Prof. Moran Bercovici és Dr. Valeri Frumkin olcsó technológiát fejlesztett ki az optikai lencsék gyártásához, és sok fejlődő ország számára is lehetséges szemüveget gyártani, ahol nem állnak rendelkezésre szemüvegek.A NASA most azt állítja, hogy űrteleszkópok készítésére is használható
A tudomány általában kis lépésekben halad előre.Minden új kísérlethez hozzáadunk egy kis információt.Ritka, hogy egy egyszerű ötlet, amely egy tudós agyában megjelenik, nagy áttöréshez vezet anélkül, hogy bármilyen technológiát használna.De ez történt két izraeli mérnökkel, akik új módszert fejlesztettek ki az optikai lencsék gyártására.
A rendszer egyszerű, olcsó és pontos, és óriási hatással lehet a világ népességének akár egyharmadára is.Ez megváltoztathatja az űrkutatás arculatát is.A tervezéshez a kutatóknak csak egy fehér táblára, egy markerre, egy radírra és egy kis szerencsére van szükségük.
Moran Bercovici professzor és Dr. Valeri Frumkin a haifai Technion-Israel Institute of Technology gépészmérnöki osztályáról folyadékmechanikára szakosodtak, nem optikára.De másfél évvel ezelőtt a sanghaji World Laureate Forumon Berkovic véletlenül David Ziberman izraeli közgazdász mellett ült.
Zilberman Wolf-díjas, és most a Kaliforniai Egyetemen, Berkeleyben beszélt a fejlődő országokban végzett kutatásairól.Bercovici leírta folyadékkísérletét.Aztán Ziberman feltett egy egyszerű kérdést: „Használható szemüvegkészítéshez?”
"Ha a fejlődő országokra gondol, általában a maláriára, a háborúra, az éhezésre gondol" - mondta Berkovic.„De Ziberman mondott valamit, amit egyáltalán nem tudok – a világon 2,5 milliárd embernek szüksége van szemüvegre, de nem kaphatja meg.Ez egy elképesztő szám.”
Bercovici hazatért, és megállapította, hogy a Világgazdasági Fórum jelentése megerősítette ezt a számot.Bár csak néhány dollárba kerül egy egyszerű szemüveg elkészítése, olcsó szemüveget nem gyártanak és nem is árulnak a világ legtöbb részén.
A hatás óriási, a gyerekektől, akik nem látják a táblát az iskolában, a felnőttekig, akiknek a látása annyira leromlik, hogy elveszítik munkájukat.Amellett, hogy rontja az emberek életminőségét, a globális gazdaság költségei a becslések szerint akár évi 3 billió USD-t is elérhetnek.
A beszélgetés után Berkovic éjjel nem tudott aludni.Amikor megérkezett a Technionhoz, megvitatta ezt a kérdést Frumkinnal, aki akkoriban posztdoktori kutató volt a laboratóriumában.
„Egy képet rajzoltunk a táblára, és megnéztük” – emlékezett vissza.„Ösztönösen tudjuk, hogy folyadékvezérlési technológiánkkal nem tudjuk létrehozni ezt a formát, és szeretnénk kideríteni, miért.”
A gömb alakú forma az optika alapja, mert a lencse is belőlük készült.Elméletileg Bercovici és Frumkin tudták, hogy polimerből (egy megszilárdult folyadékból) kerek kupolát tudnak készíteni lencsék készítéséhez.De a folyadékok csak kis térfogatban maradhatnak gömb alakúak.Ha nagyobbak, a gravitáció tócsákká zúzza őket.
„Tehát meg kell szabadulnunk a gravitációtól” – magyarázta Bercovici.És pontosan ezt tette ő és Frumkin.A táblájuk tanulmányozása után Frumkin egy nagyon egyszerű ötlettel állt elő, de nem világos, hogy ez korábban miért nem jutott eszébe senkinek – ha a lencsét folyadékkamrába helyezik, a gravitáció hatása kiküszöbölhető.Csak meg kell győződnie arról, hogy a kamrában lévő folyadék (úgynevezett lebegő folyadék) ugyanolyan sűrűségű legyen, mint annak a polimernek, amelyből a lencse készült, és akkor a polimer lebeg.
Egy másik fontos dolog, hogy két egymással nem elegyedő folyadékot használjon, ami azt jelenti, hogy nem keverednek egymással, például olaj és víz.„A legtöbb polimer inkább olajhoz hasonlít, ezért a mi „egyedülálló” úszó folyadékunk a víz” – mondta Bercovici.
De mivel a víznek kisebb a sűrűsége, mint a polimereké, a sűrűségét egy kicsit növelni kell, hogy a polimer lebegjen.Ennek érdekében a kutatók kevésbé egzotikus anyagokat is használtak – sót, cukrot vagy glicerint.Bercovici elmondta, hogy az eljárás végső komponense egy merev keret, amelybe polimert fecskendeznek be, így szabályozható a formája.
Amikor a polimer eléri végső formáját, ultraibolya sugárzással keményedik, és szilárd lencsévé válik.A keret elkészítéséhez a kutatók egy egyszerű, gyűrűre vágott szennyvízcsövet vagy egy alulról kivágott Petri-csészét használtak.„Bármelyik gyerek elkészítheti otthon, én és a lányaim pedig otthon készítettünk” – mondta Bercovici.„Az évek során rengeteg dolgot csináltunk a laboratóriumban, amelyek közül néhány nagyon bonyolult, de kétségtelen, hogy ez a legegyszerűbb és legkönnyebb dolog, amit csináltunk.Talán a legfontosabb.”
Frumkin ugyanazon a napon készítette első felvételét, amikor a megoldásra gondolt.„Küldött nekem egy fényképet a WhatsApp-on” – emlékezett vissza Berkovic."Utólag visszagondolva ez egy nagyon kicsi és csúnya objektív volt, de nagyon boldogok voltunk."Frumkin folytatta ennek az új találmánynak a tanulmányozását.„Az egyenlet azt mutatja, hogy a gravitáció eltávolítása után nem számít, hogy a keret egy centiméteres vagy egy kilométeres;az anyag mennyiségétől függően mindig ugyanazt a formát kapja.”
A két kutató folytatta a kísérletezést a második generációs titkos összetevővel, a felmosóvödörrel, és ebből készítettek egy 20 cm átmérőjű, teleszkópokhoz alkalmas lencsét.A lencse költsége exponenciálisan nő az átmérővel, de ennél az új módszernél mérettől függetlenül csak olcsó polimerre, vízre, sóra (vagy glicerinre) és egy gyűrűs formára van szükség.
Az összetevők listája hatalmas elmozdulást jelez a hagyományos lencsegyártási módszerekben, amelyek 300 éve szinte változatlanok maradtak.A hagyományos eljárás kezdeti szakaszában egy üveg vagy műanyag lemezt mechanikusan köszörülnek.Például a szemüveglencsék gyártása során az anyag körülbelül 80%-a pazarlásba kerül.A Bercovici és Frumkin által tervezett módszerrel a szilárd anyagok csiszolása helyett folyadékot fecskendeznek a keretbe, így teljesen hulladékmentes eljárással készülhet el a lencse.Ez a módszer szintén nem igényel polírozást, mert a folyadék felületi feszültsége rendkívül sima felületet biztosíthat.
Haaretz ellátogatott a Technion laboratóriumába, ahol Mor Elgarisi doktorandusz bemutatta a folyamatot.Polimert fecskendezett be egy gyűrűbe egy kis folyadékkamrában, UV lámpával besugározta, és két perc múlva átadott nekem egy pár sebészeti kesztyűt.Nagyon óvatosan belemártottam a kezem a vízbe, és kihúztam a lencsét.– Ez az, a feldolgozásnak vége – kiáltotta Berkovic.
A lencsék teljesen sima tapintásúak.Ez nem csupán szubjektív érzés: Bercovici szerint a polimer módszerrel készült lencse felületi érdessége polírozás nélkül is kevesebb, mint egy nanométer (a méter egymilliárd része).„A természeti erők önmagukban is rendkívüli tulajdonságokat hoznak létre, és szabadok” – mondta.Ezzel szemben az optikai üveget 100 nanométerre, míg a NASA zászlóshajójának, a James Webb Űrteleszkópnak a tükreit 20 nanométeresre csiszolják.
De nem mindenki hiszi el, hogy ez az elegáns módszer több milliárd ember megmentője lesz szerte a világon.Ady Arie professzor, a Tel-Avivi Egyetem Villamosmérnöki Karának munkatársa rámutatott, hogy Bercovici és Frumkin módszeréhez egy kör alakú formára van szükség, amelybe folyékony polimert fecskendeznek, magára a polimerre és egy ultraibolya lámpára.
„Ezek nem kaphatók az indiai falvakban” – mutatott rá.Egy másik probléma, amelyet az SPO Precision Optics alapítója és a K+F részleg alelnöke, Niv Adut, valamint a vállalat vezető tudósa, Dr. Doron Sturlesi (mindketten ismeri Bercovici munkáját) felvetette, hogy a csiszolási folyamat műanyag öntvényekkel való helyettesítése megnehezíti a lencse adaptálását a igények.Az emberei.
Berkovic nem esett pánikba."A kritika a tudomány alapvető része, és az elmúlt évben tapasztalt gyors fejlődésünk nagyrészt annak köszönhető, hogy a szakértők a sarokba szorítottak minket" - mondta.A távoli területeken történő gyártás megvalósíthatóságával kapcsolatban hozzátette: „A hagyományos módszerekkel történő szemüveggyártáshoz óriási az infrastruktúra;Önnek gyárakra, gépekre és technikusokra van szüksége, nekünk pedig csak a minimális infrastruktúrára van szükségünk.”
Bercovici két ultraibolya sugárzást sugárzó lámpát mutatott nekünk a laboratóriumában: „Ez az Amazontól származik, és 4 dollárba, a másik az AliExpress-től származik, és 1,70 dollárba kerül.Ha nincs ilyen, mindig használhatod a Sunshine-t” – magyarázta.Mi a helyzet a polimerekkel?„Egy 250 ml-es palack 16 dollárért kel el az Amazonon.Egy átlagos lencse 5-10 ml-t igényel, így a polimer költsége sem valós tényező.”
Hangsúlyozta, hogy módszere nem követeli meg az egyes lencseszámokhoz egyedi öntőformák használatát, ahogy a kritikusok állítják.Minden lencseszámhoz egy egyszerű forma megfelelő – magyarázta: „A különbség a befecskendezett polimer mennyiségében van, és ahhoz, hogy a szemüveghez hengert készítsünk, csak egy kicsit meg kell nyújtani a formát.”
Bercovici elmondta, hogy a folyamat egyetlen költséges része a polimerinjektálás automatizálása, amelyet pontosan a szükséges lencsék számának megfelelően kell elvégezni.
„Az az álmunk, hogy a legkevesebb erőforrással tudjunk hatást gyakorolni az országban” – mondta Bercovici.Bár olcsó poharakat lehet vinni a szegény falvakba – bár ez még nem készült el –, terve sokkal nagyobb.„Ahogyan az a híres közmondás, én nem halat akarok nekik adni, hanem horgászni akarom őket megtanítani.Ily módon az emberek maguk készíthetik el a szemüvegüket” – mondta.„Sikerülni fog?Csak az idő adja meg a választ.”
Bercovici és Frumkin leírta ezt a folyamatot egy körülbelül hat hónappal ezelőtti cikkben a Flow, a Cambridge-i Egyetem által kiadott folyadékmechanikai alkalmazások folyóiratának első kiadásában.A csapat azonban nem kíván az egyszerű optikai lencséknél maradni.Egy másik, az Optica magazinban néhány héttel ezelőtt megjelent cikk egy új módszert írt le összetett optikai alkatrészek gyártására a szabad formájú optika területén.Ezek az optikai komponensek sem nem domborúak, sem nem homorúak, hanem egy topográfiai felületbe vannak öntve, és a kívánt hatás elérése érdekében különböző területek felületére sugározzák be a fényt.Ezek az alkatrészek megtalálhatók multifokális szemüvegekben, pilóta sisakokban, fejlett projektorrendszerekben, virtuális és kiterjesztett valóság rendszerekben és más helyeken.
A szabad formájú alkatrészek fenntartható módszerekkel történő gyártása bonyolult és költséges, mert nehéz a felületüket csiszolni és polírozni.Ezért ezek az alkatrészek jelenleg korlátozottan használhatók.„Voltak tudományos publikációk az ilyen felületek lehetséges felhasználási lehetőségeiről, de ez még nem tükröződött a gyakorlati alkalmazásokban” – magyarázta Bercovici.Ebben az új cikkben az Elgarisi által vezetett laboratóriumi csapat megmutatta, hogyan lehet szabályozni a polimer folyadék befecskendezésekor keletkező felületi formát a keret formájának szabályozásával.A keret 3D nyomtatóval készíthető.„Már nem csinálunk dolgokat felmosóvödörrel, de ez még mindig nagyon egyszerű” – mondta Bercovici.
Omer Luria, a laboratórium kutatómérnöke rámutatott, hogy ezzel az új technológiával gyorsan lehet különlegesen sima lencséket készíteni egyedi terepen."Reméljük, hogy jelentősen csökkentheti az összetett optikai alkatrészek költségeit és gyártási idejét" - mondta.
Arie professzor az Optica egyik szerkesztője, de nem vett részt a cikk áttekintésében.„Ez egy nagyon jó munka” – mondta Ali a kutatásról."Az aszférikus optikai felületek előállításához a jelenlegi módszerek öntőformákat vagy 3D nyomtatást használnak, de mindkét módszerrel nehéz kellően sima és nagy felületeket létrehozni ésszerű időn belül."Arie úgy véli, hogy az új módszer elősegíti a formális komponensek prototípusának szabadságát.„Nagyszámú alkatrész ipari gyártásához a legjobb a formák elkészítése, de az új ötletek gyors teszteléséhez ez egy érdekes és elegáns módszer” – mondta.
Az SPO Izrael egyik vezető vállalata a szabad formájú felületek területén.Adut és Sturlesi szerint az új módszernek vannak előnyei és hátrányai is.Azt mondják, hogy a műanyagok használata korlátozza a lehetőségeket, mert szélsőséges hőmérsékleten nem tartósak, és korlátozott a képességük, hogy megfelelő minőséget érjenek el a teljes színtartományban.Ami az előnyöket illeti, felhívták a figyelmet arra, hogy a technológia jelentősen csökkentheti az összes mobiltelefonban használt összetett műanyag lencsék gyártási költségeit.
Adut és Sturlesi hozzátette, hogy a hagyományos gyártási módszerekkel a műanyag lencsék átmérője korlátozott, mert minél nagyobbak, annál kevésbé pontosak.Azt mondták, hogy Bercovici módszere szerint a lencsék folyadékban történő gyártása megakadályozhatja a torzítást, ami nagyon erős optikai komponenseket hozhat létre – legyen szó gömblencsékről vagy szabad formájú lencsékről.
A Technion csapatának legváratlanabb projektje az volt, hogy egy nagyméretű lencse gyártását választotta.Itt az egész egy véletlen beszélgetéssel és egy naiv kérdéssel kezdődött.„Minden az emberekről szól” – mondta Berkovic.Amikor megkérdezte Berkovicot, Dr. Edward Barabannak, a NASA kutatójának azt mondta, hogy ismeri a Stanford Egyetemen végzett projektjét, és ismerte őt a Stanford Egyetemen: „Azt hiszi, csinálna egy ilyen lencsét egy űrtávcsőhöz ?”
„Őrült ötletnek tűnt – emlékezett vissza Berkovic –, de mélyen az elmémbe vésődött.Miután a laboratóriumi teszt sikeresen befejeződött, izraeli kutatók rájöttek, hogy a módszer alkalmazható a világűrben is.Végül is ott lehet mikrogravitációs körülményeket elérni anélkül, hogy úszó folyadékokra lenne szükség."Felhívtam Edwardot, és azt mondtam neki, hogy működik!"
Az űrteleszkópoknak nagy előnyük van a földi teleszkópokkal szemben, mivel nem befolyásolja őket a légkör vagy a fényszennyezés.Az űrteleszkópok fejlesztésének legnagyobb problémája, hogy méretüket a kilövő mérete korlátozza.A Földön a teleszkópok átmérője jelenleg eléri a 40 métert.A Hubble Űrteleszkóp 2,4 méter átmérőjű, míg a James Webb Teleszkóp 6,5 méter átmérőjű tükörrel rendelkezik – a tudósoknak 25 év kellett ahhoz, hogy elérjék ezt az eredményt, ami 9 milliárd dollárba került, részben azért, mert egy rendszert kell kifejlesztett, amely összecsukott helyzetben képes elindítani a teleszkópot, majd automatikusan kinyitni az űrben.
Másrészt a Liquid már „hajtogatott” állapotban van.Például megtöltheti a távadót folyékony fémmel, hozzáadhat egy befecskendező mechanizmust és tágulási gyűrűt, majd tükröt készíthet a térben.„Ez egy illúzió” – ismerte el Berkovic.„Anyám megkérdezte tőlem: „Mikor leszel kész?Azt mondtam neki: „Talán körülbelül 20 év múlva.Azt mondta, nincs ideje várni.
Ha ez az álom valóra válik, az megváltoztathatja az űrkutatás jövőjét.Ma Berkovic rámutatott, hogy az emberek nem képesek közvetlenül megfigyelni a Naprendszeren kívüli exobolygókat, mert ehhez a meglévő teleszkópoknál 10-szer nagyobb földi teleszkópra van szükség – ami a meglévő technológiával teljesen lehetetlen.
Másrészt Bercovici hozzátette, hogy a Falcon Heavy, a SpaceX jelenleg legnagyobb űrkilövője 20 köbméter folyadékot képes szállítani.Kifejtette, hogy elméletileg a Falcon Heavy segítségével egy folyadékot egy pályapontra lehetne juttatni, ahol a folyadékból 75 méter átmérőjű tükröt lehetne készíteni – a felület és az összegyűjtött fény százszor nagyobb lenne, mint az utóbbié. .James Webb teleszkóp.
Ez egy álom, és hosszú időbe telhet, amíg megvalósul.De a NASA komolyan veszi.A NASA Ames Kutatóközpontjának Balaban vezette mérnökeiből és tudósaiból álló csapattal együtt most először próbálják ki a technológiát.
December végén a Bercovici laboratóriumi csapata által kifejlesztett rendszert a Nemzetközi Űrállomásra küldik, ahol kísérletsorozatot hajtanak végre annak érdekében, hogy az űrhajósok lencséket gyárthassanak és gyógyíthassanak az űrben.Ezt megelőzően ezen a hétvégén kísérleteket folytatnak Floridában, hogy teszteljék a kiváló minőségű lencsék mikrogravitációval történő előállítását anélkül, hogy bármilyen felhajtó folyadékra lenne szükség.
A Fluid Telescope Experiment (FLUTE) kísérletet csökkentett gravitációs repülőgépen hajtották végre – ennek a repülőgépnek az összes ülését eltávolították az űrhajósok kiképzése és a nulla gravitációs jelenetek filmek felvétele céljából.Antiparabola formájában történő manőverezéssel felszálló, majd szabadon eső mikrogravitációs viszonyok jönnek létre a repülőgépben rövid időre.– Jó okkal hívják „hányóüstökösnek” – mondta Berkovic mosolyogva.A szabadesés körülbelül 20 másodpercig tart, amelyben a repülőgép gravitációja nullához közelít.Ezalatt a kutatók megpróbálnak folyékony lencsét készíteni és mérésekkel bizonyítani, hogy a lencse minősége kellően jó, majd a sík egyenes lesz, a gravitáció teljesen helyreáll, és a lencse tócsává válik.
A kísérletet csütörtökön és pénteken két járatra tervezik, mindegyik 30 parabolával.Bercovici és a laboratóriumi csapat legtöbb tagja, köztük Elgarisi és Luria, valamint Frumkin a Massachusetts Institute of Technology munkatársától jelen lesz.
A Technion laboratóriumban tett látogatásom során óriási volt az izgalom.A padlón 60 kartondoboz található, amelyekben 60 saját készítésű kis készlet található a kísérletekhez.Luria az utolsó pillanatban fejleszti az általa az objektív teljesítményének mérésére kifejlesztett számítógépes kísérleti rendszert.
Ugyanakkor a csapat időzítési gyakorlatokat végez a kritikus pillanatok előtt.Az egyik csapat stopperrel állt, a többieknek 20 másodpercük volt a lövésre.Magán a repülőgépen még rosszabbak lesznek a körülmények, különösen több szabadesés és fokozott gravitáció melletti felfelé emelkedés után.
Nem csak a Technion csapata izgatott.Baraban, a NASA fuvolakísérletének vezető kutatója a Haaretznek elmondta: „A folyadékformáló módszer erőteljes űrteleszkópokat eredményezhet, tíz- vagy akár több száz méteres nyílásokkal.Például az ilyen teleszkópok közvetlenül megfigyelhetik más csillagok környezetét.Bolygó, megkönnyíti a légkör nagy felbontású elemzését, és akár nagyméretű felszíni jellemzőket is azonosíthat.Ez a módszer más űralkalmazásokhoz is vezethet, mint például kiváló minőségű optikai alkatrészek energiagyűjtéshez és -átvitelhez, tudományos műszerek és orvosi berendezések. Az űrgyártás fontos szerepet játszik a feltörekvő űrgazdaságban.”
Nem sokkal azelőtt, hogy felszállt a gépre, és belevágott élete kalandjába, Berkovic meglepetten megállt egy pillanatra.„Folyton azt kérdezem magamtól, miért nem gondolt erre korábban senki” – mondta.„Minden alkalommal, amikor elmegyek egy konferenciára, attól tartok, hogy valaki feláll és azt mondja, hogy néhány orosz kutató ezt 60 évvel ezelőtt tette.Végül is ez egy ilyen egyszerű módszer.”
Feladás időpontja: 2021. december 21