sześciu miesięcy w pierwszym wydaniu Flow, czasopisma poświęconego aplikacjom mechaniki płynów, opublikowanego przez Uniwersytet Cambridge.Jednak zespół nie zamierza pozostać na prostych soczewkach optycznych.W innym artykule opublikowanym kilka tygodni temu w magazynie Optica opisano nową metodę wytwarzania złożonych elementów optycznych w dziedzinie optyki swobodnej.Te elementy optyczne nie są ani wypukłe, ani wklęsłe, ale są uformowane w powierzchnię topograficzną, a światło jest napromieniowane na powierzchnię różnych obszarów w celu uzyskania pożądanego efektu.Komponenty te można znaleźć w okularach wieloogniskowych, hełmach pilotów, zaawansowanych systemach projekcyjnych, systemach wirtualnej i rozszerzonej rzeczywistości i innych miejscach.
Wytwarzanie elementów swobodnych przy użyciu zrównoważonych metod jest skomplikowane i kosztowne, ponieważ trudno jest szlifować i polerować ich powierzchnię.Dlatego te komponenty mają obecnie ograniczone zastosowania.„Istniały publikacje akademickie na temat możliwych zastosowań takich powierzchni, ale nie znalazło to jeszcze odzwierciedlenia w praktycznych zastosowaniach” – wyjaśnił Bercovici.W tym nowym artykule zespół laboratoryjny kierowany przez Elgarisi pokazał, jak kontrolować kształt powierzchni powstałej podczas wtryskiwania płynu polimerowego poprzez kontrolowanie kształtu ramy.Ramkę można wykonać za pomocą drukarki 3D.„Nie robimy już rzeczy z wiaderkiem do mopa, ale nadal jest to bardzo proste” – powiedział Bercovici.
Omer Luria, inżynier ds. badań w laboratorium, zauważył, że ta nowa technologia może szybko wytworzyć szczególnie gładkie soczewki o unikalnym terenie.„Mamy nadzieję, że może to znacznie obniżyć koszty i czas produkcji złożonych elementów optycznych” – powiedział.
Profesor Arie jest jednym z redaktorów Optica, ale nie brał udziału w recenzji artykułu.„To bardzo dobra praca” – powiedział Ali o badaniach.„Aby wyprodukować asferyczne powierzchnie optyczne, obecne metody wykorzystują formy lub druk 3D, ale obie metody są trudne do stworzenia wystarczająco gładkich i dużych powierzchni w rozsądnym czasie”.Arie wierzy, że nowa metoda pomoże stworzyć wolność Prototyp elementów formalnych.„Do przemysłowej produkcji dużej ilości części najlepiej przygotować formy, ale w celu szybkiego przetestowania nowych pomysłów jest to ciekawa i elegancka metoda” – powiedział.
SPO jest jedną z wiodących izraelskich firm w dziedzinie powierzchni swobodnych.Według Aduta i Sturlesiego nowa metoda ma zalety i wady.Mówią, że wykorzystanie tworzyw sztucznych ogranicza możliwości, ponieważ nie są one trwałe w ekstremalnych temperaturach, a ich zdolność do uzyskania odpowiedniej jakości w całej gamie kolorystycznej jest ograniczona.Jeśli chodzi o zalety, wskazali, że technologia może znacznie obniżyć koszty produkcji złożonych plastikowych soczewek, które są stosowane we wszystkich telefonach komórkowych.
Adut i Sturlesi dodali, że przy tradycyjnych metodach wytwarzania średnica plastikowych soczewek jest ograniczona, ponieważ im są większe, tym mniej precyzyjne stają się.Powiedzieli, że zgodnie z metodą Bercoviciego wytwarzanie soczewek w płynie może zapobiegać zniekształceniom, które mogą tworzyć bardzo silne komponenty optyczne – zarówno w dziedzinie soczewek sferycznych, jak i soczewek o swobodnych kształtach.
Najbardziej nieoczekiwanym projektem zespołu Technion był wybór produkcji dużego obiektywu.Tutaj wszystko zaczęło się od przypadkowej rozmowy i naiwnego pytania.„Chodzi o ludzi” — powiedział Berkovic.Kiedy zapytał Berkovica, powiedział doktorowi Edwardowi Barabanowi, naukowcowi z NASA, że znał jego projekt na Uniwersytecie Stanforda i znał go na Uniwersytecie Stanforda: „Myślisz, że możesz Czy potrafisz zrobić taką soczewkę do teleskopu kosmicznego ?
„Brzmiało to jak szalony pomysł”, wspomina Berkovic, „ale był głęboko wpisany w mój umysł”.Po pomyślnym zakończeniu testu laboratoryjnego izraelscy naukowcy zdali sobie sprawę, że metoda ta może być zastosowana w kosmosie.W końcu można tam osiągnąć warunki mikrograwitacji bez konieczności używania płynów pływających.„Zadzwoniłem do Edwarda i powiedziałem mu, że działa!”
Teleskopy kosmiczne mają wielką przewagę nad teleskopami naziemnymi, ponieważ nie mają na nie wpływu zanieczyszczenia atmosferyczne ani świetlne.Największym problemem związanym z rozwojem teleskopów kosmicznych jest to, że ich wielkość jest ograniczona wielkością wyrzutni.Na Ziemi teleskopy mają obecnie średnicę do 40 metrów.Kosmiczny Teleskop Hubble'a ma lustro o średnicy 2,4 metra, podczas gdy Teleskop Jamesa Webba ma lustro o średnicy 6,5 metra — osiągnięcie tego osiągnięcia zajęło naukowcom 25 lat, co kosztowało 9 miliardów dolarów, częściowo dlatego, że system musi być opracowany, który może wystrzelić teleskop w pozycji złożonej, a następnie automatycznie otworzyć go w kosmos.
Z drugiej strony Liquid jest już w stanie „złożonym”.Na przykład można wypełnić przetwornik ciekłym metalem, dodać mechanizm wtryskowy i pierścień rozprężny, a następnie wykonać lustro w przestrzeni.— To złudzenie — przyznał Berkovic.„Moja matka zapytała mnie: „Kiedy będziesz gotowa?Powiedziałem jej: „Może za jakieś 20 lat.Powiedziała, że nie ma czasu na czekanie.
Jeśli to marzenie się spełni, może zmienić przyszłość badań kosmicznych.Dzisiaj Berkovic zwrócił uwagę, że ludzie nie mają możliwości bezpośredniego obserwowania egzoplanet-planet poza Układem Słonecznym, ponieważ wymaga to ziemskiego teleskopu 10 razy większego niż istniejące teleskopy, co jest całkowicie niemożliwe przy istniejącej technologii.
Z drugiej strony Bercovici dodał, że Falcon Heavy, obecnie największa wyrzutnia kosmiczna SpaceX, może przenosić 20 metrów sześciennych cieczy.Wyjaśnił, że teoretycznie Falcon Heavy mógłby zostać użyty do wystrzelenia cieczy do punktu orbitalnego, gdzie ciecz mogłaby zostać wykorzystana do stworzenia lustra o średnicy 75 metrów – powierzchnia i zebrane światło byłyby 100 razy większe niż to drugie. .Teleskop Jamesa Webba.
To marzenie, a jego realizacja zajmie dużo czasu.Ale NASA traktuje to poważnie.Wraz z zespołem inżynierów i naukowców z NASA Ames Research Center, kierowanego przez Balaban, technologia jest testowana po raz pierwszy.
Pod koniec grudnia system opracowany przez zespół laboratoryjny Bercovici zostanie wysłany na Międzynarodową Stację Kosmiczną, gdzie przeprowadzona zostanie seria eksperymentów, które umożliwią astronautom produkcję i utwardzanie soczewek w kosmosie.Wcześniej w ten weekend przeprowadzone zostaną eksperymenty na Florydzie, aby przetestować wykonalność produkcji wysokiej jakości soczewek w warunkach mikrograwitacji, bez konieczności stosowania płynu unoszącego się na powierzchni.
Eksperyment Fluid Telescope Experiment (FLUTE) został przeprowadzony na samolocie o obniżonej grawitacji - wszystkie siedzenia tego samolotu zostały usunięte w celu szkolenia astronautów i kręcenia scen w stanie zerowej grawitacji w filmach.Manewrując w postaci antyparaboli wznoszącej, a następnie swobodnie opadającej, w samolocie powstają na krótki czas warunki mikrograwitacji.— Nie bez powodu nazywa się to kometą wymiocin — powiedział Berkovic z uśmiechem.Swobodny spadek trwa około 20 sekund, podczas których grawitacja samolotu jest bliska zeru.W tym czasie naukowcy będą próbowali wykonać płynną soczewkę i dokonać pomiarów, aby udowodnić, że jakość soczewki jest wystarczająco dobra, wtedy płaszczyzna staje się prosta, grawitacja jest w pełni przywrócona, a soczewka staje się kałużą.
Eksperyment zaplanowano na dwa loty w czwartek i piątek, każdy z 30 parabolami.Obecni będą Bercovici i większość członków zespołu laboratoryjnego, w tym Elgarisi i Luria oraz Frumkin z Massachusetts Institute of Technology.
Podczas mojej wizyty w laboratorium Technion ekscytacja była przytłaczająca.Na podłodze leży 60 kartonowych pudeł, w których znajduje się 60 samodzielnie wykonanych małych zestawów do eksperymentów.Luria dokonuje ostatecznych i ostatnich ulepszeń w skomputeryzowanym systemie eksperymentalnym, który opracował do pomiaru wydajności soczewek.
Jednocześnie zespół przeprowadza ćwiczenia czasowe przed krytycznymi momentami.Jedna drużyna stała tam ze stoperem, a pozostałe miały 20 sekund na oddanie strzału.Na samym samolocie warunki będą jeszcze gorsze, zwłaszcza po kilku swobodnych upadkach i unoszeniach w górę przy zwiększonej grawitacji.
Nie tylko zespół Technion jest podekscytowany.Baraban, główny badacz NASA Flute Experiment, powiedział Haaretz: „Metoda kształtowania płynów może skutkować potężnymi teleskopami kosmicznymi z aperturami dziesiątek, a nawet setek metrów.Na przykład takie teleskopy mogą bezpośrednio obserwować otoczenie innych gwiazd.Planeta ułatwia analizę jej atmosfery w wysokiej rozdzielczości, a nawet może identyfikować wielkoskalowe cechy powierzchni.Ta metoda może również prowadzić do innych zastosowań kosmicznych, takich jak wysokiej jakości komponenty optyczne do zbierania i przesyłania energii, instrumenty naukowe i sprzęt medyczny Produkcja kosmiczna, odgrywając tym samym ważną rolę w powstającej gospodarce kosmicznej”.
Krótko przed wejściem na pokład samolotu i rozpoczęciem przygody życia Berkovic zatrzymał się na chwilę ze zdziwieniem.„Ciągle zadaję sobie pytanie, dlaczego nikt wcześniej o tym nie pomyślał” – powiedział.„Za każdym razem, gdy jadę na konferencję, boję się, że ktoś wstanie i powie, że niektórzy rosyjscy badacze zrobili to 60 lat temu.W końcu to taka prosta metoda”.
Czas publikacji: 21 grudnia-2021