Prof. Moran Bercovici og Dr. Valeri Frumkin har utviklet billig teknologi for produksjon av optiske linser, og det er mulig å produsere briller for mange utviklingsland der briller ikke er tilgjengelig.Nå sier NASA at den kan brukes til å lage romteleskoper
Vitenskapen går vanligvis videre med små skritt.En liten del av informasjonen legges til hvert nytt eksperiment.Det er sjelden at en enkel idé som dukker opp i hjernen til en vitenskapsmann fører til et stort gjennombrudd uten å bruke noen teknologi.Men dette er hva som skjedde med to israelske ingeniører som utviklet en ny metode for å produsere optiske linser.
Systemet er enkelt, billig og nøyaktig, og kan ha stor innvirkning på opptil en tredjedel av verdens befolkning.Det kan også endre romforskningens ansikt.For å designe den trenger forskerne bare en hvit tavle, en tusj, et viskelær og litt flaks.
Professor Moran Bercovici og Dr. Valeri Frumkin fra Mechanical Engineering Department ved Technion-Israel Institute of Technology i Haifa spesialiserer seg på fluidmekanikk, ikke optikk.Men for halvannet år siden, på World Laureate Forum i Shanghai, satt Berkovic tilfeldigvis sammen med David Ziberman, en israelsk økonom.
Zilberman er en Wolf Prize-vinner, og nå ved University of California, Berkeley, snakket han om forskningen sin i utviklingsland.Bercovici beskrev sitt væskeeksperiment.Da stilte Ziberman et enkelt spørsmål: "Kan du bruke dette til å lage briller?"
"Når du tenker på utviklingsland, tenker du vanligvis på malaria, krig, sult," sa Berkovic."Men Ziberman sa noe jeg ikke vet i det hele tatt - 2,5 milliarder mennesker i verden trenger briller, men kan ikke få dem.Dette er et utrolig tall."
Bercovici kom hjem og fant ut at en rapport fra World Economic Forum bekreftet dette tallet.Selv om det bare koster noen få dollar å lage et enkelt par briller, produseres eller selges billige briller i de fleste deler av verden.
Påvirkningen er enorm, alt fra barn som ikke kan se tavlen på skolen til voksne hvis syn blir så dårligere at de mister jobben.I tillegg til å skade folks livskvalitet, anslås kostnadene for den globale økonomien å være så høye som 3 billioner dollar per år.
Etter samtalen klarte ikke Berkovic å sove om natten.Da han ankom Technion, diskuterte han dette problemet med Frumkin, som var postdoktor i laboratoriet hans på den tiden.
"Vi tegnet et skudd på tavlen og så på det," husket han."Vi vet instinktivt at vi ikke kan lage denne formen med vår væskekontrollteknologi, og vi ønsker å finne ut hvorfor."
Den sfæriske formen er grunnlaget for optikk fordi linsen er laget av dem.I teorien visste Bercovici og Frumkin at de kunne lage en rund kuppel av en polymer (en væske som hadde stivnet) for å lage en linse.Men væsker kan bare forbli sfæriske i små volumer.Når de er større, vil tyngdekraften knuse dem til sølepytter.
"Så det vi må gjøre er å bli kvitt tyngdekraften," forklarte Bercovici.Og dette er akkurat hva han og Frumkin gjorde.Etter å ha studert tavlen deres, kom Frumkin opp med en veldig enkel idé, men det er ikke klart hvorfor ingen hadde tenkt på det før - hvis linsen plasseres i et væskekammer, kan effekten av tyngdekraften elimineres.Alt du trenger å gjøre er å sørge for at væsken i kammeret (kalt flytende væske) har samme tetthet som polymeren som linsen er laget av, og da vil polymeren flyte.
En annen viktig ting er å bruke to ikke-blandbare væsker, noe som betyr at de ikke vil blande seg med hverandre, som olje og vann."De fleste polymerer er mer som oljer, så vår 'singular' flytende væske er vann," sa Bercovici.
Men fordi vann har lavere tetthet enn polymerer, må tettheten økes litt for at polymeren skal flyte.For dette formål brukte forskerne også mindre eksotiske materialer - salt, sukker eller glyserin.Bercovici sa at den siste komponenten i prosessen er en stiv ramme som polymer injiseres i slik at formen kan kontrolleres.
Når polymeren når sin endelige form, herdes den ved hjelp av ultrafiolett stråling og blir en solid linse.For å lage rammen brukte forskerne et enkelt kloakkrør, kuttet i en ring, eller en petriskål kuttet fra bunnen."Alle barn kan lage dem hjemme, og døtrene mine og jeg laget noen hjemme," sa Bercovici.– Gjennom årene har vi gjort mange ting i laboratoriet, noen av dem er veldig kompliserte, men det er ingen tvil om at dette er det enkleste og letteste vi har gjort.Kanskje det viktigste.»
Frumkin laget sitt første skudd samme dag som han tenkte på løsningen."Han sendte meg et bilde på WhatsApp," husket Berkovic."I ettertid var dette et veldig lite og stygt objektiv, men vi var veldig glade."Frumkin fortsatte å studere denne nye oppfinnelsen.«Ligningen viser at når du først fjerner tyngdekraften, spiller det ingen rolle om rammen er én centimeter eller én kilometer;avhengig av mengden materiale, vil du alltid få samme form."
De to forskerne fortsatte å eksperimentere med andregenerasjons hemmelige ingrediens, moppebøtta, og brukte den til å lage en linse med en diameter på 20 cm som er egnet for teleskoper.Prisen på linsen øker eksponentielt med diameteren, men med denne nye metoden, uavhengig av størrelse, er alt du trenger billig polymer, vann, salt (eller glyserin) og en ringform.
Ingredienslisten markerer et stort skifte i tradisjonelle linsefremstillingsmetoder som har holdt seg nesten uendret i 300 år.I den innledende fasen av den tradisjonelle prosessen males en glass- eller plastplate mekanisk.For eksempel, ved produksjon av brilleglass, går omtrent 80 % av materialet bort.Ved å bruke metoden designet av Bercovici og Frumkin, i stedet for å male faste materialer, sprøytes væske inn i rammen, slik at linsen kan produseres i en helt avfallsfri prosess.Denne metoden krever heller ikke polering, fordi væskens overflatespenning kan sikre en ekstremt jevn overflate.
Haaretz besøkte Technions laboratorium, hvor doktorgradsstudent Mor Elgarisi demonstrerte prosessen.Han injiserte polymer i en ring i et lite væskekammer, bestrålte den med en UV-lampe og ga meg et par operasjonshansker to minutter senere.Jeg dyppet hånden veldig forsiktig i vannet og trakk ut linsen."Det er det, behandlingen er over," ropte Berkovic.
Linsene er helt glatte å ta på.Dette er ikke bare en subjektiv følelse: Bercovici sier at selv uten polering er overflateruheten til en linse laget ved hjelp av en polymermetode mindre enn én nanometer (en milliarddels meter)."Naturkreftene skaper ekstraordinære kvaliteter på egen hånd, og de er frie," sa han.Derimot er optisk glass polert til 100 nanometer, mens speilene til NASAs flaggskip James Webb Space Telescope er polert til 20 nanometer.
Men ikke alle tror at denne elegante metoden vil være redningen for milliarder av mennesker rundt om i verden.Professor Ady Arie fra Tel Aviv University's School of Electrical Engineering påpekte at Bercovici og Frumkins metode krever en sirkulær form som flytende polymer sprøytes inn i, selve polymeren og en ultrafiolett lampe.
"Disse er ikke tilgjengelige i indiske landsbyer," påpekte han.En annen sak som ble reist av SPO Precision Optics grunnlegger og visepresident for R&D Niv Adut og selskapets sjefforsker Dr. Doron Sturlesi (begge kjent med Bercovicis arbeid) er at å erstatte slipeprosessen med plaststøpegods vil gjøre det vanskelig å tilpasse linsen til behov.Dens folk.
Berkovic fikk ikke panikk."Kritikk er en grunnleggende del av vitenskapen, og vår raske utvikling det siste året skyldes i stor grad at eksperter har presset oss til hjørnet," sa han.Når det gjelder gjennomførbarheten av produksjon i avsidesliggende områder, la han til: "Infrastrukturen som kreves for å produsere glass med tradisjonelle metoder er enorm;du trenger fabrikker, maskiner og teknikere, og vi trenger bare minimum infrastruktur.»
Bercovici viste oss to ultrafiolett strålingslamper i laboratoriet sitt: «Denne er fra Amazon og koster $4, og den andre er fra AliExpress og koster $1,70.Hvis du ikke har dem, kan du alltid bruke Sunshine,” forklarte han.Hva med polymerer?"En 250 ml flaske selges for $16 på Amazon.Den gjennomsnittlige linsen krever 5 til 10 ml, så prisen på polymeren er heller ikke en reell faktor."
Han understreket at metoden hans ikke krever bruk av unike former for hvert linsenummer, slik kritikere hevder.En enkel form er egnet for hvert linsenummer, forklarte han: "Forskjellen er mengden polymer som injiseres, og for å lage en sylinder for glassene, er alt som kreves å strekke formen litt."
Bercovici sa at den eneste dyre delen av prosessen er automatisering av polymerinjeksjon, som må gjøres nøyaktig i henhold til antall linser som kreves.
"Vår drøm er å ha en innvirkning i landet med færrest ressurser," sa Bercovici.Selv om billige glass kan bringes til fattige landsbyer - selv om dette ikke er fullført - er planen hans mye større.«Akkurat som det berømte ordtaket, jeg vil ikke gi dem fisk, jeg vil lære dem å fiske.På denne måten vil folk kunne lage sine egne briller, sa han.«Vil det lykkes?Bare tiden vil gi svaret.»
Bercovici og Frumkin beskrev denne prosessen i en artikkel for omtrent seks måneder siden i den første utgaven av Flow, et tidsskrift for applikasjoner for fluidmekanikk utgitt av University of Cambridge.Men teamet har ikke tenkt å holde seg på enkle optiske linser.En annen artikkel publisert i magasinet Optica for noen uker siden beskrev en ny metode for å produsere komplekse optiske komponenter innen friformsoptikk.Disse optiske komponentene er verken konvekse eller konkave, men er støpt til en topografisk overflate, og lys bestråles til overflaten av forskjellige områder for å oppnå ønsket effekt.Disse komponentene finnes i multifokale briller, pilothjelmer, avanserte projektorsystemer, virtuelle og utvidede virkelighetssystemer og andre steder.
Å produsere friformskomponenter ved bruk av bærekraftige metoder er komplisert og kostbart fordi det er vanskelig å slipe og polere overflaten.Derfor har disse komponentene for tiden begrenset bruk."Det har vært akademiske publikasjoner om mulig bruk av slike overflater, men dette har ennå ikke blitt reflektert i praktiske anvendelser," forklarte Bercovici.I denne nye artikkelen viste laboratorieteamet ledet av Elgarisi hvordan man kan kontrollere overflateformen som skapes når polymervæske injiseres ved å kontrollere formen på rammen.Rammen kan lages ved hjelp av en 3D-printer."Vi gjør ikke ting med en moppbøtte lenger, men det er fortsatt veldig enkelt," sa Bercovici.
Omer Luria, en forskningsingeniør ved laboratoriet, påpekte at denne nye teknologien raskt kan produsere spesielt glatte linser med unikt terreng."Vi håper det kan redusere kostnadene og produksjonstiden for komplekse optiske komponenter betydelig," sa han.
Professor Arie er en av Opticas redaktører, men deltok ikke i gjennomgangen av artikkelen."Dette er en veldig god jobb," sa Ali om forskningen."For å produsere asfæriske optiske overflater bruker dagens metoder former eller 3D-utskrift, men begge metodene er vanskelige å lage tilstrekkelig glatte og store overflater innenfor en rimelig tidsramme."Arie tror at den nye metoden vil bidra til å skape frihet Prototype av formelle komponenter."For industriell produksjon av et stort antall deler er det best å forberede former, men for raskt å teste nye ideer er dette en interessant og elegant metode," sa han.
SPO er et av Israels ledende selskaper innen friformede overflater.Ifølge Adut og Sturlesi har den nye metoden fordeler og ulemper.De sier at bruken av plast begrenser mulighetene fordi de ikke er holdbare ved ekstreme temperaturer og deres evne til å oppnå tilstrekkelig kvalitet over hele fargespekteret er begrenset.Når det gjelder fordelene, påpekte de at teknologien har potensial til å redusere produksjonskostnadene for komplekse plastlinser, som brukes i alle mobiltelefoner, betydelig.
Adut og Sturlesi la til at med tradisjonelle produksjonsmetoder er diameteren på plastlinser begrenset fordi jo større de er, jo mindre presise blir de.De sa at, i henhold til Bercovicis metode, kan produksjon av linser i væske forhindre forvrengning, noe som kan skape svært kraftige optiske komponenter - enten det er innen sfæriske linser eller friformslinser.
Det mest uventede prosjektet til Technion-teamet var å velge å produsere et stort objektiv.Her startet det hele med en tilfeldig samtale og et naivt spørsmål."Det handler om mennesker," sa Berkovic.Da han spurte Berkovic, fortalte han Dr. Edward Baraban, en NASA-forsker, at han kjente prosjektet sitt ved Stanford University, og han kjente ham ved Stanford University: «Du tror du kan Lage en slik linse for et romteleskop ?”
"Det hørtes ut som en gal idé," husket Berkovic, "men det var dypt innprentet i hodet mitt."Etter at laboratorietesten var vellykket gjennomført, innså israelske forskere at metoden kunne brukes i Den fungerer på samme måte i verdensrommet.Tross alt kan du oppnå mikrogravitasjonsforhold der uten behov for flytende væsker."Jeg ringte Edward og fortalte ham at det fungerer!"
Romteleskoper har store fordeler fremfor bakkebaserte teleskoper fordi de ikke påvirkes av atmosfærisk eller lysforurensning.Det største problemet med utviklingen av romteleskoper er at størrelsen deres er begrenset av størrelsen på bæreraketten.På jorden har teleskoper i dag en diameter på opptil 40 meter.Hubble-romteleskopet har et speil på 2,4 meter i diameter, mens James Webb-teleskopet har et speil på 6,5 meter i diameter - det tok forskerne 25 år å oppnå denne prestasjonen, og kostet 9 milliarder amerikanske dollar, delvis fordi et system må være utviklet som kan skyte opp teleskopet i sammenfoldet posisjon og deretter automatisk åpne det i verdensrommet.
På den annen side er Liquid allerede i en "foldet" tilstand.For eksempel kan du fylle senderen med flytende metall, legge til en injeksjonsmekanisme og ekspansjonsring, og deretter lage et speil i rommet."Dette er en illusjon," innrømmet Berkovic."Moren min spurte meg,"Når vil du være klar?Jeg sa til henne: «Kanskje om 20 år.Hun sa at hun ikke hadde tid til å vente.»
Hvis denne drømmen går i oppfyllelse, kan det endre fremtiden for romforskning.I dag påpekte Berkovic at mennesker ikke har evnen til å direkte observere eksoplaneter-planeter utenfor solsystemet, fordi å gjøre det krever et jordteleskop 10 ganger større enn eksisterende teleskoper - noe som er helt umulig med eksisterende teknologi.
På den annen side la Bercovici til at Falcon Heavy, for tiden den største romfartøyet SpaceX, kan frakte 20 kubikkmeter væske.Han forklarte at i teorien kunne Falcon Heavy brukes til å skyte ut en væske til et orbitalpunkt, der væsken kunne brukes til å lage et speil på 75 meter i diameter - overflatearealet og det oppsamlede lyset ville være 100 ganger større enn sistnevnte. .James Webb-teleskop.
Dette er en drøm, og det vil ta lang tid å realisere den.Men NASA tar det på alvor.Sammen med et team av ingeniører og forskere fra NASAs Ames Research Center, ledet av Balaban, prøves teknologien ut for første gang.
I slutten av desember vil et system utviklet av Bercovici laboratorieteam bli sendt til den internasjonale romstasjonen, hvor en rekke eksperimenter vil bli utført for å gjøre det mulig for astronauter å produsere og kurere linser i verdensrommet.Før det vil det bli utført eksperimenter i Florida denne helgen for å teste muligheten for å produsere linser av høy kvalitet under mikrogravitasjon uten behov for flytende væske.
Fluid Telescope Experiment (FLUTE) ble utført på et fly med redusert tyngdekraft - alle setene i dette flyet ble fjernet for å trene astronauter og ta scener med null tyngdekraft i filmer.Ved å manøvrere i form av en antiparabel skapes det oppover og deretter fritt fallende mikrogravitasjonsforhold i flyet i en kort periode."Det kalles en 'oppkast-komet' med god grunn," sa Berkovic med et smil.Det frie fallet varer i omtrent 20 sekunder, hvor tyngdekraften til flyet er nær null.I løpet av denne perioden vil forskerne prøve å lage en flytende linse og gjøre målinger for å bevise at kvaliteten på linsen er god nok, så blir flyet rett, tyngdekraften gjenopprettes fullt ut, og linsen blir en sølepytt.
Eksperimentet er planlagt for to flyvninger torsdag og fredag, hver med 30 parabler.Bercovici og de fleste medlemmene av laboratorieteamet, inkludert Elgarisi og Luria, og Frumkin fra Massachusetts Institute of Technology vil være til stede.
Under mitt besøk på Technion-laboratoriet var spenningen overveldende.Det er 60 pappesker på gulvet, som inneholder 60 selvlagde små sett for eksperimenter.Luria gjør siste og siste forbedringer av det datastyrte eksperimentelle systemet han utviklet for å måle linsens ytelse.
Samtidig gjennomfører teamet timingøvelser før kritiske øyeblikk.Det ene laget sto der med stoppeklokke, og de andre hadde 20 sekunder på seg til å skyte.På selve flyet vil forholdene bli enda dårligere, spesielt etter flere fritt fall og løft oppover under økt tyngdekraft.
Det er ikke bare Technion-teamet som er begeistret.Baraban, lederen av NASAs fløyteeksperiment, sa til Haaretz: "Væskeformingsmetoden kan resultere i kraftige romteleskoper med åpninger på titalls eller til og med hundrevis av meter.For eksempel kan slike teleskoper direkte observere omgivelsene til andre stjerner.Planet, forenkler høyoppløselig analyse av atmosfæren, og kan til og med identifisere store overflateegenskaper.Denne metoden kan også føre til andre romapplikasjoner, for eksempel optiske komponenter av høy kvalitet for energihøsting og overføring, vitenskapelige instrumenter og medisinsk utstyr Romproduksjon – og dermed spille en viktig rolle i den fremvoksende romøkonomien.»
Kort tid før han gikk om bord på flyet og tok fatt på sitt livs eventyr, stanset Berkovic et øyeblikk i overraskelse."Jeg spør meg selv hvorfor ingen har tenkt på dette før," sa han.«Hver gang jeg går på en konferanse, er jeg redd for at noen skal stå frem og si at noen russiske forskere gjorde dette for 60 år siden.Tross alt er det en så enkel metode."
Innleggstid: 21. desember 2021