Prof. Moran Bercovici și Dr. Valeri Frumkin au dezvoltat tehnologie ieftină pentru fabricarea lentilelor optice și este posibil să se producă ochelari pentru multe țări în curs de dezvoltare unde ochelarii nu sunt disponibili.Acum, NASA spune că poate fi folosit pentru a face telescoape spațiale
Știința avansează de obicei cu pași mici.La fiecare experiment nou se adaugă o mică informație.Este rar ca o idee simplă care apare în creierul unui om de știință să ducă la o descoperire majoră fără a utiliza nicio tehnologie.Dar asta sa întâmplat cu doi ingineri israelieni care au dezvoltat o nouă metodă de fabricare a lentilelor optice.
Sistemul este simplu, ieftin și precis și ar putea avea un impact uriaș asupra până la o treime din populația lumii.De asemenea, poate schimba fața cercetării spațiale.Pentru a-l proiecta, cercetătorii au nevoie doar de o tablă albă, un marker, o gumă de șters și puțin noroc.
Profesorul Moran Bercovici și dr. Valeri Frumkin de la Departamentul de Inginerie Mecanică a Institutului de Tehnologie Technion-Israel din Haifa sunt specializați în mecanica fluidelor, nu în optică.Dar acum un an și jumătate, la Forumul Mondial al Laureaților din Shanghai, Berkovic s-a întâmplat să stea cu David Ziberman, un economist israelian.
Zilberman este un câștigător al Premiului Wolf, iar acum la Universitatea din California, Berkeley, a vorbit despre cercetările sale în țările în curs de dezvoltare.Bercovici a descris experimentul său fluid.Apoi Ziberman a pus o întrebare simplă: „Poți folosi asta pentru a face ochelari?”
„Când te gândești la țările în curs de dezvoltare, de obicei te gândești la malarie, război, foame”, a spus Berkovic.„Dar Ziberman a spus ceva ce nu știu deloc: 2,5 miliarde de oameni din lume au nevoie de ochelari, dar nu-i pot obține.Acesta este un număr uimitor.”
Bercovici s-a întors acasă și a constatat că un raport al Forumului Economic Mondial a confirmat acest număr.Deși costă doar câțiva dolari să faci o pereche simplă de ochelari, ochelarii ieftini nu sunt nici fabricați, nici vânduți în majoritatea părților lumii.
Impactul este uriaș, de la copiii care nu pot vedea tabla în școală până la adulți a căror vedere se deteriorează atât de mult încât își pierd locul de muncă.Pe lângă faptul că dăunează calității vieții oamenilor, costul economiei globale este estimat la 3 trilioane de dolari pe an.
După conversație, Berkovic nu a putut dormi noaptea.Când a ajuns la Technion, a discutat această problemă cu Frumkin, care era cercetător postdoctoral în laboratorul său la acea vreme.
„Am desenat o fotografie pe tablă și ne-am uitat la ea”, și-a amintit el.„Știm din instinct că nu putem crea această formă cu tehnologia noastră de control al fluidelor și vrem să aflăm de ce.”
Forma sferică stă la baza opticii deoarece lentila este făcută din ele.În teorie, Bercovici și Frumkin știau că pot face o cupolă rotundă dintr-un polimer (un lichid care s-a solidificat) pentru a face o lentilă.Dar lichidele pot rămâne sferice doar în volume mici.Când sunt mai mari, gravitația le va zdrobi în bălți.
„Deci, ceea ce trebuie să facem este să scăpăm de gravitație”, a explicat Bercovici.Și asta este exact ceea ce el și Frumkin au făcut.După ce le-a studiat tabla albă, Frumkin a venit cu o idee foarte simplă, dar nu este clar de ce nimeni nu s-a gândit la asta înainte - dacă lentila este plasată într-o cameră de lichid, efectul gravitației poate fi eliminat.Tot ce trebuie să faci este să te asiguri că lichidul din cameră (numit lichid plutitor) are aceeași densitate ca și polimerul din care este făcută lentila, iar apoi polimerul va pluti.
Un alt lucru important este să folosiți două fluide nemiscibile, ceea ce înseamnă că nu se vor amesteca între ele, cum ar fi uleiul și apa.„Majoritatea polimerilor se aseamănă mai mult cu uleiurile, așa că lichidul nostru „singular” este apa”, a spus Bercovici.
Dar pentru că apa are o densitate mai mică decât polimerii, densitatea ei trebuie să crească puțin, astfel încât polimerul să plutească.În acest scop, cercetătorii au folosit și materiale mai puțin exotice - sare, zahăr sau glicerina.Bercovici a spus că componenta finală a procesului este un cadru rigid în care este injectat polimerul, astfel încât forma acestuia să poată fi controlată.
Când polimerul ajunge la forma sa finală, se întărește folosind radiații ultraviolete și devine o lentilă solidă.Pentru realizarea cadrului, cercetătorii au folosit o simplă țeavă de canalizare, tăiată într-un inel, sau o placă Petri tăiată de jos.„Orice copil le poate face acasă, iar fiicele mele și cu mine le-am făcut acasă”, a spus Bercovici.„De-a lungul anilor, am făcut o mulțime de lucruri în laborator, dintre care unele sunt foarte complicate, dar nu există nicio îndoială că acesta este cel mai simplu și mai ușor lucru pe care l-am făcut.Poate cel mai important.”
Frumkin și-a creat prima lovitură în aceeași zi în care s-a gândit la soluție.„Mi-a trimis o fotografie pe WhatsApp”, și-a amintit Berkovic.„În retrospectivă, acesta era o lentilă foarte mică și urâtă, dar am fost foarte fericiți.”Frumkin a continuat să studieze această nouă invenție.„Ecuația arată că odată ce elimini gravitația, nu contează dacă cadrul este de un centimetru sau de un kilometru;în funcție de cantitatea de material, vei obține întotdeauna aceeași formă.”
Cei doi cercetători au continuat să experimenteze cu ingredientul secret de a doua generație, găleata pentru mop, și l-au folosit pentru a crea o lentilă cu un diametru de 20 cm care este potrivită pentru telescoape.Costul lentilei crește exponențial odată cu diametrul, dar cu această nouă metodă, indiferent de dimensiune, tot ce ai nevoie este polimer ieftin, apă, sare (sau glicerină) și o matriță inelară.
Lista de ingrediente marchează o schimbare uriașă în metodele tradiționale de fabricare a lentilelor, care au rămas aproape neschimbate timp de 300 de ani.În etapa inițială a procesului tradițional, o placă de sticlă sau plastic este măcinată mecanic.De exemplu, la fabricarea lentilelor de ochelari, aproximativ 80% din material este irosit.Folosind metoda concepută de Bercovici și Frumkin, în loc de șlefuire a materialelor solide, lichidul este injectat în cadru, astfel încât lentila să poată fi fabricată într-un proces complet fără deșeuri.De asemenea, această metodă nu necesită lustruire, deoarece tensiunea superficială a fluidului poate asigura o suprafață extrem de netedă.
Haaretz a vizitat laboratorul Technion, unde doctorandul Mor Elgarisi a demonstrat procesul.A injectat polimer într-un inel într-o cameră mică de lichid, l-a iradiat cu o lampă UV și mi-a dat o pereche de mănuși chirurgicale două minute mai târziu.Mi-am băgat cu mare grijă mâna în apă și am scos lentila.„Asta e, procesarea s-a încheiat”, a strigat Berkovic.
Lentilele sunt absolut netede la atingere.Acesta nu este doar un sentiment subiectiv: Bercovici spune că, chiar și fără lustruire, rugozitatea suprafeței unei lentile realizate folosind o metodă polimerică este mai mică de un nanometru (o miliardime dintr-un metru).„Forțele naturii creează calități extraordinare pe cont propriu și sunt libere”, a spus el.În schimb, sticla optică este lustruită la 100 de nanometri, în timp ce oglinzile telescopului spațial James Webb ale NASA sunt lustruite la 20 de nanometri.
Dar nu toată lumea crede că această metodă elegantă va fi salvatorul a miliarde de oameni din întreaga lume.Profesorul Ady Arie de la Școala de Inginerie Electrică a Universității din Tel Aviv a subliniat că metoda lui Bercovici și Frumkin necesită o matriță circulară în care este injectat polimer lichid, polimerul în sine și o lampă cu ultraviolete.
„Acestea nu sunt disponibile în satele indiene”, a subliniat el.O altă problemă ridicată de fondatorul SPO Precision Optics și vicepreședintele R&D Niv Adut și de omul de știință al companiei, Dr. Doron Sturlesi (amândoi familiarizați cu munca lui Bercovici) este că înlocuirea procesului de șlefuire cu piese turnate din plastic va îngreuna adaptarea lentilei la are nevoie.Oamenii săi.
Berkovic nu a intrat în panică.„Critica este o parte fundamentală a științei, iar dezvoltarea noastră rapidă în ultimul an se datorează în mare parte experților care ne împing la colț”, a spus el.În ceea ce privește fezabilitatea fabricării în zone îndepărtate, acesta a adăugat: „Infrastructura necesară pentru fabricarea ochelarilor prin metode tradiționale este uriașă;ai nevoie de fabrici, mașini și tehnicieni, iar noi avem nevoie doar de infrastructura minimă.”
Bercovici ne-a arătat două lămpi cu radiații ultraviolete în laboratorul său: „Aceasta este de la Amazon și costă 4 dolari, iar cealaltă este de la AliExpress și costă 1,70 dolari.Dacă nu le ai, poți oricând să folosești Sunshine”, a explicat el.Dar polimerii?„O sticlă de 250 ml se vinde cu 16 USD pe Amazon.Obiectivul mediu necesită 5 până la 10 ml, așa că nici costul polimerului nu este un factor real.”
El a subliniat că metoda sa nu necesită utilizarea de matrițe unice pentru fiecare număr de lentile, așa cum susțin criticii.O matriță simplă este potrivită pentru fiecare număr de lentile, a explicat el: „Diferența este cantitatea de polimer injectată, iar pentru a face un cilindru pentru ochelari, tot ce este necesar este să întindeți puțin matrița.”
Bercovici a spus că singura parte costisitoare a procesului este automatizarea injecției polimerului, care trebuie făcută exact în funcție de numărul de lentile necesare.
„Visul nostru este să avem impact în țara cu cele mai puține resurse”, a spus Bercovici.Deși paharele ieftine pot fi aduse în satele sărace - deși acest lucru nu a fost finalizat - planul său este mult mai mare.„La fel ca acel celebru proverb, nu vreau să le dau pește, vreau să-i învăț să pescuiască.În acest fel, oamenii își vor putea face singuri ochelari”, a spus el.„Va reuși?Numai timpul va da răspunsul.”
Bercovici și Frumkin au descris acest proces într-un articol în urmă cu aproximativ șase luni din prima ediție a Flow, un jurnal de aplicații în mecanica fluidelor publicat de Universitatea din Cambridge.Însă echipa nu intenționează să rămână pe lentile optice simple.O altă lucrare publicată în revista Optica în urmă cu câteva săptămâni descria o nouă metodă de fabricare a componentelor optice complexe în domeniul opticii cu formă liberă.Aceste componente optice nu sunt nici convexe, nici concave, ci sunt turnate într-o suprafață topografică, iar lumina este iradiată pe suprafața diferitelor zone pentru a obține efectul dorit.Aceste componente pot fi găsite în ochelari multifocali, căști pentru pilot, sisteme avansate de proiectoare, sisteme de realitate virtuală și augmentată și în alte locuri.
Fabricarea componentelor cu formă liberă folosind metode durabile este complicată și costisitoare, deoarece este dificil să șlefuiți și să lustruiți suprafața acestora.Prin urmare, aceste componente au în prezent utilizări limitate.„Au existat publicații academice despre posibilele utilizări ale unor astfel de suprafețe, dar acest lucru nu s-a reflectat încă în aplicații practice”, a explicat Bercovici.În această nouă lucrare, echipa de laborator condusă de Elgarisi a arătat cum se controlează forma suprafeței creată atunci când se injectează lichid polimeric prin controlul formei cadrului.Cadrul poate fi creat folosind o imprimantă 3D.„Nu mai facem lucruri cu o găleată pentru mop, dar este încă foarte simplu”, a spus Bercovici.
Omer Luria, inginer de cercetare la laborator, a subliniat că această nouă tehnologie poate produce rapid lentile deosebit de netede, cu un teren unic.„Sperăm că poate reduce semnificativ costurile și timpul de producție al componentelor optice complexe”, a spus el.
Profesorul Arie este unul dintre editorii Optica, dar nu a participat la revizuirea articolului.„Este o treabă foarte bună”, a spus Ali despre cercetare.„Pentru a produce suprafețe optice asferice, metodele actuale folosesc matrițe sau imprimare 3D, dar ambele metode sunt dificil de a crea suprafețe suficient de netede și mari într-un interval de timp rezonabil.”Arie crede că noua metodă va ajuta la crearea libertății Prototip de componente formale.„Pentru producția industrială a unui număr mare de piese, cel mai bine este să pregătiți matrițe, dar pentru a testa rapid idei noi, aceasta este o metodă interesantă și elegantă”, a spus el.
SPO este una dintre companiile lider din Israel în domeniul suprafețelor cu formă liberă.Potrivit lui Adut și Sturlesi, noua metodă are avantaje și dezavantaje.Ei spun că utilizarea materialelor plastice limitează posibilitățile, deoarece acestea nu sunt durabile la temperaturi extreme și capacitatea lor de a obține o calitate suficientă în întreaga gamă de culori este limitată.În ceea ce privește avantajele, aceștia au subliniat că tehnologia are potențialul de a reduce semnificativ costul de producție al lentilelor complexe din plastic, care sunt utilizate în toate telefoanele mobile.
Adut și Sturlesi au adăugat că prin metodele tradiționale de fabricație, diametrul lentilelor din plastic este limitat pentru că cu cât sunt mai mari, cu atât devin mai puțin precise.Ei au spus că, conform metodei lui Bercovici, fabricarea lentilelor în lichid poate preveni distorsiunile, ceea ce poate crea componente optice foarte puternice – fie că sunt în domeniul lentilelor sferice, fie al lentilelor cu formă liberă.
Cel mai neașteptat proiect al echipei Technion a fost alegerea de a produce un obiectiv mare.Aici, totul a început cu o conversație accidentală și o întrebare naivă.„Totul este despre oameni”, a spus Berkovic.Când l-a întrebat pe Berkovic, îi spunea doctorului Edward Baraban, cercetător al NASA, că-și cunoaște proiectul de la Universitatea Stanford și îl cunoștea la Universitatea Stanford: „Crezi că poți face o astfel de lentilă pentru un telescop spațial. ?”
„Părea o idee nebună”, și-a amintit Berkovic, „dar mi-a fost profund întipărită în minte”.După ce testul de laborator a fost finalizat cu succes, cercetătorii israelieni și-au dat seama că metoda ar putea fi folosită și în spațiu.La urma urmei, puteți obține condiții de microgravitație acolo fără a fi nevoie de lichide plutitoare.„L-am sunat pe Edward și i-am spus că funcționează!”
Telescoapele spațiale au mari avantaje față de telescoapele de la sol, deoarece nu sunt afectate de poluarea atmosferică sau luminoasă.Cea mai mare problemă cu dezvoltarea telescoapelor spațiale este că dimensiunea lor este limitată de dimensiunea lansatorului.Pe Pământ, telescoapele au în prezent un diametru de până la 40 de metri.Telescopul spațial Hubble are o oglindă cu diametrul de 2,4 metri, în timp ce telescopul James Webb are o oglindă cu diametrul de 6,5 metri – a fost nevoie de 25 de ani de oameni de știință pentru a realiza această realizare, costând 9 miliarde de dolari SUA, parțial pentru că Un sistem trebuie să fie dezvoltat care poate lansa telescopul într-o poziție pliată și apoi îl poate deschide automat în spațiu.
Pe de altă parte, Liquid este deja într-o stare „pliată”.De exemplu, puteți umple emițătorul cu metal lichid, puteți adăuga un mecanism de injecție și un inel de expansiune și apoi faceți o oglindă în spațiu.„Aceasta este o iluzie”, a recunoscut Berkovic.„Mama m-a întrebat: „Când vei fi gata?I-am spus: „Poate peste vreo 20 de ani.Ea a spus că nu a avut timp să aștepte.”
Dacă acest vis devine realitate, s-ar putea schimba viitorul cercetării spațiale.Astăzi, Berkovic a subliniat că oamenii nu au capacitatea de a observa direct exoplanete - planete din afara sistemului solar, deoarece pentru a face acest lucru este nevoie de un telescop Pământesc de 10 ori mai mare decât telescoapele existente - ceea ce este complet imposibil cu tehnologia existentă.
Pe de altă parte, Bercovici a adăugat că Falcon Heavy, în prezent cel mai mare lansator spațial SpaceX, poate transporta 20 de metri cubi de lichid.El a explicat că, teoretic, Falcon Heavy ar putea fi folosit pentru a lansa un lichid într-un punct orbital, unde lichidul ar putea fi folosit pentru a face o oglindă cu diametrul de 75 de metri - suprafața și lumina colectată ar fi de 100 de ori mai mari decât cea din urmă. .Telescopul James Webb.
Acesta este un vis și va dura mult timp pentru a-l realiza.Dar NASA o ia în serios.Împreună cu o echipă de ingineri și oameni de știință de la Centrul de Cercetare Ames al NASA, condusă de Balaban, tehnologia este încercată pentru prima dată.
La sfârșitul lunii decembrie, un sistem dezvoltat de echipa de laborator Bercovici va fi trimis la Stația Spațială Internațională, unde vor fi efectuate o serie de experimente pentru a permite astronauților să producă și să vindece lentile în spațiu.Înainte de aceasta, experimentele vor fi efectuate în Florida în acest weekend pentru a testa fezabilitatea producerii de lentile de înaltă calitate sub microgravitație, fără a fi nevoie de vreun lichid plutitor.
Experimentul Fluid Telescope (FLUTE) a fost efectuat pe un avion cu gravitate redusă - toate scaunele acestei aeronave au fost îndepărtate pentru antrenarea astronauților și filmarea scenelor cu gravitate zero în filme.Prin manevrarea sub forma unei antiparabole, în sus și apoi în coborâre liberă, sunt create condiții de microgravitație în aeronavă pentru o perioadă scurtă de timp.„Se numește „cometă cu vărsături” din motive întemeiate”, a spus Berkovic zâmbind.Căderea liberă durează aproximativ 20 de secunde, în care gravitația aeronavei este aproape de zero.În această perioadă, cercetătorii vor încerca să facă o lentilă lichidă și să facă măsurători pentru a demonstra că calitatea lentilei este suficient de bună, apoi avionul devine drept, gravitația este complet restabilită, iar lentila devine o băltoacă.
Experimentul este programat pentru două zboruri joi și vineri, fiecare cu 30 de parabole.Bercovici și majoritatea membrilor echipei de laborator, inclusiv Elgarisi și Luria, și Frumkin de la Massachusetts Institute of Technology vor fi prezenți.
În timpul vizitei mele la laboratorul Technion, entuziasmul a fost copleșitor.Pe podea sunt 60 de cutii de carton, care conțin 60 de truse mici pentru experimente.Luria face îmbunătățiri finale și de ultimă oră sistemului experimental computerizat pe care l-a dezvoltat pentru a măsura performanța lentilelor.
În același timp, echipa efectuează exerciții de sincronizare înainte de momentele critice.O echipă a stat acolo cu un cronometru, iar celelalte au avut 20 de secunde pentru a face o lovitură.Pe aeronavă în sine, condițiile vor fi și mai rele, mai ales după mai multe căderi libere și ridicări în sus sub gravitație crescută.
Nu doar echipa Technion este entuziasmată.Baraban, cercetătorul principal al Flute Experiment al NASA, a declarat lui Haaretz: „Metoda de modelare a fluidelor poate avea ca rezultat telescoape spațiale puternice, cu deschideri de zeci sau chiar sute de metri.De exemplu, astfel de telescoape pot observa direct împrejurimile altor stele.Planet, facilitează analiza de înaltă rezoluție a atmosferei sale și poate chiar identifica caracteristici de suprafață la scară largă.Această metodă poate duce, de asemenea, la alte aplicații spațiale, cum ar fi componente optice de înaltă calitate pentru colectarea și transmiterea energiei, instrumente științifice și echipamente medicale Producția spațială - jucând astfel un rol important în economia spațială emergentă.
Cu puțin timp înainte de a se urca în avion și de a se îmbarca în aventura vieții sale, Berkovic a făcut o pauză surprins.„Mă tot întreb de ce nimeni nu s-a gândit la asta înainte”, a spus el.„De fiecare dată când merg la o conferință, mă tem că cineva se va ridica și va spune că unii cercetători ruși au făcut asta acum 60 de ani.La urma urmei, este o metodă atât de simplă.”
Ora postării: 21-dec-2021