Професор Моран Берковічі та доктор Валері Фрумкін розробили дешеву технологію виробництва оптичних лінз, і можна виробляти окуляри для багатьох країн, що розвиваються, де окуляри недоступні.Тепер NASA каже, що його можна використовувати для створення космічних телескопів
Наука зазвичай просувається маленькими кроками.До кожного нового експерименту додається невелика інформація.Рідко проста ідея, яка виникає в голові вченого, призводить до великого прориву без використання будь-яких технологій.Але так сталося з двома ізраїльськими інженерами, які розробили новий метод виготовлення оптичних лінз.
Система проста, дешева та точна, і може мати величезний вплив на до однієї третини населення світу.Це також може змінити вигляд космічних досліджень.Щоб його спроектувати, дослідникам знадобиться лише біла дошка, маркер, ластик і трохи удачі.
Професор Моран Берковічі та доктор Валері Фрумкін з кафедри машинобудування Техніон-Ізраїльського технологічного інституту в Хайфі спеціалізуються на механіці рідини, а не на оптиці.Але півтора року тому на Всесвітньому форумі лауреатів у Шанхаї Беркович випадково сидів разом із ізраїльським економістом Девідом Зіберманом.
Зільберман є лауреатом премії Вольфа, і зараз в Каліфорнійському університеті в Берклі він розповідав про свої дослідження в країнах, що розвиваються.Берковічі описав свій експеримент із рідиною.Тоді Зіберман поставив просте запитання: «Чи можна використовувати це для виготовлення окулярів?»
«Коли ви думаєте про країни, що розвиваються, ви зазвичай думаєте про малярію, війну, голод», — сказав Беркович.«Але Зіберман сказав щось, чого я взагалі не знаю — 2,5 мільярда людей у світі потребують окулярів, але не можуть їх отримати.Це дивовижне число».
Берковічі повернувся додому і виявив, що звіт Всесвітнього економічного форуму підтверджує це число.Хоча виготовлення простих окулярів коштує лише кілька доларів, дешеві окуляри не виробляються та не продаються в більшості країн світу.
Вплив величезний: від дітей, які не бачать дошки в школі, до дорослих, чий зір погіршується настільки, що вони втрачають роботу.Окрім шкоди якості життя людей, вартість глобальної економіки оцінюється в 3 трильйони доларів США на рік.
Після розмови Беркович не міг спати вночі.Коли він прибув до Техніону, він обговорив це питання з Фрумкіним, який на той час був докторантом у його лабораторії.
«Ми намалювали кадр на дошці й подивилися на нього», — згадував він.«Ми інстинктивно знаємо, що не можемо створити таку форму за допомогою нашої технології контролю рідини, і хочемо з’ясувати, чому».
Сферична форма є основою оптики, оскільки з них складається лінза.Теоретично Берковічі та Фрумкін знали, що вони можуть зробити круглий купол із полімеру (рідини, яка затверділа), щоб зробити лінзу.Але рідини можуть залишатися сферичними лише в малих об’ємах.Коли вони стануть більшими, сила тяжіння роздавить їх у калюжі.
«Тож що ми повинні зробити, це позбутися гравітації», — пояснив Берковічі.І саме це вони з Фрумкіним зробили.Вивчивши їх дошку, Фрумкін придумав дуже просту ідею, але незрозуміло, чому нікому раніше це не спало на думку: якщо лінзу помістити в рідинну камеру, ефект гравітації можна усунути.Все, що вам потрібно зробити, це переконатися, що рідина в камері (так звана плавуча рідина) має таку саму щільність, що й полімер, з якого виготовлена лінза, і тоді полімер буде плавати.
Ще одна важлива річ — використовувати дві рідини, які не змішуються, тобто вони не будуть змішуватися одна з одною, наприклад, масло і вода.«Більшість полімерів більше схожі на олії, тому нашою єдиною плавучою рідиною є вода», — сказав Берковічі.
Але оскільки вода має меншу щільність, ніж полімери, її щільність потрібно трохи збільшити, щоб полімер плавав.Для цього дослідники також використовували менш екзотичні матеріали - сіль, цукор або гліцерин.Берковічі сказав, що останнім компонентом процесу є жорсткий каркас, у який вводять полімер, щоб можна було контролювати його форму.
Коли полімер досягає своєї остаточної форми, він затверджується за допомогою ультрафіолетового випромінювання і стає твердою лінзою.Щоб зробити каркас, дослідники використовували просту каналізаційну трубу, розрізану на кільце, або чашку Петрі, вирізану знизу.«Будь-яка дитина може зробити їх вдома, і ми з моїми дочками зробили деякі вдома», — сказав Берковічі.«За ці роки ми робили багато речей у лабораторії, деякі з яких дуже складні, але, без сумніву, це найпростіша та найлегша річ, яку ми робили.Можливо, найважливіше».
Фрумкін створив свій перший знімок того самого дня, коли придумав рішення.«Він надіслав мені фото на WhatsApp», — згадує Беркович.«Оглядаючи назад, це був дуже маленький і потворний об’єктив, але ми були дуже щасливі».Фрумкін продовжив вивчення цього нового винаходу.«Рівняння показує, що як тільки ви приберете силу тяжіння, не має значення, чи має рама один сантиметр чи один кілометр;залежно від кількості матеріалу ви завжди отримаєте однакову форму».
Двоє дослідників продовжили експерименти з секретним інгредієнтом другого покоління, відром для швабри, і використали його для створення лінзи діаметром 20 см, яка підходить для телескопів.Вартість лінзи експоненціально зростає з діаметром, але для цього нового методу, незалежно від розміру, все, що вам потрібно, це дешевий полімер, вода, сіль (або гліцерин) і форма для кільця.
Список інгредієнтів знаменує величезну зміну традиційних методів виробництва лінз, які залишалися майже незмінними протягом 300 років.На початковому етапі традиційного процесу скляна або пластикова пластина механічно шліфується.Наприклад, при виготовленні очкових лінз витрачається близько 80% матеріалу.Використовуючи метод, розроблений Берковічі та Фрумкіним, замість подрібнення твердих матеріалів в оправу вводять рідину, завдяки чому лінзи можна виготовити повністю безвідходним процесом.Цей метод також не вимагає полірування, оскільки поверхневий натяг рідини може забезпечити надзвичайно гладку поверхню.
Haaretz відвідав лабораторію Technion, де докторант Мор Елгарісі продемонстрував процес.Він ввів полімер у кільце в невеликій рідинній камері, опромінив його ультрафіолетовою лампою та через дві хвилини дав мені пару хірургічних рукавичок.Я дуже обережно занурив руку у воду і витягнув лінзу.«Все, обробку закінчено», — крикнув Беркович.
Лінзи абсолютно гладкі на дотик.Це не просто суб’єктивне відчуття: Берковічі каже, що навіть без полірування шорсткість поверхні лінзи, виготовленої за допомогою полімерного методу, становить менше одного нанометра (одна мільярдна частина метра).«Сили природи створюють надзвичайні якості самі по собі, і вони безкоштовні», — сказав він.Навпаки, оптичне скло відполіровано до 100 нанометрів, а дзеркала флагманського космічного телескопа Джеймса Вебба NASA відполіровано до 20 нанометрів.
Але не всі вірять, що цей елегантний метод стане рятівником мільярдів людей у всьому світі.Професор Аді Арі з Школи електротехніки Тель-Авівського університету зазначив, що для методу Берковічі та Фрумкіна потрібна кругла форма, у яку вводять рідкий полімер, сам полімер і ультрафіолетова лампа.
«Це недоступне в індійських селах», — зазначив він.Інша проблема, яку підняли засновник SPO Precision Optics і віце-президент R&D Niv Adut і головний науковий співробітник компанії д-р Дорон Стурлесі (обидва знайомі з роботою Берковічі), полягає в тому, що заміна процесу шліфування пластиковими відливками ускладнить адаптацію лінзи до потреби.Його люди.
Беркович не панікував.«Критика є фундаментальною частиною науки, і наш швидкий розвиток за останній рік значною мірою пояснюється тим, що експерти загнали нас у кут», — сказав він.Щодо доцільності виробництва у віддалених районах, він додав: «Інфраструктура, необхідна для виробництва окулярів традиційними методами, величезна;вам потрібні заводи, машини та техніка, а нам потрібна лише мінімальна інфраструктура».
Берковічі показав нам дві лампи ультрафіолетового випромінювання у своїй лабораторії: «Ця з Amazon і коштує 4 долари, а інша з AliExpress і коштує 1,70 долара.Якщо у вас їх немає, ви завжди можете скористатися Sunshine», – пояснив він.А як щодо полімерів?«Пляшка об’ємом 250 мл продається на Amazon за 16 доларів.Для середньої лінзи потрібно від 5 до 10 мл, тому вартість полімеру також не є реальним фактором».
Він підкреслив, що його метод не вимагає використання унікальних форм для кожного номера лінзи, як стверджують критики.Проста форма підходить для кожного номера лінзи, пояснив він: «Різниця полягає в кількості введеного полімеру, і щоб зробити циліндр для окулярів, все, що потрібно, це трохи розтягнути форму».
Берковічі сказав, що єдиною дорогою частиною процесу є автоматизація впорскування полімеру, яка повинна виконуватися точно відповідно до кількості необхідних лінз.
«Наша мрія — мати вплив у країні з найменшими ресурсами», — сказав Берковічі.Хоча в бідні села можна доставити дешеві окуляри — хоча це ще не завершено — його план набагато масштабніший.«Як у тому відомому прислів’ї, я не хочу дати їм рибу, я хочу навчити їх рибалити.Таким чином люди зможуть виготовляти собі окуляри», – сказав він.«Чи вдасться?Тільки час дасть відповідь».
Берковічі та Фрумкін описали цей процес у статті близько півроку тому в першому випуску Flow, журналу про застосування механіки рідини, опублікованого Кембриджським університетом.Але команда не має наміру зупинятися на простих оптичних лінзах.Інша стаття, опублікована в журналі Optica кілька тижнів тому, описує новий метод виготовлення складних оптичних компонентів у галузі оптики вільної форми.Ці оптичні компоненти не є ні опуклими, ні увігнутими, а формуються в топографічну поверхню, і світло випромінюється на поверхні різних ділянок для досягнення бажаного ефекту.Ці компоненти можна знайти в мультифокальних окулярах, шоломах пілотів, передових проекторних системах, системах віртуальної та доповненої реальності та інших місцях.
Виробництво компонентів довільної форми за допомогою екологічних методів є складним і дорогим, оскільки їхню поверхню важко відшліфувати та відполірувати.Тому ці компоненти в даний час мають обмежене використання.«Були наукові публікації щодо можливого використання таких поверхонь, але це ще не відображено в практичних застосуваннях», – пояснив Берковічі.У цій новій статті команда лабораторії під керівництвом Елгарісі показала, як контролювати форму поверхні, створювану під час впорскування полімерної рідини, контролюючи форму каркаса.Рамку можна створити за допомогою 3D принтера.«Ми більше не робимо речі за допомогою відра для швабри, але це все ще дуже просто», — сказав Берковічі.
Омер Лурія, інженер-дослідник лабораторії, зазначив, що ця нова технологія може швидко створювати особливо гладкі лінзи з унікальним рельєфом.«Ми сподіваємося, що це може значно скоротити вартість і час виробництва складних оптичних компонентів», — сказав він.
Професор Ар'є є одним із редакторів Optica, але не брав участі в рецензуванні статті.«Це дуже хороша робота», — сказав Алі про дослідження.«Для виготовлення асферичних оптичних поверхонь сучасні методи використовують прес-форми або 3D-друк, але обидва методи важко створити досить гладкі та великі поверхні за розумний проміжок часу».Ар'є вважає, що новий метод допоможе створити прототип свободи формальних компонентів.«Для промислового виробництва великої кількості деталей найкраще підготувати прес-форми, але для швидкого тестування нових ідей це цікавий і елегантний метод», — сказав він.
SPO є однією з провідних ізраїльських компаній у сфері виготовлення поверхонь вільної форми.За словами Адута та Стурлесі, новий метод має переваги та недоліки.Вони кажуть, що використання пластику обмежує можливості, оскільки він не витримує екстремальних температур і його здатність досягати достатньої якості в усьому діапазоні кольорів обмежена.Що стосується переваг, вони відзначили, що технологія має потенціал для значного зниження вартості виробництва складних пластикових лінз, які використовуються у всіх мобільних телефонах.
Адут і Стурлесі додали, що при традиційних методах виробництва діаметр пластикових лінз обмежений, оскільки чим вони більші, тим менш точними стають.Вони сказали, що, згідно з методом Берковічі, виготовлення лінз у рідині може запобігти викривленню, яке може створити дуже потужні оптичні компоненти, будь то сферичні лінзи чи лінзи вільної форми.
Найнесподіванішим проектом команди Technion став вибір виробництва великої лінзи.Тут все почалося з випадкової розмови і наївного запитання.«Це все про людей», — сказав Беркович.Коли він запитав Берковича, той мав на увазі доктора Едварда Барабана, наукового співробітника NASA, що він знав його проект у Стенфордському університеті, і він знав його в Стенфордському університеті: «Ви думаєте, що можете зробити таку лінзу для космічного телескопа ?»
«Це звучало як божевільна ідея, — згадував Беркович, — але вона глибоко закарбувалася в моїй пам’яті».Після успішного завершення лабораторних випробувань ізраїльські дослідники зрозуміли, що метод можна використовувати в космосі. Він так само працює в космосі.Зрештою, там можна досягти умов мікрогравітації без потреби в плавучих рідинах.«Я подзвонив Едварду і сказав йому, що це працює!»
Космічні телескопи мають великі переваги перед наземними телескопами, оскільки на них не впливає атмосферне чи світлове забруднення.Найбільша проблема розвитку космічних телескопів полягає в тому, що їх розмір обмежений розміром пускової установки.На Землі зараз телескопи мають діаметр до 40 метрів.Космічний телескоп Хаббл має дзеркало діаметром 2,4 метра, а телескоп Джеймса Вебба має дзеркало діаметром 6,5 метра — вченим знадобилося 25 років, щоб досягти цього досягнення, коштуючи 9 мільярдів доларів США, частково тому, що система повинна бути розроблений, який може запускати телескоп у складеному положенні, а потім автоматично відкривати його в космосі.
З іншого боку, Liquid вже знаходиться в «згорнутому» стані.Наприклад, ви можете наповнити передавач рідким металом, додати інжекційний механізм і кільце розширення, а потім зробити дзеркало в просторі.«Це ілюзія», — визнав Беркович.«Мама запитала мене: «Коли ти будеш готовий?»Я сказав їй: «Можливо, через 20 років».Вона сказала, що не має часу чекати».
Якщо ця мрія здійсниться, це може змінити майбутнє космічних досліджень.Сьогодні Беркович зазначив, що люди не мають можливості безпосередньо спостерігати за екзопланетами — планетами за межами Сонячної системи, оскільки для цього потрібен земний телескоп у 10 разів більший, ніж існуючі телескопи — що абсолютно неможливо з існуючою технологією.
З іншого боку, Берковічі додав, що Falcon Heavy, наразі найбільший космічний носій SpaceX, може перевозити 20 кубічних метрів рідини.Він пояснив, що теоретично Falcon Heavy можна використовувати для запуску рідини до орбітальної точки, де рідина може бути використана для виготовлення дзеркала діаметром 75 метрів — площа поверхні та зібраного світла будуть у 100 разів більші, ніж останнє. .Телескоп Джеймса Вебба.
Це мрія, і для її реалізації знадобиться багато часу.Але NASA сприймає це серйозно.Разом з командою інженерів і вчених з Дослідницького центру Еймса NASA під керівництвом Балабана ця технологія випробовується вперше.
Наприкінці грудня система, розроблена командою лабораторії Bercovici, буде відправлена на Міжнародну космічну станцію, де буде проведена серія експериментів, щоб астронавти могли виготовити та вилікувати лінзи в космосі.До цього у Флориді цими вихідними будуть проведені експерименти, щоб перевірити доцільність виробництва високоякісних лінз в умовах мікрогравітації без будь-якої плавучої рідини.
Експеримент з рідинним телескопом (FLUTE) проводився на літаку зі зниженою гравітацією. Усі крісла цього літака були зняті для тренувань астронавтів і зйомок сцен із невагомістю у фільмах.За допомогою маневрування у вигляді антипараболи - підйому, а потім вільного падіння - в літальному апараті на короткий час створюються умови мікрогравітації.«Це недаремно називають «блювотною кометою», — сказав Беркович з усмішкою.Вільне падіння триває близько 20 секунд, протягом якого сила тяжіння літака близька до нуля.Протягом цього періоду дослідники спробують виготовити рідку лінзу та проведуть вимірювання, щоб довести, що якість лінзи достатньо хороша, тоді площина стане прямою, гравітація повністю відновиться, а лінза стане калюжею.
Експеримент запланований на два польоти в четвер і п'ятницю, кожен з яких по 30 парабол.Будуть присутні Берковічі та більшість членів лабораторної групи, включаючи Елгарісі та Лурію, а також Фрумкіна з Массачусетського технологічного інституту.
Під час мого візиту до лабораторії Техніон захоплення було неперевершене.На підлозі лежить 60 картонних коробок, в яких розміщено 60 саморобних наборів для дослідів.Лурія в останній момент удосконалює розроблену ним комп’ютеризовану експериментальну систему для вимірювання ефективності об’єктивів.
Паралельно команда проводить вправи на хронометраж перед критичними моментами.Одна команда стояла з секундоміром, а інші мали 20 секунд, щоб зробити кидок.На самому літаку умови будуть ще гіршими, особливо після кількох вільних падінь і підйомів угору в умовах підвищеної сили тяжіння.
Не тільки команда Technion схвильована.Барабан, провідний дослідник NASA Flute Experiment, сказав Haaretz: «Метод формування рідини може призвести до створення потужних космічних телескопів з апертурою в десятки або навіть сотні метрів.Наприклад, такі телескопи можуть безпосередньо спостерігати оточення інших зірок.Планета, полегшує аналіз її атмосфери з високою роздільною здатністю та може навіть ідентифікувати великомасштабні особливості поверхні.Цей метод також може призвести до інших космічних застосувань, таких як високоякісні оптичні компоненти для збору та передачі енергії, наукові інструменти та медичне обладнання Космічне виробництво, таким чином відіграючи важливу роль у космічній економіці, що розвивається».
Незадовго перед тим, як сісти в літак і почати пригоду свого життя, Беркович на мить зупинився здивований.«Я постійно запитую себе, чому ніхто не подумав про це раніше», — сказав він.«Кожного разу, коли я йду на конференцію, я боюся, що хтось встане і скаже, що якісь російські дослідники зробили це 60 років тому.Зрештою, це такий простий метод».
Час публікації: 21 грудня 2021 р