Prof. Moran Bercovici i dr. Valeri Frumkin razvili su jeftinu tehnologiju za proizvodnju optičkih leća, a moguće je proizvoditi naočale za mnoge zemlje u razvoju gdje naočale nisu dostupne.Sada, NASA kaže da se može koristiti za izradu svemirskih teleskopa
Znanost obično napreduje malim koracima.Svakom novom eksperimentu dodaje se mali podatak.Rijetko je da jednostavna ideja koja se pojavi u mozgu znanstvenika dovede do velikog otkrića bez korištenja bilo kakve tehnologije.Ali to se dogodilo dvojici izraelskih inženjera koji su razvili novu metodu proizvodnje optičkih leća.
Sustav je jednostavan, jeftin i precizan te bi mogao imati ogroman utjecaj na čak jednu trećinu svjetske populacije.Također bi moglo promijeniti lice istraživanja svemira.Kako bi ga osmislili, istraživačima je potrebna samo bijela ploča, marker, gumica i malo sreće.
Profesor Moran Bercovici i dr. Valeri Frumkin s Odsjeka za strojarstvo Technion-Israel Institute of Technology u Haifi specijalizirali su mehaniku fluida, a ne optiku.No prije godinu i pol, na Svjetskom forumu laureata u Šangaju, Berković je slučajno sjedio s Davidom Zibermanom, izraelskim ekonomistom.
Zilberman je dobitnik Wolfove nagrade, a sada na Kalifornijskom sveučilištu, Berkeley, govorio je o svojim istraživanjima u zemljama u razvoju.Bercovici je opisao svoj eksperiment s tekućinom.Zatim je Ziberman postavio jednostavno pitanje: "Možete li od ovoga napraviti naočale?"
“Kada razmišljate o zemljama u razvoju, obično mislite na malariju, rat, glad”, rekao je Berković.“Ali Ziberman je rekao nešto što uopće ne znam – 2,5 milijardi ljudi u svijetu trebaju naočale, ali ih ne mogu nabaviti.Ovo je nevjerojatna brojka.”
Bercovici se vratio kući i otkrio da izvješće Svjetskog gospodarskog foruma potvrđuje ovu brojku.Iako izrada jednostavnog para naočala košta samo nekoliko dolara, jeftine naočale se niti proizvode niti prodaju u većini dijelova svijeta.
Utjecaj je ogroman, od djece koja ne vide ploču u školi do odraslih kojima se vid toliko pogorša da gube posao.Osim što šteti kvaliteti života ljudi, procjenjuje se da je trošak globalnog gospodarstva čak 3 trilijuna američkih dolara godišnje.
Nakon razgovora Berković nije mogao spavati noćima.Kada je stigao u Technion, razgovarao je o ovom pitanju s Frumkinom, koji je u to vrijeme bio postdoktorand u njegovom laboratoriju.
“Nacrtali smo snimak na ploči i pogledali ga”, prisjetio se."Instinktivno znamo da ne možemo stvoriti ovaj oblik s našom tehnologijom kontrole tekućine i želimo saznati zašto."
Kuglasti oblik osnova je optike jer se od njih sastoji leća.U teoriji, Bercovici i Frumkin znali su da mogu napraviti okruglu kupolu od polimera (tekućine koja se skrutila) kako bi napravili leću.Ali tekućine mogu ostati sferične samo u malim količinama.Kad su veći, gravitacija će ih zgnječiti u lokve.
"Dakle, ono što moramo učiniti je osloboditi se gravitacije", objasnio je Bercovici.I upravo su to učinili on i Frumkin.Nakon što je proučio njihovu bijelu ploču, Frumkin je došao na vrlo jednostavnu ideju, ali nije jasno zašto se nitko prije toga nije sjetio - ako se leća stavi u komoru s tekućinom, može se eliminirati učinak gravitacije.Sve što trebate učiniti je osigurati da tekućina u komori (koja se zove plutajuća tekućina) ima istu gustoću kao polimer od kojeg je napravljena leća, i tada će polimer plutati.
Još jedna važna stvar je korištenje dvije tekućine koje se ne miješaju, što znači da se neće miješati jedna s drugom, poput ulja i vode."Većina polimera je više poput ulja, tako da je naša 'jedina' plutajuća tekućina voda", rekao je Bercovici.
Ali budući da voda ima nižu gustoću od polimera, njezina se gustoća mora malo povećati kako bi polimer mogao plutati.U tu su svrhu istraživači koristili i manje egzotične materijale - sol, šećer ili glicerin.Bercovici je rekao da je završna komponenta procesa kruti okvir u koji se ubrizgava polimer kako bi se mogao kontrolirati njegov oblik.
Kada polimer postigne svoj konačni oblik, stvrdnjava se pomoću ultraljubičastog zračenja i postaje čvrsta leća.Za izradu okvira istraživači su koristili jednostavnu kanalizacijsku cijev, izrezanu u prsten, ili petrijevu zdjelicu odrezanu s dna."Svako dijete ih može napraviti kod kuće, a moje kćeri i ja smo ih napravile kod kuće", rekao je Bercovici.“Tijekom godina napravili smo puno stvari u laboratoriju, od kojih su neke bile vrlo komplicirane, ali nema sumnje da je ovo najjednostavnija i najlakša stvar koju smo napravili.Možda i najvažniji.”
Frumkin je napravio svoj prvi snimak istog dana kada je smislio rješenje.“Poslao mi je fotografiju na WhatsApp”, prisjetio se Berković.“U retrospektivi, ovo je bio vrlo mali i ružan objektiv, ali bili smo jako sretni.”Frumkin je nastavio proučavati ovaj novi izum.“Jednadžba pokazuje da nakon što uklonite gravitaciju, nije važno je li okvir jedan centimetar ili jedan kilometar;ovisno o količini materijala, uvijek ćete dobiti isti oblik.”
Dvojica istraživača nastavila su eksperimentirati s tajnim sastojkom druge generacije, kantom za brisanje, i upotrijebili su je za izradu leće promjera 20 cm koja je prikladna za teleskope.Cijena leće raste eksponencijalno s promjerom, ali s ovom novom metodom, bez obzira na veličinu, sve što trebate je jeftin polimer, voda, sol (ili glicerin) i prstenasti kalup.
Popis sastojaka označava veliki pomak u tradicionalnim metodama proizvodnje leća koje su ostale gotovo nepromijenjene 300 godina.U početnoj fazi tradicionalnog postupka mehanički se brusi staklena ili plastična ploča.Primjerice, pri proizvodnji naočalnih leća otpada oko 80% materijala.Koristeći metodu koju su osmislili Bercovici i Frumkin, umjesto mljevenja čvrstih materijala, u okvir se ubrizgava tekućina, tako da se leća može proizvesti u procesu potpuno bez otpada.Ova metoda također ne zahtijeva poliranje, jer površinska napetost tekućine može osigurati izuzetno glatku površinu.
Haaretz je posjetio Technionov laboratorij, gdje je doktorand Mor Elgarisi demonstrirao proces.Ubrizgao je polimer u prsten u maloj komori s tekućinom, ozračio ga UV lampom i dvije minute kasnije dao mi par kirurških rukavica.Vrlo pažljivo sam umočio ruku u vodu i izvukao leću.“To je to, obrada je gotova”, vikao je Berković.
Leće su apsolutno glatke na dodir.Ovo nije samo subjektivan osjećaj: Bercovici kaže da je čak i bez poliranja površinska hrapavost leće izrađene polimernom metodom manja od jednog nanometra (milijarditi dio metra).“Snage prirode same stvaraju izvanredne kvalitete i one su besplatne”, rekao je.Nasuprot tome, optičko staklo polirano je na 100 nanometara, dok su zrcala NASA-inog vodećeg svemirskog teleskopa James Webb polirana na 20 nanometara.
Ali ne vjeruju svi da će ova elegantna metoda biti spasitelj milijardi ljudi diljem svijeta.Profesor Ady Arie sa Fakulteta elektrotehnike Sveučilišta u Tel Avivu istaknuo je da Bercovicijeva i Frumkinova metoda zahtijeva kružni kalup u koji se ubrizgava tekući polimer, sam polimer i ultraljubičastu lampu.
"Njih nema u indijskim selima", istaknuo je.Još jedno pitanje koje su pokrenuli osnivač SPO Precision Optics i potpredsjednik za istraživanje i razvoj Niv Adut i glavni znanstvenik tvrtke dr. Doron Sturlesi (obojica upoznati s Bercovicijevim radom) jest da će zamjena procesa brušenja plastičnim odljevcima otežati prilagodbu leće potrebe.Njegovi ljudi.
Berković nije paničario.“Kritika je temeljni dio znanosti, a naš brzi razvoj u protekloj godini uglavnom je posljedica toga što su nas stručnjaci tjerali u kut”, rekao je.Što se tiče izvedivosti proizvodnje u udaljenim područjima, dodao je: „Infrastruktura potrebna za proizvodnju naočala tradicionalnim metodama je golema;trebate tvornice, strojeve i tehničare, a nama treba samo minimalna infrastruktura.”
Bercovici nam je u svom laboratoriju pokazao dvije lampe za ultraljubičasto zračenje: “Ova je s Amazona i košta 4 dolara, a druga je s AliExpressa i košta 1,70 dolara.Ako ih nemate, uvijek možete koristiti Sunshine”, objasnio je.Što je s polimerima?“Bočica od 250 ml prodaje se za 16 dolara na Amazonu.Za prosječnu leću potrebno je 5 do 10 ml, tako da ni cijena polimera nije stvarni faktor.”
Naglasio je da njegova metoda ne zahtijeva korištenje jedinstvenih kalupa za svaki broj leće, kako tvrde kritičari.Jednostavan kalup prikladan je za svaki broj leće, objasnio je: "Razlika je u količini ubrizganog polimera, a da bi se napravio cilindar za naočale, potrebno je samo malo rastegnuti kalup."
Bercovici je rekao da je jedini skupi dio procesa automatizacija ubrizgavanja polimera, koja se mora raditi točno prema broju potrebnih leća.
"Naš san je imati utjecaj u zemlji s najmanje resursa", rekao je Bercovici.Iako se jeftine naočale mogu donijeti u siromašna sela - iako to nije dovršeno - njegov je plan mnogo veći.“Baš kao u onoj poznatoj poslovici, ne želim im dati ribu, želim ih naučiti pecati.Na ovaj način ljudi će moći sami izraditi svoje naočale”, rekao je.“Hoće li uspjeti?Samo će vrijeme dati odgovor.”
Bercovici i Frumkin opisali su ovaj proces u članku prije otprilike šest mjeseci u prvom izdanju Flowa, časopisa o primjenama mehanike fluida koji izdaje Sveučilište u Cambridgeu.No tim ne namjerava ostati na jednostavnim optičkim lećama.Drugi rad objavljen u časopisu Optica prije nekoliko tjedana opisuje novu metodu za proizvodnju složenih optičkih komponenti u području optike slobodnog oblika.Ove optičke komponente nisu niti konveksne niti konkavne, već su oblikovane u topografsku površinu, a svjetlost se zrači na površinu različitih područja kako bi se postigao željeni učinak.Te se komponente mogu pronaći u multifokalnim naočalama, pilotskim kacigama, naprednim sustavima projektora, sustavima virtualne i proširene stvarnosti i na drugim mjestima.
Proizvodnja komponenti slobodnog oblika korištenjem održivih metoda komplicirana je i skupa jer je teško brusiti i polirati njihovu površinu.Stoga ove komponente trenutno imaju ograničenu upotrebu."Postojale su akademske publikacije o mogućim upotrebama takvih površina, ali to se još nije odrazilo na praktične primjene", objasnio je Bercovici.U ovom novom radu, laboratorijski tim predvođen Elgarisijem pokazao je kako kontrolirati oblik okvira koji se stvara kada se polimerna tekućina ubrizgava.Okvir se može izraditi pomoću 3D pisača.“Više ne radimo stvari s kantom za brisanje, ali i dalje je vrlo jednostavno,” rekao je Bercovici.
Omer Luria, istraživački inženjer u laboratoriju, istaknuo je da ova nova tehnologija može brzo proizvesti posebno glatke leće s jedinstvenim terenom."Nadamo se da može značajno smanjiti troškove i vrijeme proizvodnje složenih optičkih komponenti", rekao je.
Profesor Arie jedan je od urednika Optike, ali nije sudjelovao u recenziji članka."Ovo je jako dobar posao", rekao je Ali o istraživanju."Da bi se proizvele asferične optičke površine, trenutne metode koriste kalupe ili 3D ispis, ali obje metode teško je stvoriti dovoljno glatke i velike površine unutar razumnog vremenskog okvira."Arie vjeruje da će nova metoda pomoći u stvaranju slobode Prototip formalnih komponenti.“Za industrijsku proizvodnju velikog broja dijelova najbolje je pripremiti kalupe, ali za brzo testiranje novih ideja ovo je zanimljiva i elegantna metoda”, rekao je.
SPO je jedna od vodećih tvrtki u Izraelu na području slobodnih površina.Prema Adutu i Sturlesiju, nova metoda ima prednosti i nedostataka.Kažu da uporaba plastike ograničava mogućnosti jer nije izdržljiva na ekstremnim temperaturama i ograničena je njihova sposobnost postizanja dovoljne kvalitete u cijelom rasponu boja.Što se tiče prednosti, istaknuli su da tehnologija ima potencijal značajno smanjiti troškove proizvodnje složenih plastičnih leća, koje se koriste u svim mobilnim telefonima.
Adut i Sturlesi dodali su da je s tradicionalnim metodama proizvodnje promjer plastičnih leća ograničen jer što su veće, postaju manje precizne.Rekli su da, prema Bercovicijevoj metodi, proizvodnja leća u tekućini može spriječiti distorziju, koja može stvoriti vrlo moćne optičke komponente - bilo u području sferičnih leća ili leća slobodnog oblika.
Najneočekivaniji projekt Technion tima bio je odabir proizvodnje velike leće.Evo, sve je počelo slučajnim razgovorom i naivnim pitanjem."Sve je u ljudima", rekao je Berković.Kada je pitao Berkovica, govorio je dr. Edwardu Barabanu, NASA-inom istraživaču, da je znao za njegov projekt na Sveučilištu Stanford, a on je poznavao njega na Sveučilištu Stanford: “Mislite da možete Napravite li takvu leću za svemirski teleskop ?"
“Zvučalo je kao luda ideja,” prisjetio se Berkovic, “ali bila je duboko utisnuta u moje misli.”Nakon što je laboratorijski test uspješno završen, izraelski su istraživači shvatili da se metoda može koristiti u Svemiru.Uostalom, tamo možete postići uvjete mikrogravitacije bez potrebe za plutajućim tekućinama."Nazvao sam Edwarda i rekao mu da radi!"
Svemirski teleskopi imaju velike prednosti u odnosu na zemaljske teleskope jer na njih ne utječe atmosfersko ili svjetlosno onečišćenje.Najveći problem razvoja svemirskih teleskopa je što je njihova veličina ograničena veličinom lansera.Na Zemlji trenutno teleskopi imaju promjer do 40 metara.Svemirski teleskop Hubble ima zrcalo promjera 2,4 metra, dok teleskop James Webb ima zrcalo promjera 6,5 metara — znanstvenicima je trebalo 25 godina da postignu ovo postignuće, koštajući 9 milijardi američkih dolara, djelomično zato što sustav treba biti razvijena koja može lansirati teleskop u sklopljenom položaju i zatim ga automatski otvoriti u svemiru.
S druge strane, Liquid je već u "sklopljenom" stanju.Na primjer, odašiljač možete napuniti tekućim metalom, dodati mehanizam za ubrizgavanje i ekspanzijski prsten, a zatim napraviti ogledalo u prostoru.“Ovo je iluzija”, priznaje Berković.“Majka me pitala: 'Kad ćeš biti spreman?Rekao sam joj: 'Možda za 20 godina.Rekla je da nema vremena čekati.”
Ako se ovaj san ostvari, mogao bi promijeniti budućnost istraživanja svemira.Berkovic je danas istaknuo da ljudi nemaju mogućnost izravnog promatranja egzoplaneta - planeta izvan Sunčevog sustava, jer je za to potreban zemaljski teleskop 10 puta veći od postojećih teleskopa - što je s postojećom tehnologijom potpuno nemoguće.
S druge strane, Bercovici je dodao da Falcon Heavy, trenutno najveći svemirski lanser SpaceX, može nositi 20 kubičnih metara tekućine.Objasnio je da bi se u teoriji Falcon Heavy mogao koristiti za lansiranje tekućine do orbitalne točke, gdje bi se tekućina mogla koristiti za izradu zrcala promjera 75 metara—površina i prikupljena svjetlost bili bi 100 puta veći od potonjeg .teleskop James Webb.
Ovo je san i trebat će dosta vremena da se ostvari.Ali NASA to shvaća ozbiljno.Zajedno s timom inženjera i znanstvenika iz NASA-inog istraživačkog centra Ames, predvođenim Balabanom, tehnologija se isprobava po prvi put.
Krajem prosinca, sustav koji je razvio laboratorijski tim Bercovici bit će poslan na Međunarodnu svemirsku postaju, gdje će se provesti niz eksperimenata koji će omogućiti astronautima da proizvode i stvrdnjavaju leće u svemiru.Prije toga, eksperimenti će se provesti na Floridi ovog vikenda kako bi se testirala izvedivost proizvodnje visokokvalitetnih leća u uvjetima mikrogravitacije bez potrebe za bilo kakvom plutajućom tekućinom.
Eksperiment Fluid Telescope (FLUTE) proveden je na zrakoplovu smanjene gravitacije - sva su sjedala ovog zrakoplova uklonjena radi obuke astronauta i snimanja scena bez gravitacije u filmovima.Manevriranjem u obliku antiparabole - uzdizanjem pa slobodnim spuštanjem - u zrakoplovu se stvaraju uvjeti mikrogravitacije na kratko vrijeme.“Zove se 'povraćani komet' s dobrim razlogom,” rekao je Berkovic sa smiješkom.Slobodni pad traje oko 20 sekundi, pri čemu je gravitacija letjelice blizu nule.Tijekom tog razdoblja istraživači će pokušati napraviti tekuću leću i napraviti mjerenja kako bi dokazali da je kvaliteta leće dovoljno dobra, tada ravnina postaje ravna, gravitacija se potpuno vraća, a leća postaje lokva.
Eksperiment je predviđen za dva leta u četvrtak i petak, svaki s 30 parabola.Bercovici i većina članova laboratorijskog tima, uključujući Elgarisi i Luria, te Frumkin s Massachusetts Institute of Technology bit će prisutni.
Tijekom mog posjeta laboratoriju Technion, uzbuđenje je bilo ogromno.Na podu je postavljeno 60 kartonskih kutija u kojima se nalazi 60 vlastitih setova za pokuse.Luria radi konačna i zadnja poboljšanja računalnog eksperimentalnog sustava koji je razvio za mjerenje performansi leća.
U isto vrijeme tim provodi vježbe mjerenja vremena prije kritičnih trenutaka.Jedan tim je stajao tamo sa štopericom, a ostali su imali 20 sekundi za pogodak.Na samoj letjelici uvjeti će biti još gori, posebno nakon nekoliko slobodnih padova i uzdizanja uz povećanu gravitaciju.
Nije samo Technion tim uzbuđen.Baraban, vodeći istraživač NASA-inog Flute Experimenta, rekao je za Haaretz: “Metoda oblikovanja fluida može rezultirati snažnim svemirskim teleskopima s otvorima od desetaka ili čak stotina metara.Na primjer, takvi teleskopi mogu izravno promatrati okolinu drugih zvijezda.Planet, olakšava analizu atmosfere visoke razlučivosti i može čak identificirati značajke površine velikih razmjera.Ova metoda također može dovesti do drugih svemirskih primjena, kao što su visokokvalitetne optičke komponente za prikupljanje i prijenos energije, znanstveni instrumenti i proizvodnja medicinske opreme u svemiru – čime igraju važnu ulogu u svemirskoj ekonomiji u nastajanju.”
Neposredno prije nego što je ušao u zrakoplov i krenuo u avanturu svog života, Berković je na trenutak zastao iznenađen."Stalno se pitam zašto se nitko toga prije nije sjetio", rekao je.“Svaki put kad idem na konferenciju, bojim se da će netko ustati i reći da su neki ruski istraživači to radili prije 60 godina.Uostalom, to je tako jednostavna metoda.”
Vrijeme objave: 21. prosinca 2021