Prof. Moran Bercovici a Dr. Valeri Frumkin vyvinuli lacnú technológiu výroby optických šošoviek a je možné vyrábať okuliare pre mnohé rozvojové krajiny, kde okuliare nie sú dostupné.Teraz NASA hovorí, že sa dá použiť na výrobu vesmírnych teleskopov
Veda zvyčajne napreduje malými krokmi.Ku každému novému experimentu sa pridá malá informácia.Je zriedkavé, že jednoduchá myšlienka, ktorá sa objaví v mozgu vedca, vedie k veľkému prelomu bez použitia akejkoľvek technológie.Ale to sa stalo dvom izraelským inžinierom, ktorí vyvinuli nový spôsob výroby optických šošoviek.
Systém je jednoduchý, lacný a presný a mohol by mať obrovský vplyv až na jednu tretinu svetovej populácie.Môže to zmeniť aj tvár vesmírneho výskumu.Na jeho navrhnutie potrebujú výskumníci iba bielu tabuľu, fixku, gumu a trochu šťastia.
Profesor Moran Bercovici a Dr. Valeri Frumkin z oddelenia strojárstva Technion-Israel Institute of Technology v Haife sa špecializujú na mechaniku tekutín, nie na optiku.Ale pred rokom a pol, na Svetovom fóre laureátov v Šanghaji, Berkovič náhodou sedel s Davidom Zibermanom, izraelským ekonómom.
Zilberman je víťazom Wolfovej ceny a teraz na Kalifornskej univerzite v Berkeley hovoril o svojom výskume v rozvojových krajinách.Bercovici opísal svoj experiment s tekutinou.Potom Ziberman položil jednoduchú otázku: „Môžete to použiť na výrobu okuliarov?
"Keď premýšľate o rozvojových krajinách, zvyčajne myslíte na maláriu, vojnu, hlad," povedal Berkovič."Ale Ziberman povedal niečo, čo vôbec neviem - 2,5 miliardy ľudí na svete potrebuje okuliare, ale nemôže ich dostať."Toto je úžasné číslo."
Bercovici sa vrátil domov a zistil, že správa zo Svetového ekonomického fóra toto číslo potvrdila.Hoci výroba jednoduchých okuliarov stojí len pár dolárov, lacné okuliare sa vo väčšine častí sveta nevyrábajú ani nepredávajú.
Vplyv je obrovský, od detí, ktoré nevidia v škole na tabuľu, až po dospelých, ktorých zrak sa natoľko zhorší, že prídu o prácu.Okrem poškodzovania kvality života ľudí sa odhaduje, že náklady globálnej ekonomiky dosahujú až 3 bilióny USD ročne.
Po rozhovore Berkovič nemohol v noci spať.Keď prišiel do Technionu, diskutoval o tejto otázke s Frumkinom, ktorý bol v tom čase postdoktorandským výskumníkom v jeho laboratóriu.
„Nakreslili sme záber na tabuľu a pozreli sme sa na to,“ spomínal."Inštinktívne vieme, že nemôžeme vytvoriť tento tvar pomocou našej technológie riadenia tekutín, a chceme zistiť prečo."
Sférický tvar je základom optiky, pretože je z nich vyrobená šošovka.Bercovici a Frumkin teoreticky vedeli, že dokážu vyrobiť okrúhlu kupolu z polyméru (kvapaliny, ktorá stuhla), aby vytvorili šošovku.Kvapaliny však môžu zostať sférické iba v malých objemoch.Keď sú väčšie, gravitácia ich roztlačí do kaluží.
"Takže to, čo musíme urobiť, je zbaviť sa gravitácie," vysvetlil Bercovici.A to je presne to, čo on a Frumkin urobili.Po preštudovaní ich tabule prišiel Frumkin s veľmi jednoduchým nápadom, ale nie je jasné, prečo to nikoho nenapadlo skôr – ak je šošovka umiestnená v kvapalinovej komore, môže byť eliminovaný účinok gravitácie.Stačí sa uistiť, že kvapalina v komore (nazývaná nadnášacia kvapalina) má rovnakú hustotu ako polymér, z ktorého je šošovka vyrobená, a potom bude polymér plávať.
Ďalšou dôležitou vecou je použitie dvoch nemiešateľných tekutín, čo znamená, že sa nebudú navzájom miešať, ako napríklad olej a voda."Väčšina polymérov je skôr ako oleje, takže našou 'jedinečnou' vznášajúcou sa kvapalinou je voda," povedal Bercovici.
Ale pretože voda má nižšiu hustotu ako polyméry, musí sa jej hustota trochu zvýšiť, aby sa polymér vznášal.Na tento účel vedci použili aj menej exotické materiály – soľ, cukor či glycerín.Bercovici povedal, že konečným komponentom procesu je pevný rám, do ktorého sa vstrekuje polymér, aby sa dala kontrolovať jeho forma.
Keď polymér dosiahne svoju konečnú formu, vytvrdí sa pomocou ultrafialového žiarenia a stane sa pevnou šošovkou.Na výrobu rámu výskumníci použili jednoduchú odpadovú rúrku narezanú na prstenec alebo Petriho misku vyrezanú zospodu.„Každé dieťa si ich môže vyrobiť doma a ja a moje dcéry sme nejaké urobili doma,“ povedal Bercovici.„V priebehu rokov sme v laboratóriu urobili veľa vecí, z ktorých niektoré sú veľmi komplikované, ale niet pochýb o tom, že toto je tá najjednoduchšia a najjednoduchšia vec, akú sme urobili.Možno najdôležitejšia."
Frumkin vytvoril svoju prvú strelu v ten istý deň, keď premýšľal o riešení."Poslal mi fotku na WhatsApp," pripomenul Berkovic."Pri spätnom pohľade to bol veľmi malý a škaredý objektív, ale boli sme veľmi šťastní."Frumkin pokračoval v štúdiu tohto nového vynálezu.„Rovnica ukazuje, že akonáhle odstránite gravitáciu, nezáleží na tom, či má rám jeden centimeter alebo jeden kilometer;v závislosti od množstva materiálu získate vždy rovnaký tvar.“
Dvaja výskumníci pokračovali v experimentoch s tajnou zložkou druhej generácie, vedrom mopu, a použili ho na vytvorenie šošovky s priemerom 20 cm, ktorá je vhodná pre teleskopy.Náklady na šošovku rastú exponenciálne s priemerom, ale pri tejto novej metóde bez ohľadu na veľkosť potrebujete len lacný polymér, vodu, soľ (alebo glycerín) a prstencovú formu.
Zoznam zložiek predstavuje obrovský posun v tradičných metódach výroby šošoviek, ktoré zostali takmer nezmenené už 300 rokov.V počiatočnom štádiu tradičného procesu sa sklenená alebo plastová doska mechanicky brúsi.Napríklad pri výrobe okuliarových šošoviek sa plytvá asi 80 % materiálu.Pomocou metódy, ktorú navrhli Bercovici a Frumkin, sa namiesto mletia pevných materiálov do rámu vstrekuje kvapalina, takže šošovka môže byť vyrobená úplne bez odpadu.Táto metóda tiež nevyžaduje leštenie, pretože povrchové napätie tekutiny dokáže zabezpečiť mimoriadne hladký povrch.
Haaretz navštívil laboratórium Technionu, kde doktorand Mor Elgarisi demonštroval proces.Do krúžku v malej komore s tekutinou vstrekol polymér, ožiaril ho UV lampou a o dve minúty mi podal chirurgické rukavice.Veľmi opatrne som ponoril ruku do vody a vytiahol šošovku."To je všetko, spracovanie sa skončilo," zakričal Berkovič.
Šošovky sú na dotyk úplne hladké.Nie je to len subjektívny pocit: Bercovici hovorí, že aj bez leštenia je drsnosť povrchu šošovky vyrobenej polymérovou metódou menšia ako jeden nanometer (jedna miliardtina metra)."Sily prírody vytvárajú mimoriadne kvality samy o sebe a sú slobodné," povedal.Naproti tomu optické sklo je vyleštené na 100 nanometrov, zatiaľ čo zrkadlá vlajkovej lode NASA James Webb Space Telescope sú vyleštené na 20 nanometrov.
Nie každý ale verí, že táto elegantná metóda bude záchranou miliárd ľudí na celom svete.Profesor Ady Arie z Fakulty elektrotechniky Tel Avivskej univerzity poukázal na to, že Bercoviciho a Frumkinova metóda vyžaduje kruhovú formu, do ktorej sa vstrekuje tekutý polymér, samotný polymér a ultrafialovú lampu.
"Tieto nie sú dostupné v indických dedinách," zdôraznil.Ďalším problémom, ktorý nastolil zakladateľ SPO Precision Optics a viceprezident R&D Niv Adut a hlavný vedec spoločnosti Dr. Doron Sturlesi (obaja oboznámení s prácou Bercoviciho), je, že nahradenie procesu brúsenia plastovými odliatkami sťaží prispôsobenie šošovky potreby.Jeho ľudia.
Berkovič neprepadol panike.„Kritika je základnou súčasťou vedy a náš rýchly rozvoj za posledný rok je do značnej miery spôsobený tým, že nás odborníci tlačia do rohu,“ povedal.V súvislosti s realizovateľnosťou výroby v odľahlých oblastiach dodal: „Infraštruktúra potrebná na výrobu okuliarov pomocou tradičných metód je obrovská;potrebujete továrne, stroje a technikov a my potrebujeme len minimálnu infraštruktúru.“
Bercovici nám vo svojom laboratóriu ukázal dve ultrafialové žiarivky: „Táto je od Amazonu a stojí 4 doláre a druhá je z AliExpress a stojí 1,70 dolára.Ak ich nemáte, vždy môžete použiť Sunshine,“ vysvetlil.A čo polyméry?„250 ml fľaša sa na Amazone predáva za 16 dolárov.Priemerná šošovka vyžaduje 5 až 10 ml, takže ani cena polyméru nie je skutočným faktorom.“
Zdôraznil, že jeho metóda nevyžaduje použitie jedinečných foriem pre každé číslo šošovky, ako tvrdia kritici.Jednoduchá forma je vhodná pre každé číslo šošoviek, vysvetlil: „Rozdiel je v množstve vstrekovaného polyméru a na výrobu valca na okuliare stačí formu trochu natiahnuť.“
Bercovici povedal, že jedinou nákladnou časťou procesu je automatizácia vstrekovania polyméru, ktorá musí byť vykonaná presne podľa počtu požadovaných šošoviek.
„Naším snom je mať vplyv v krajine s čo najmenšími zdrojmi,“ povedal Bercovici.Hoci sa do chudobných dedín dajú priniesť lacné okuliare – hoci to ešte nebolo dokončené – jeho plán je oveľa väčší.„Ako to známe príslovie, nechcem im dať ryby, chcem ich naučiť loviť.Ľudia si tak budú môcť vyrobiť vlastné okuliare,“ povedal.„Podarí sa to?Odpoveď dá len čas."
Bercovici a Frumkin opísali tento proces v článku asi pred šiestimi mesiacmi v prvom vydaní Flow, časopise o aplikáciách mechaniky tekutín publikovanom Univerzitou v Cambridge.Tím ale nemieni zostať len pri jednoduchých optických šošovkách.Ďalší článok publikovaný v časopise Optica pred niekoľkými týždňami opísal novú metódu výroby zložitých optických komponentov v oblasti voľnej optiky.Tieto optické komponenty nie sú ani konvexné, ani konkávne, ale sú vytvarované do topografického povrchu a svetlo sa ožaruje na povrch rôznych oblastí, aby sa dosiahol požadovaný efekt.Tieto komponenty možno nájsť v multifokálnych okuliaroch, pilotných prilbách, pokročilých projektorových systémoch, systémoch virtuálnej a rozšírenej reality a na iných miestach.
Výroba voľne tvarovaných komponentov pomocou udržateľných metód je komplikovaná a nákladná, pretože je ťažké brúsiť a leštiť ich povrch.Preto majú tieto komponenty v súčasnosti obmedzené použitie."Existujú akademické publikácie o možnom použití takýchto povrchov, ale to sa ešte neodrazilo v praktických aplikáciách," vysvetlil Bercovici.V tomto novom dokumente laboratórny tím pod vedením Elgarisiho ukázal, ako ovládať formu povrchu vytvorenú pri vstrekovaní polymérnej kvapaliny riadením tvaru rámu.Rám je možné vytvoriť pomocou 3D tlačiarne."Už nerobíme veci s vedrom mopu, ale stále je to veľmi jednoduché," povedal Bercovici.
Omer Luria, výskumný inžinier v laboratóriu, poukázal na to, že táto nová technológia dokáže rýchlo vyrobiť obzvlášť hladké šošovky s jedinečným terénom."Dúfame, že to môže výrazne znížiť náklady a čas výroby zložitých optických komponentov," povedal.
Profesor Arie je jedným z redaktorov Optica, ale nezúčastnil sa recenzie článku."Toto je veľmi dobrá práca," povedal Ali o výskume."Na výrobu asférických optických povrchov súčasné metódy používajú formy alebo 3D tlač, ale obe metódy je ťažké vytvoriť dostatočne hladké a veľké povrchy v primeranom časovom rámci."Arie verí, že nová metóda pomôže vytvoriť slobodu Prototyp formálnych komponentov.„Pre priemyselnú výrobu veľkého množstva dielov je najlepšie pripraviť formy, ale na rýchle testovanie nových nápadov je to zaujímavá a elegantná metóda,“ povedal.
SPO je jednou z popredných izraelských spoločností v oblasti voľných povrchov.Podľa Aduta a Sturlesiho má nová metóda výhody aj nevýhody.Hovorí sa, že použitie plastov obmedzuje možnosti, pretože nie sú odolné pri extrémnych teplotách a ich schopnosť dosiahnuť dostatočnú kvalitu v celej škále farieb je obmedzená.Čo sa týka výhod, poukázali na to, že technológia má potenciál výrazne znížiť výrobné náklady zložitých plastových šošoviek, ktoré sa používajú vo všetkých mobilných telefónoch.
Adut a Sturlesi dodali, že pri tradičných výrobných metódach je priemer plastových šošoviek obmedzený, pretože čím sú väčšie, tým sú menej presné.Povedali, že podľa Bercoviciho metódy môže výroba šošoviek v kvapaline zabrániť skresleniu, ktoré môže vytvoriť veľmi výkonné optické komponenty - či už v oblasti sférických šošoviek alebo šošoviek voľného tvaru.
Najneočakávanejším projektom tímu Technion bola voľba výroby veľkej šošovky.Tu to všetko začalo náhodným rozhovorom a naivnou otázkou."Všetko je to o ľuďoch," povedal Berkovič.Keď sa spýtal Berkovica, hovoril Dr. Edwardovi Barabanovi, výskumníkovi z NASA, že pozná jeho projekt na Stanfordskej univerzite a poznal ho na Stanfordskej univerzite: „Myslíš, že to dokážeš Robiť takú šošovku pre vesmírny teleskop ?“
"Znelo to ako bláznivý nápad," spomínal Berkovič, "ale hlboko sa mi to vrylo do pamäti."Po úspešnom ukončení laboratórneho testu si izraelskí výskumníci uvedomili, že metóda by sa dala použiť aj vo vesmíre.Koniec koncov, môžete tam dosiahnuť podmienky mikrogravitácie bez potreby nadnášajúcich tekutín."Volal som Edwardovi a povedal som mu, že to funguje!"
Vesmírne teleskopy majú oproti pozemným veľké výhody, pretože na ne nemá vplyv atmosférické ani svetelné znečistenie.Najväčším problémom vývoja vesmírnych teleskopov je, že ich veľkosť je obmedzená veľkosťou nosnej rakety.Na Zemi majú v súčasnosti ďalekohľady priemer až 40 metrov.Hubbleov vesmírny teleskop má zrkadlo s priemerom 2,4 metra, zatiaľ čo teleskop Jamesa Webba má zrkadlo s priemerom 6,5 metra – vedcom trvalo 25 rokov, kým dosiahli tento úspech, čo stálo 9 miliárd amerických dolárov, čiastočne preto, že systém musí byť vyvinutý, ktorý dokáže spustiť ďalekohľad v zloženom stave a potom ho automaticky otvoriť vo vesmíre.
Na druhej strane, Liquid je už v „zloženom“ stave.Vysielač môžete napríklad naplniť tekutým kovom, pridať vstrekovací mechanizmus a expanzný krúžok a potom urobiť zrkadlo v priestore."Toto je ilúzia," priznal Berkovič.„Moja matka sa ma spýtala: „Kedy budeš pripravený?Povedal som jej: „Možno o 20 rokov.Povedala, že nemá čas čakať."
Ak sa tento sen splní, môže to zmeniť budúcnosť vesmírneho výskumu.Berkovic dnes poukázal na to, že ľudia nemajú možnosť priamo pozorovať exoplanéty – planéty mimo slnečnej sústavy, pretože na to je potrebný zemský teleskop 10-krát väčší ako existujúce teleskopy – čo je s existujúcou technológiou úplne nemožné.
Na druhej strane Bercovici dodal, že Falcon Heavy, v súčasnosti najväčšia kozmická nosná raketa SpaceX, dokáže niesť 20 metrov kubických kvapaliny.Vysvetlil, že teoreticky by sa Falcon Heavy mohol použiť na vypustenie kvapaliny na orbitálny bod, kde by sa kvapalina dala použiť na vytvorenie zrkadla s priemerom 75 metrov – povrchová plocha a zhromaždené svetlo by boli 100-krát väčšie ako to druhé. .Teleskop Jamesa Webba.
Toto je sen a jeho realizácia bude trvať dlho.NASA to však berie vážne.Spolu s tímom inžinierov a vedcov z Ames Research Center NASA pod vedením Balabana túto technológiu skúšajú po prvýkrát.
Koncom decembra bude systém vyvinutý laboratórnym tímom Bercovici odoslaný na Medzinárodnú vesmírnu stanicu, kde sa uskutoční séria experimentov, ktoré umožnia astronautom vyrábať a liečiť šošovky vo vesmíre.Predtým sa tento víkend uskutočnia experimenty na Floride, aby sa otestovala realizovateľnosť výroby vysokokvalitných šošoviek pod mikrogravitáciou bez potreby akejkoľvek nadnášajúcej kvapaliny.
Experiment Fluid Telescope Experiment (FLUTE) sa uskutočnil na lietadle so zníženou gravitáciou – všetky sedadlá tohto lietadla boli odstránené kvôli výcviku astronautov a natáčaniu scén s nulovou gravitáciou vo filmoch.Manévrovaním vo forme antiparaboly-vzostup a následne voľný pád sa v lietadle na krátky čas vytvárajú podmienky mikrogravitácie."Z dobrého dôvodu sa tomu hovorí 'zvratková kométa'," povedal Berkovič s úsmevom.Voľný pád trvá asi 20 sekúnd, v ktorých je gravitácia lietadla blízka nule.Počas tohto obdobia sa výskumníci pokúsia vyrobiť tekutú šošovku a vykonať merania, aby dokázali, že kvalita šošovky je dostatočne dobrá, potom sa rovina stane rovná, gravitácia sa úplne obnoví a šošovka sa stane kalužou.
Experiment je naplánovaný na dva lety vo štvrtok a piatok, každý s 30 parabolami.Prítomní budú Bercovici a väčšina členov laboratórneho tímu vrátane Elgarisiho a Lurii a Frumkina z Massachusettského technologického inštitútu.
Počas mojej návštevy laboratória Technion bolo nadšenie ohromujúce.Na podlahe je 60 kartónových krabíc, ktoré obsahujú 60 vlastnoručne vyrobených malých súprav na pokusy.Luria robí posledné a na poslednú chvíľu vylepšenia počítačového experimentálneho systému, ktorý vyvinul na meranie výkonu šošoviek.
Zároveň tím vykonáva časové cvičenia pred kritickými momentmi.Jeden tím tam stál so stopkami a ostatní mali 20 sekúnd na výstrel.Na samotnom lietadle budú podmienky ešte horšie, najmä po niekoľkých voľných pádoch a vzletoch pri zvýšenej gravitácii.
Nie je to len tím Technion, ktorý je nadšený.Baraban, vedúci výskumník Flute Experiment NASA, povedal Haaretzovi: „Metóda tvarovania tekutiny môže viesť k výkonným vesmírnym ďalekohľadom s apertúrou desiatok alebo dokonca stoviek metrov.Takéto teleskopy môžu napríklad priamo pozorovať okolie iných hviezd.Planéta, uľahčuje analýzu svojej atmosféry vo vysokom rozlíšení a môže dokonca identifikovať rozsiahle povrchové útvary.Táto metóda môže viesť aj k iným vesmírnym aplikáciám, ako sú vysokokvalitné optické komponenty na získavanie a prenos energie, vedecké prístroje a lekárske vybavenie Kozmická výroba, čo hrá dôležitú úlohu vo vznikajúcej vesmírnej ekonomike.
Krátko pred nástupom do lietadla a nástupom na životné dobrodružstvo sa Berkovič na chvíľu prekvapene odmlčal."Stále sa pýtam sám seba, prečo to nikoho nenapadlo skôr," povedal.„Vždy, keď idem na konferenciu, bojím sa, že sa niekto postaví a povie, že niektorí ruskí vedci to urobili pred 60 rokmi.Koniec koncov, je to taká jednoduchá metóda."
Čas odoslania: 21. decembra 2021