Проф. Моран Берковичи и д-р Валери Фрумкин са разработили евтина технология за производство на оптични лещи и е възможно да се произвеждат очила за много развиващи се страни, където очила не се предлагат.Сега НАСА казва, че може да се използва за направата на космически телескопи
Науката обикновено напредва с малки стъпки.Към всеки нов експеримент се добавя малка част от информацията.Рядко се случва проста идея, която се появява в мозъка на учен, да доведе до голям пробив, без да се използва каквато и да е технология.Но това се случи с двама израелски инженери, които разработиха нов метод за производство на оптични лещи.
Системата е проста, евтина и точна и може да има огромно въздействие върху до една трета от населението на света.Може също да промени лицето на космическите изследвания.За да го проектират, изследователите се нуждаят само от бяла дъска, маркер, гумичка и малко късмет.
Професор Моран Берковичи и д-р Валери Фрумкин от катедрата по машинно инженерство на Технион-Израелския технологичен институт в Хайфа са специалисти по механика на флуидите, а не по оптика.Но преди година и половина, на Световния форум на лауреатите в Шанхай, Беркович случайно седна с Дейвид Зиберман, израелски икономист.
Зилберман е носител на наградата Wolf и сега в Калифорнийския университет, Бъркли, той говори за своите изследвания в развиващите се страни.Берковиси описва своя експеримент с течности.Тогава Зиберман зададе прост въпрос: „Можете ли да използвате това, за да направите очила?“
„Когато мислите за развиващите се страни, обикновено мислите за малария, война, глад“, каза Беркович.„Но Зиберман каза нещо, което изобщо не знам – 2,5 милиарда души по света се нуждаят от очила, но не могат да ги получат.Това е невероятно число.”
Берковичи се върна у дома и установи, че доклад от Световния икономически форум потвърждава това число.Въпреки че изработката на обикновен чифт очила струва само няколко долара, евтините очила нито се произвеждат, нито се продават в повечето части на света.
Въздействието е огромно, вариращо от деца, които не виждат черната дъска в училище, до възрастни, чието зрение се влошава толкова много, че губят работата си.Освен че вреди на качеството на живот на хората, цената на световната икономика се оценява на 3 трилиона щатски долара годишно.
След разговора Беркович не можеше да спи нощем.Когато пристигна в Технион, той обсъди този въпрос с Фрумкин, който по това време беше постдокторант в неговата лаборатория.
„Начертахме кадър на бялата дъска и го погледнахме“, спомня си той.„Инстинктивно знаем, че не можем да създадем тази форма с нашата технология за контрол на течности и искаме да разберем защо.“
Сферичната форма е в основата на оптиката, защото от тях е изградена лещата.На теория Берковиси и Фрумкин знаеха, че могат да направят кръгъл купол от полимер (течност, която се е втвърдила), за да направят леща.Но течностите могат да останат сферични само в малки обеми.Когато са по-големи, гравитацията ще ги смачка в локви.
„Така че това, което трябва да направим, е да се отървем от гравитацията“, обясни Берковиси.И точно това направиха той и Фрумкин.След като изучава бялата им дъска, Фрумкин достига до много проста идея, но не е ясно защо никой не се е сетил за нея преди - ако лещата се постави в камера с течност, ефектът на гравитацията може да бъде елиминиран.Всичко, което трябва да направите, е да се уверите, че течността в камерата (наречена плаваща течност) има същата плътност като полимера, от който е направена лещата, и тогава полимерът ще изплува.
Друго важно нещо е да използвате две несмесващи се течности, което означава, че те няма да се смесват една с друга, като масло и вода.„Повечето полимери приличат повече на масла, така че нашата „единствена“ плаваща течност е водата“, каза Берковиси.
Но тъй като водата има по-ниска плътност от полимерите, нейната плътност трябва да се увеличи малко, така че полимерът да плава.За тази цел изследователите са използвали и по-малко екзотични материали - сол, захар или глицерин.Берковиси каза, че крайният компонент на процеса е твърда рамка, в която се инжектира полимер, така че формата му да може да се контролира.
Когато полимерът достигне крайната си форма, той се втвърдява с ултравиолетово лъчение и се превръща в твърда леща.За да направят рамката, изследователите са използвали обикновена канализационна тръба, нарязана на пръстен, или петриево блюдо, изрязано от дъното.„Всяко дете може да ги направи у дома, а дъщерите ми и аз направихме някои у дома“, каза Берковичи.„През годините сме правили много неща в лабораторията, някои от които са много сложни, но няма съмнение, че това е най-простото и лесно нещо, което сме правили.Може би най-важното.”
Фрумкин създава първия си кадър в същия ден, в който се сеща за решението.„Той ми изпрати снимка в WhatsApp“, спомня си Беркович.„В ретроспекция това беше много малък и грозен обектив, но бяхме много щастливи.“Фрумкин продължи да изучава това ново изобретение.„Уравнението показва, че след като премахнете гравитацията, няма значение дали рамката е един сантиметър или един километър;в зависимост от количеството материал, винаги ще получите една и съща форма.
Двамата изследователи продължиха да експериментират с тайната съставка от второ поколение, кофата за моп, и я използваха, за да създадат леща с диаметър 20 см, която е подходяща за телескопи.Цената на лещата нараства експоненциално с диаметъра, но с този нов метод, независимо от размера, всичко, от което се нуждаете, е евтин полимер, вода, сол (или глицерин) и пръстеновидна форма.
Списъкът на съставките бележи огромна промяна в традиционните методи за производство на лещи, които са останали почти непроменени от 300 години.В началния етап на традиционния процес стъклена или пластмасова плоча се шлифова механично.Например, при производството на лещи за очила около 80% от материала се губи.Използвайки метода, проектиран от Bercovici и Frumkin, вместо смилане на твърди материали, течност се инжектира в рамката, така че лещата да може да бъде произведена в напълно безотпаден процес.Този метод също не изисква полиране, тъй като повърхностното напрежение на течността може да осигури изключително гладка повърхност.
Haaretz посети лабораторията на Технион, където докторантът Мор Елгариси демонстрира процеса.Той инжектира полимер в пръстен в малка камера за течности, облъчи го с UV лампа и две минути по-късно ми даде чифт хирургически ръкавици.Много внимателно потопих ръката си във водата и извадих обектива.„Това е, обработката приключи“, извика Беркович.
Лещите са абсолютно гладки на допир.Това не е само субективно усещане: Берковиси казва, че дори без полиране грапавостта на повърхността на леща, направена по полимерен метод, е по-малка от един нанометър (една милиардна от метъра).„Силите на природата сами създават необикновени качества и те са безплатни“, каза той.За разлика от тях оптичното стъкло е полирано до 100 нанометра, докато огледалата на водещия космически телескоп Джеймс Уеб на НАСА са полирани до 20 нанометра.
Но не всеки вярва, че този елегантен метод ще бъде спасителят на милиарди хора по света.Професор Ади Арие от Факултета по електротехника на университета в Тел Авив посочи, че методът на Берковиси и Фрумкин изисква кръгла форма, в която се инжектира течен полимер, самият полимер и ултравиолетова лампа.
„Те не се предлагат в индийските села“, посочи той.Друг проблем, повдигнат от основателя на SPO Precision Optics и вицепрезидент на R&D Niv Adut и главния учен на компанията д-р Doron Sturlesi (и двамата запознати с работата на Bercovici) е, че замяната на процеса на смилане с пластмасови отливки ще затрудни адаптирането на лещите към потребности.Неговите хора.
Беркович не се паникьоса.„Критиката е основна част от науката и бързото ни развитие през изминалата година до голяма степен се дължи на това, че експертите ни притискат в ъгъла“, каза той.По отношение на осъществимостта на производството в отдалечени райони, той добави: „Инфраструктурата, необходима за производство на очила по традиционни методи, е огромна;имате нужда от фабрики, машини и техници, а ние се нуждаем само от минималната инфраструктура.
Bercovici ни показа две лампи за ултравиолетово излъчване в своята лаборатория: „Тази е от Amazon и струва $4, а другата е от AliExpress и струва $1,70.Ако ги нямате, винаги можете да използвате Sunshine“, обясни той.Какво ще кажете за полимерите?„Бутилка от 250 мл се продава за 16 долара в Amazon.Средната леща изисква 5 до 10 ml, така че цената на полимера също не е реален фактор.“
Той подчерта, че неговият метод не изисква използването на уникални форми за всеки номер на леща, както твърдят критиците.Една проста форма е подходяща за всеки номер на леща, обясни той: „Разликата е количеството инжектиран полимер и за да се направи цилиндър за очилата, всичко, което се изисква, е да се разтегне малко формата.“
Bercovici каза, че единствената скъпа част от процеса е автоматизирането на полимерното инжектиране, което трябва да се извърши точно според броя на необходимите лещи.
„Нашата мечта е да окажем влияние в страната с най-малко ресурси“, каза Берковичи.Въпреки че евтини очила могат да бъдат донесени в бедните села - въпреки че това не е завършено - неговият план е много по-голям.„Точно като онази известна поговорка, не искам да им давам риба, искам да ги науча как да ловят риба.По този начин хората ще могат сами да си правят очила“, каза той.„Ще успее ли?Само времето ще даде отговор.”
Bercovici и Frumkin описаха този процес в статия преди около шест месеца в първото издание на Flow, списание за приложения за механика на флуидите, публикувано от Университета в Кеймбридж.Но екипът не възнамерява да остане на прости оптични лещи.Друга статия, публикувана в списание Optica преди няколко седмици, описва нов метод за производство на сложни оптични компоненти в областта на оптиката със свободна форма.Тези оптични компоненти не са нито изпъкнали, нито вдлъбнати, а са формовани в топографска повърхност и светлината се излъчва към повърхността на различни области, за да се постигне желаният ефект.Тези компоненти могат да бъдат намерени в мултифокални очила, пилотски шлемове, усъвършенствани проекторни системи, системи за виртуална и разширена реалност и други места.
Производството на компоненти в свободна форма с помощта на устойчиви методи е сложно и скъпо, защото е трудно да се шлайфа и полира тяхната повърхност.Следователно тези компоненти в момента имат ограничено приложение.„Има академични публикации за възможните употреби на такива повърхности, но това все още не е отразено в практически приложения“, обясни Берковиси.В тази нова статия лабораторният екип, ръководен от Elgarisi, показа как да контролира формата на повърхността, създадена, когато се инжектира полимерна течност чрез контролиране на формата на рамката.Рамката може да бъде създадена с помощта на 3D принтер.„Вече не правим неща с кофа за моп, но все още е много просто“, каза Берковиси.
Омер Лурия, изследователски инженер в лабораторията, посочи, че тази нова технология може бързо да произвежда особено гладки лещи с уникален терен.„Надяваме се, че може значително да намали разходите и времето за производство на сложни оптични компоненти“, каза той.
Професор Арие е един от редакторите на Optica, но не участва в прегледа на статията.„Това е много добра работа“, каза Али за изследването.„За да се произведат асферични оптични повърхности, настоящите методи използват форми или 3D печат, но и при двата метода е трудно да се създадат достатъчно гладки и големи повърхности в рамките на разумен период от време.“Ари вярва, че новият метод ще помогне да се създаде свобода Прототип на формални компоненти.„За промишлено производство на голям брой части е най-добре да се подготвят форми, но за бързо тестване на нови идеи това е интересен и елегантен метод“, каза той.
SPO е една от водещите компании в Израел в областта на повърхностите със свободна форма.Според Adut и Sturlesi новият метод има предимства и недостатъци.Те казват, че използването на пластмаси ограничава възможностите, тъй като те не са издръжливи при екстремни температури и способността им да постигнат достатъчно качество в цялата цветова гама е ограничена.Що се отнася до предимствата, те посочиха, че технологията има потенциала да намали значително производствените разходи на сложни пластмасови лещи, които се използват във всички мобилни телефони.
Adut и Sturlesi добавиха, че при традиционните производствени методи диаметърът на пластмасовите лещи е ограничен, защото колкото по-големи са, толкова по-малко прецизни стават.Те казаха, че според метода на Bercovici, производството на лещи в течност може да предотврати изкривяване, което може да създаде много мощни оптични компоненти - независимо дали в областта на сферичните лещи или лещите със свободна форма.
Най-неочакваният проект на екипа на Технион беше изборът да произведе голям обектив.Ето, всичко започна от случаен разговор и един наивен въпрос.„Всичко е заради хората“, каза Беркович.Когато попита Беркович, той каза на д-р Едуард Барабан, учен от НАСА, че знае неговия проект в Станфордския университет и той го познава в Станфордския университет: „Мислите, че можете. Правите ли такава леща за космически телескоп ?"
„Звучеше като луда идея“, спомня си Беркович, „но беше дълбоко запечатана в съзнанието ми.“След като лабораторният тест беше успешно завършен, израелските изследователи осъзнаха, че методът може да се използва в. Той работи по същия начин в космоса.В края на краищата можете да постигнете условия на микрогравитация там без нужда от плаващи течности.„Обадих се на Едуард и му казах, че работи!“
Космическите телескопи имат големи предимства пред наземните телескопи, тъй като не се влияят от атмосферното или светлинното замърсяване.Най-големият проблем при развитието на космическите телескопи е, че техният размер е ограничен от размера на ракетата-носител.На Земята в момента телескопите имат диаметър до 40 метра.Космическият телескоп Хъбъл има огледало с диаметър 2,4 метра, докато телескопът Джеймс Уеб има огледало с диаметър 6,5 метра - на учените са били необходими 25 години, за да постигнат това постижение, струвайки 9 милиарда щатски долара, отчасти защото системата трябва да бъде разработен, който може да изстреля телескопа в сгънато положение и след това автоматично да го отвори в космоса.
От друга страна, Liquid вече е в „сгънато“ състояние.Например, можете да напълните предавателя с течен метал, да добавите инжекционен механизъм и разширителен пръстен и след това да направите огледало в пространството.„Това е илюзия“, призна Беркович.„Майка ми ме попита:„ Кога ще си готов?Казах й: „Може би след около 20 години.Тя каза, че няма време да чака.
Ако тази мечта се сбъдне, това може да промени бъдещето на космическите изследвания.Днес Беркович посочи, че хората нямат способността директно да наблюдават екзопланети - планети извън слънчевата система, защото за това е необходим земен телескоп, 10 пъти по-голям от съществуващите телескопи - което е напълно невъзможно със съществуващата технология.
От друга страна, Bercovici добави, че Falcon Heavy, в момента най-голямата космическа ракета SpaceX, може да носи 20 кубически метра течност.Той обясни, че на теория Falcon Heavy може да се използва за изстрелване на течност до орбитална точка, където течността може да се използва за направата на огледало с диаметър 75 метра - площта на повърхността и събраната светлина ще бъдат 100 пъти по-големи от последната .Телескоп Джеймс Уеб.
Това е мечта и ще отнеме много време, за да я реализирате.Но НАСА го приема сериозно.Заедно с екип от инженери и учени от изследователския център Еймс на НАСА, ръководени от Балабан, технологията се изпробва за първи път.
В края на декември система, разработена от лабораторния екип на Bercovici, ще бъде изпратена до Международната космическа станция, където ще бъдат проведени серия от експерименти, за да се даде възможност на астронавтите да произвеждат и лекуват лещи в космоса.Преди това този уикенд във Флорида ще бъдат проведени експерименти, за да се провери осъществимостта на производството на висококачествени лещи при микрогравитация без необходимост от плаваща течност.
Експериментът с течен телескоп (FLUTE) беше проведен на самолет с намалена гравитация - всички седалки на този самолет бяха премахнати за обучение на астронавти и заснемане на сцени с нулева гравитация във филми.Чрез маневриране под формата на антипарабола - издигане и след това свободно падане - в самолета се създават условия на микрогравитация за кратък период от време.„Нарича се „повръщана комета“ с добра причина“, каза Беркович с усмивка.Свободното падане продължава около 20 секунди, в които гравитацията на самолета е близка до нула.През този период изследователите ще се опитат да направят течна леща и ще направят измервания, за да докажат, че качеството на лещата е достатъчно добро, тогава равнината става права, гравитацията се възстановява напълно и лещата се превръща в локва.
Експериментът е планиран за два полета в четвъртък и петък, всеки с по 30 параболи.Bercovici и повечето членове на лабораторния екип, включително Elgarisi и Luria, и Frumkin от Масачузетския технологичен институт ще присъстват.
По време на посещението ми в лабораторията на Технион вълнението беше огромно.На пода има 60 картонени кутии, които съдържат 60 самостоятелно направени малки комплекта за експерименти.Лурия прави последни и в последния момент подобрения на компютъризираната експериментална система, която разработи за измерване на производителността на обектива.
В същото време екипът провежда упражнения за определяне на времето преди критични моменти.Единият отбор стоеше там с хронометър, а останалите имаха 20 секунди, за да направят удар.На самия самолет условията ще бъдат още по-лоши, особено след няколко свободни падания и повдигания нагоре при повишена гравитация.
Не само екипът на Технион е развълнуван.Барабан, водещият изследовател на Flute Experiment на НАСА, каза пред Haaretz: „Методът на флуидно оформяне може да доведе до мощни космически телескопи с отвори от десетки или дори стотици метри.Например, такива телескопи могат директно да наблюдават околностите на други звезди.Планета, улеснява анализ с висока разделителна способност на нейната атмосфера и може дори да идентифицира мащабни повърхностни характеристики.Този метод може да доведе и до други космически приложения, като висококачествени оптични компоненти за събиране и предаване на енергия, научни инструменти и медицинско оборудване Космическо производство - като по този начин играе важна роля в нововъзникващата космическа икономика.
Малко преди да се качи на самолета и да се впусне в приключението на живота си, Беркович спря за момент изненадан.„Продължавам да се питам защо никой не се сети за това преди“, каза той.„Всеки път, когато отида на конференция, се страхувам, че някой ще стане и ще каже, че някои руски изследователи са направили това преди 60 години.В крайна сметка това е толкова прост метод.
Време на публикуване: 21 декември 2021 г