Prof. Moran Bercovici in dr. Valeri Frumkin sta razvila poceni tehnologijo za izdelavo optičnih leč in očala je mogoče izdelovati za mnoge države v razvoju, kjer očala niso na voljo.Zdaj NASA pravi, da ga je mogoče uporabiti za izdelavo vesoljskih teleskopov
Znanost običajno napreduje z majhnimi koraki.Vsakemu novemu poskusu je dodan majhen podatek.Redko se zgodi, da preprosta ideja, ki se pojavi v možganih znanstvenika, vodi do velikega preboja brez uporabe kakršne koli tehnologije.Toda to se je zgodilo dvema izraelskima inženirjema, ki sta razvila nov način izdelave optičnih leč.
Sistem je preprost, poceni in natančen ter bi lahko imel velik vpliv na do eno tretjino svetovnega prebivalstva.Prav tako lahko spremeni podobo vesoljskih raziskav.Da bi ga oblikovali, raziskovalci potrebujejo le belo tablo, marker, radirko in malo sreče.
Profesor Moran Bercovici in dr. Valeri Frumkin z oddelka za strojništvo Izraelskega inštituta za tehnologijo Technion v Haifi sta specializirana za mehaniko tekočin, ne za optiko.Toda pred letom in pol je Berkovič na svetovnem forumu nagrajencev v Šanghaju slučajno sedel z Davidom Zibermanom, izraelskim ekonomistom.
Zilberman je dobitnik Wolfove nagrade in je zdaj na kalifornijski univerzi Berkeley govoril o svojih raziskavah v državah v razvoju.Bercovici je opisal svoj eksperiment s tekočino.Nato je Ziberman postavil preprosto vprašanje: "Ali lahko to uporabite za izdelavo očal?"
"Ko pomislite na države v razvoju, običajno pomislite na malarijo, vojno, lakoto," je dejal Berkovic.»Toda Ziberman je rekel nekaj, kar sploh ne vem – 2,5 milijarde ljudi na svetu potrebuje očala, a jih ne morejo dobiti.To je neverjetna številka.”
Bercovici se je vrnil domov in ugotovil, da poročilo Svetovnega gospodarskega foruma to številko potrjuje.Čeprav izdelava preprostih očal stane le nekaj dolarjev, poceni očal v večini delov sveta ne izdelujejo in ne prodajajo.
Vpliv je ogromen, od otrok, ki v šoli ne vidijo table, do odraslih, ki se jim vid tako poslabša, da izgubijo službo.Poleg tega, da škoduje kakovosti življenja ljudi, so stroški svetovnega gospodarstva ocenjeni na kar 3 bilijone ameriških dolarjev na leto.
Po pogovoru Berkovič ponoči ni mogel spati.Ko je prišel v Technion, se je o tem pogovarjal s Frumkinom, ki je bil takrat podoktorski raziskovalec v njegovem laboratoriju.
"Na tablo smo narisali posnetek in ga pogledali," se je spominjal."Instinktivno vemo, da te oblike ne moremo ustvariti z našo tehnologijo za nadzor tekočine, in želimo ugotoviti, zakaj."
Sferična oblika je osnova optike, ker je iz njih sestavljena leča.V teoriji sta Bercovici in Frumkin vedela, da lahko naredita okroglo kupolo iz polimera (tekočina, ki se je strdila), da bi naredila lečo.Toda tekočine lahko ostanejo sferične le v majhnih količinah.Ko so večji, jih gravitacija zmečka v luže.
"Torej moramo se znebiti gravitacije," je pojasnil Bercovici.In prav to sta s Frumkinom naredila.Po preučevanju njihove bele table je Frumkin prišel na zelo preprosto idejo, a ni jasno, zakaj nihče prej ni pomislil nanjo – če lečo postavimo v komoro s tekočino, lahko odpravimo učinek gravitacije.Vse kar morate storiti je, da se prepričate, da ima tekočina v komori (imenovana vzgonska tekočina) enako gostoto kot polimer, iz katerega je izdelana leča, in potem bo polimer plaval.
Druga pomembna stvar je uporaba dveh nemešljivih tekočin, kar pomeni, da se med seboj ne bosta mešali, na primer olje in voda."Večina polimerov je bolj podobnih oljem, zato je naša 'edina' plavajoča tekočina voda," je dejal Bercovici.
Ker pa ima voda nižjo gostoto kot polimeri, je treba njeno gostoto nekoliko povečati, da bo polimer plaval.V ta namen so raziskovalci uporabili tudi manj eksotične materiale – sol, sladkor ali glicerin.Bercovici je dejal, da je končna komponenta procesa tog okvir, v katerega se vbrizga polimer, tako da je mogoče nadzorovati njegovo obliko.
Ko polimer doseže končno obliko, se strdi z ultravijoličnim sevanjem in postane trdna leča.Za izdelavo okvirja so raziskovalci uporabili preprosto kanalizacijsko cev, razrezano v obroč, ali petrijevko, odrezano z dna."Vsak otrok jih lahko naredi doma, s hčerkama sva jih naredili nekaj doma," je dejal Bercovici.»V teh letih smo v laboratoriju naredili veliko stvari, nekatere so bile zelo zapletene, a ni dvoma, da je to najenostavnejša in najlažja stvar, ki smo jo naredili.Morda najpomembnejši.”
Frumkin je ustvaril svoj prvi posnetek na isti dan, ko je pomislil na rešitev."Poslal mi je fotografijo na WhatsApp," se spominja Berkovic."V retrospektivi je bil to zelo majhen in grd objektiv, vendar smo bili zelo zadovoljni."Frumkin je nadaljeval s preučevanjem tega novega izuma.»Enačba kaže, da ko odstranite gravitacijo, ni pomembno, ali je okvir en centimeter ali en kilometer;glede na količino materiala boste vedno dobili enako obliko.«
Raziskovalca sta nadaljevala z eksperimentiranjem s skrivno sestavino druge generacije, vedrom za brisanje, in z njo ustvarila lečo s premerom 20 cm, ki je primerna za teleskope.Cena leče eksponentno narašča s premerom, vendar s to novo metodo, ne glede na velikost, potrebujete le poceni polimer, vodo, sol (ali glicerin) in kalup za obroče.
Seznam sestavin pomeni velik premik v tradicionalnih metodah izdelave leč, ki so ostale skoraj nespremenjene 300 let.V začetni fazi tradicionalnega postopka se steklena ali plastična plošča mehansko brusi.Na primer, pri izdelavi leč za očala se porabi približno 80 % materiala.Po metodi, ki sta jo zasnovala Bercovici in Frumkin, se namesto mletja trdnih materialov v okvir vbrizga tekočina, tako da je lečo mogoče izdelati popolnoma brez odpadkov.Ta metoda tudi ne zahteva poliranja, ker lahko površinska napetost tekočine zagotovi izjemno gladko površino.
Haaretz je obiskal Technionov laboratorij, kjer je doktorski študent Mor Elgarisi demonstriral postopek.Polimer je vbrizgal v obroček v majhni tekočinski komori, ga obseval z UV-žarnico in mi dve minuti kasneje izročil par kirurških rokavic.Zelo previdno sem pomočil roko v vodo in izvlekel lečo."To je to, obdelava je končana," je zavpil Berkovič.
Leče so popolnoma gladke na dotik.To ni samo subjektivni občutek: Bercovici pravi, da je površinska hrapavost leče, izdelane s polimerno metodo, tudi brez poliranja manjša od enega nanometra (milijardinke metra)."Sile narave same ustvarjajo izjemne lastnosti in so svobodne," je dejal.Nasprotno pa je optično steklo polirano na 100 nanometrov, medtem ko so ogledala vodilnega Nasinega vesoljskega teleskopa James Webb polirana na 20 nanometrov.
A vsi ne verjamejo, da bo ta elegantna metoda rešiteljica milijard ljudi po vsem svetu.Profesor Ady Arie s šole za elektrotehniko Univerze v Tel Avivu je poudaril, da Bercovicijeva in Frumkinova metoda zahteva krožni kalup, v katerega se vbrizga tekoči polimer, sam polimer in ultravijolično svetilko.
"Teh ni na voljo v indijskih vaseh," je poudaril.Drugo vprašanje, ki sta ga izpostavila ustanovitelj SPO Precision Optics in podpredsednik R&D Niv Adut ter glavni znanstvenik podjetja dr. Doron Sturlesi (oba seznanjena z Bercovicijevim delom), je, da bo zamenjava postopka brušenja s plastičnimi ulitki otežila prilagajanje leče potrebe.Svoje ljudi.
Berkovič ni delal panike."Kritika je temeljni del znanosti in naš hiter razvoj v zadnjem letu je v veliki meri posledica strokovnjakov, ki so nas potisnili v kot," je dejal.Glede izvedljivosti proizvodnje na oddaljenih območjih je dodal: »Infrastruktura, potrebna za proizvodnjo očal po tradicionalnih metodah, je ogromna;potrebujete tovarne, stroje in tehnike, mi pa potrebujemo le minimalno infrastrukturo.«
Bercovici nam je v svojem laboratoriju pokazal dve žarnici za ultravijolično sevanje: »Ta je iz Amazona in stane 4 $, druga pa iz AliExpressa in stane 1,70 $.Če jih nimate, lahko vedno uporabite Sunshine,« je pojasnil.Kaj pa polimeri?»250-mililitrska steklenica se na Amazonu prodaja za 16 dolarjev.Povprečna leča potrebuje od 5 do 10 ml, zato tudi cena polimera ni pravi dejavnik.«
Poudaril je, da njegova metoda ne zahteva uporabe edinstvenih kalupov za vsako številko leče, kot trdijo kritiki.Preprost kalup je primeren za vsako številko leče, je pojasnil: "Razlika je v količini vbrizganega polimera in za izdelavo cilindra za očala je potrebno le malo raztegniti kalup."
Bercovici je dejal, da je edini dragi del procesa avtomatizacija brizganja polimerov, ki mora biti opravljena natančno glede na število zahtevanih leč.
"Naše sanje so imeti vpliv v državi z najmanj sredstvi," je dejal Bercovici.Čeprav je poceni očala mogoče prinesti v revne vasi - čeprav to še ni dokončano - je njegov načrt veliko večji.»Tako kot tisti slavni pregovor, nočem jim dati rib, hočem jih naučiti loviti ribe.Na ta način si bodo ljudje lahko sami izdelali očala,« je dejal.»Ali bo uspelo?Samo čas bo dal odgovor.”
Bercovici in Frumkin sta ta proces opisala v članku pred približno šestimi meseci v prvi izdaji revije Flow o aplikacijah mehanike tekočin, ki jo je objavila Univerza v Cambridgeu.Toda ekipa ne namerava ostati pri preprostih optičnih lečah.Drugi članek, objavljen v reviji Optica pred nekaj tedni, je opisal novo metodo za proizvodnjo kompleksnih optičnih komponent na področju optike proste oblike.Te optične komponente niso niti konveksne niti konkavne, ampak so oblikovane v topografsko površino, svetloba pa se obseva na površino različnih območij, da se doseže želeni učinek.Te komponente je mogoče najti v večžariščnih očalih, pilotskih čeladah, naprednih sistemih projektorjev, sistemih navidezne in razširjene resničnosti ter drugod.
Izdelava komponent proste oblike z uporabo trajnostnih metod je zapletena in draga, saj je njihovo površino težko brusiti in polirati.Zato imajo te komponente trenutno omejeno uporabo."Bile so akademske publikacije o možnih uporabah takih površin, vendar se to še ni odrazilo v praktičnih aplikacijah," je pojasnil Bercovici.V tem novem dokumentu je laboratorijska ekipa, ki jo vodi Elgarisi, pokazala, kako nadzorovati obliko površine, ki nastane, ko se vbrizga polimerna tekočina z nadzorom oblike okvirja.Okvir lahko ustvarite s 3D tiskalnikom."Stvari ne počnemo več z vedrom za brisanje, vendar je še vedno zelo preprosto," je dejal Bercovici.
Omer Luria, raziskovalni inženir v laboratoriju, je poudaril, da lahko ta nova tehnologija hitro proizvede posebno gladke leče z edinstvenim terenom."Upamo, da lahko znatno zmanjša stroške in čas proizvodnje kompleksnih optičnih komponent," je dejal.
Profesor Arie je eden od urednikov Optike, vendar pri recenziji članka ni sodeloval."To je zelo dobro delo," je dejal Ali o raziskavi."Za izdelavo asferičnih optičnih površin trenutne metode uporabljajo kalupe ali 3D-tiskanje, vendar je z obema metodama težko ustvariti dovolj gladke in velike površine v razumnem časovnem okviru."Arie verjame, da bo nova metoda pomagala ustvariti svobodo Prototip formalnih komponent.»Za industrijsko proizvodnjo velikega števila delov je najbolje pripraviti kalupe, a za hitro preizkušanje novih idej je to zanimiva in elegantna metoda,« je dejal.
SPO je eno vodilnih izraelskih podjetij na področju površin prostih oblik.Po mnenju Aduta in Sturlesija ima nova metoda prednosti in slabosti.Pravijo, da uporaba plastike omejuje možnosti, ker ni obstojna pri ekstremnih temperaturah in je omejena njihova sposobnost doseganja zadostne kakovosti v celotnem barvnem razponu.Kar zadeva prednosti, so poudarili, da ima tehnologija potencial za znatno znižanje proizvodnih stroškov kompleksnih plastičnih leč, ki se uporabljajo v vseh mobilnih telefonih.
Adut in Sturlesi sta dodala, da je s tradicionalnimi metodami izdelave premer plastičnih leč omejen, saj večje ko so, manj natančne postanejo.Rekli so, da lahko po Bercovicijevi metodi izdelava leč v tekočini prepreči popačenje, ki lahko ustvari zelo močne optične komponente - bodisi na področju sferičnih leč ali leč proste oblike.
Najbolj nepričakovan projekt ekipe Technion je bila odločitev za izdelavo velikega objektiva.Tukaj se je vse začelo z naključnim pogovorom in naivnim vprašanjem."Vse gre za ljudi," je dejal Berkovic.Ko je vprašal Berkovica, je dr. Edwardu Barabanu, NASA-in raziskovalcu, povedal, da pozna njegov projekt na Univerzi Stanford in on njega na Univerzi Stanford: »Misliš, da lahko narediš takšno lečo za vesoljski teleskop ?"
"Zvenelo je kot nora ideja," se je spominjal Berkovic, "vendar se je globoko vtisnila v moje misli."Po uspešno opravljenem laboratorijskem testu so izraelski raziskovalci ugotovili, da bi metodo lahko uporabili v vesolju. Enako deluje v vesolju.Navsezadnje lahko tam dosežete pogoje mikrogravitacije brez potrebe po plavajočih tekočinah."Poklical sem Edwarda in mu rekel, da deluje!"
Vesoljski teleskopi imajo velike prednosti pred zemeljskimi teleskopi, saj nanje ne vpliva atmosfersko ali svetlobno onesnaženje.Največja težava pri razvoju vesoljskih teleskopov je, da je njihova velikost omejena z velikostjo nosilca.Na Zemlji imajo trenutno teleskopi premer do 40 metrov.Vesoljski teleskop Hubble ima zrcalo s premerom 2,4 metra, medtem ko ima teleskop James Webb zrcalo s premerom 6,5 metra - znanstveniki so potrebovali 25 let, da so dosegli ta dosežek in stali 9 milijard ameriških dolarjev, deloma zato, ker je treba sistem razviti, ki lahko izstreli teleskop v zloženem položaju in ga nato samodejno odpre v vesolju.
Po drugi strani pa je Liquid že v "zloženem" stanju.Na primer, oddajnik lahko napolnite s tekočo kovino, dodate mehanizem za vbrizgavanje in ekspanzijski obroč ter nato naredite ogledalo v prostoru."To je iluzija," je priznal Berkovič.»Mama me je vprašala: 'Kdaj boš pripravljen?Rekel sem ji: 'Mogoče čez približno 20 let.Rekla je, da nima časa čakati.”
Če se bodo te sanje uresničile, bodo morda spremenile prihodnost vesoljskih raziskav.Danes je Berkovic poudaril, da ljudje nimamo možnosti neposrednega opazovanja eksoplanetov - planetov zunaj sončnega sistema, ker za to potrebujemo zemeljski teleskop, ki je 10-krat večji od obstoječih teleskopov - kar je z obstoječo tehnologijo popolnoma nemogoče.
Po drugi strani pa je Bercovici dodal, da Falcon Heavy, trenutno največja vesoljska raketa SpaceX, lahko nosi 20 kubičnih metrov tekočine.Pojasnil je, da bi teoretično Falcon Heavy lahko uporabili za izstrelitev tekočine do orbitalne točke, kjer bi lahko tekočino uporabili za izdelavo ogledala s premerom 75 metrov - površina in zbrana svetloba bi bila 100-krat večja od slednje .Teleskop James Webb.
To so sanje in trajalo bo veliko časa, da jih uresničimo.Toda NASA to jemlje resno.Skupaj z ekipo inženirjev in znanstvenikov iz Nasinega raziskovalnega centra Ames, ki jo vodi Balaban, se tehnologija prvič preizkuša.
Konec decembra bo sistem, ki ga je razvila laboratorijska ekipa Bercovici, poslan na Mednarodno vesoljsko postajo, kjer bodo izvedli vrsto poskusov, ki bodo astronavtom omogočili izdelavo in utrjevanje leč v vesolju.Pred tem bodo ta konec tedna na Floridi izvedli poskuse, da bi preizkusili izvedljivost izdelave visokokakovostnih leč v mikrogravitaciji brez potrebe po kakršni koli plovni tekočini.
Eksperiment Fluid Telescope (FLUTE) je bil izveden na letalu z zmanjšano gravitacijo - vsi sedeži tega letala so bili odstranjeni za urjenje astronavtov in snemanje prizorov brez gravitacije v filmih.Z manevriranjem v obliki antiparabole - dviganje in nato prosto padanje - se v letalu za kratek čas ustvarijo mikrogravitacijske razmere.»Z dobrim razlogom se imenuje 'izbruhani komet',« je z nasmehom dejal Berkovic.Prosti pad traja približno 20 sekund, v katerem je gravitacija letala blizu nič.V tem obdobju bodo raziskovalci poskušali izdelati tekočo lečo in opraviti meritve, da bi dokazali, da je kakovost leče dovolj dobra, nato ravnina postane ravna, gravitacija se popolnoma obnovi in leča postane luža.
Eksperiment je predviden za dva poleta v četrtek in petek, vsak s 30 parabolami.Prisotni bodo Bercovici in večina članov laboratorijske ekipe, vključno z Elgarisi in Luria ter Frumkinom iz tehnološkega inštituta v Massachusettsu.
Med mojim obiskom laboratorija Technion je bilo navdušenje izjemno.Na tleh je 60 kartonskih škatel, v katerih je 60 lastno izdelanih kompletov za poskuse.Luria v zadnjem trenutku izboljšuje računalniški eksperimentalni sistem, ki ga je razvil za merjenje zmogljivosti leč.
Hkrati ekipa izvaja časovne vaje pred kritičnimi trenutki.Ena ekipa je stala tam s štoparico, druge pa so imele 20 sekund časa za strel.Na samem letalu bodo razmere še slabše, zlasti po več prostih padcih in dvigih navzgor pod povečano gravitacijo.
Ni samo ekipa Technion tista, ki je navdušena.Baraban, vodilni raziskovalec NASA-jevega Flute Experimenta, je za Haaretz povedal: »Metoda oblikovanja tekočine lahko povzroči močne vesoljske teleskope z odprtinami več deset ali celo sto metrov.Takšni teleskopi lahko na primer neposredno opazujejo okolico drugih zvezd.Planet, omogoča analizo atmosfere z visoko ločljivostjo in lahko celo prepozna površinske značilnosti velikega obsega.Ta metoda lahko privede tudi do drugih vesoljskih aplikacij, kot so visokokakovostne optične komponente za pridobivanje in prenos energije, znanstveni instrumenti in medicinska oprema, vesoljska proizvodnja, ki ima tako pomembno vlogo v nastajajočem vesoljskem gospodarstvu.«
Tik preden se je vkrcal na letalo in se podal na avanturo svojega življenja, je Berkovič za trenutek presenečen obstal."Nenehno se sprašujem, zakaj nihče prej ni pomislil na to," je dejal.»Vsakič, ko grem na konferenco, se bojim, da bo kdo vstal in rekel, da so neki ruski raziskovalci to storili pred 60 leti.Navsezadnje je to tako preprosta metoda.«
Čas objave: 21. december 2021