Professori Moran Bercovici ja tohtori Valeri Frumkin ovat kehittäneet halpaa teknologiaa optisten linssien valmistukseen, ja silmälaseja on mahdollista valmistaa moniin kehitysmaihin, joissa silmälaseja ei ole saatavilla.Nyt NASA sanoo, että sitä voidaan käyttää avaruusteleskooppien valmistukseen
Tiede etenee yleensä pienin askelin.Jokaiseen uuteen kokeeseen lisätään pieni tieto.On harvinaista, että tiedemiehen aivoihin ilmestyvä yksinkertainen idea johtaa suureen läpimurtoon ilman teknologiaa.Mutta näin tapahtui kahdelle israelilaiselle insinöörille, jotka kehittivät uuden menetelmän optisten linssien valmistamiseksi.
Järjestelmä on yksinkertainen, halpa ja tarkka, ja sillä voi olla valtava vaikutus jopa kolmasosaan maailman väestöstä.Se voi myös muuttaa avaruustutkimuksen ilmettä.Sen suunnittelemiseksi tutkijat tarvitsevat vain valkotaulun, tussin, pyyhekumia ja vähän onnea.
Professori Moran Bercovici ja tohtori Valeri Frumkin Technion-Israel Institute of Technologyn konetekniikan osastolta Haifassa ovat erikoistuneet nestemekaniikkaan, eivät optiikkaan.Mutta puolitoista vuotta sitten World Laureate Forumissa Shanghaissa Berkovic sattui istumaan israelilaisen taloustieteilijän David Zibermanin kanssa.
Zilberman on Wolf-palkinnon voittaja, ja nyt Kalifornian yliopistossa Berkeleyssä hän puhui tutkimuksestaan kehitysmaissa.Bercovici kuvaili nestekokeiluaan.Sitten Ziberman kysyi yksinkertaisen kysymyksen: "Voitko käyttää tätä lasien valmistamiseen?"
"Kun ajattelee kehitysmaita, ajattelet yleensä malariaa, sotaa, nälkää", Berkovic sanoi."Mutta Ziberman sanoi jotain, jota en tiedä ollenkaan - 2,5 miljardia ihmistä maailmassa tarvitsee silmälaseja, mutta ei voi saada niitä.Tämä on hämmästyttävä luku."
Bercovici palasi kotiin ja huomasi, että Maailman talousfoorumin raportti vahvisti tämän luvun.Vaikka yksinkertaisen lasiparin valmistaminen maksaa vain muutaman dollarin, halpoja laseja ei valmisteta eikä myydä suurimmassa osassa maailmaa.
Vaikutus on valtava, ja se ulottuu lapsista, jotka eivät näe taulua koulussa, aikuisiin, joiden näkö heikkenee niin paljon, että he menettävät työpaikkansa.Sen lisäksi, että maailmantalouden kustannukset heikentävät ihmisten elämänlaatua, sen arvioidaan olevan jopa 3 biljoonaa dollaria vuodessa.
Keskustelun jälkeen Berkovic ei saanut unta yöllä.Kun hän saapui Technioniin, hän keskusteli tästä aiheesta Frumkinin kanssa, joka oli tuolloin tutkijatohtori laboratoriossa.
"Piirsimme taululle kuvan ja katsoimme sitä", hän muisteli."Tiedämme vaistomaisesti, että emme voi luoda tätä muotoa nesteenhallintateknologiallamme, ja haluamme selvittää miksi."
Pallomainen muoto on optiikan perusta, koska linssi on valmistettu niistä.Teoriassa Bercovici ja Frumkin tiesivät, että he voisivat tehdä polymeeristä (nesteestä, joka oli jähmettynyt) pyöreän kupolin linssin valmistamiseksi.Mutta nesteet voivat pysyä pallomaisina vain pieninä määrinä.Kun ne ovat suurempia, painovoima puristaa ne lätäköiksi.
"Joten meidän on päästävä eroon painovoimasta", Bercovici selitti.Ja juuri tämän hän ja Frumkin tekivät.Tutkittuaan heidän valkotauluaan Frumkin sai hyvin yksinkertaisen idean, mutta ei ole selvää, miksi kukaan ei ollut ajatellut sitä aiemmin - jos linssi laitetaan nestekammioon, painovoiman vaikutus voidaan eliminoida.Sinun tarvitsee vain varmistaa, että kammiossa olevalla nesteellä (kutsutaan kelluvaksi nesteeksi) on sama tiheys kuin polymeerillä, josta linssi on valmistettu, ja sitten polymeeri kelluu.
Toinen tärkeä asia on käyttää kahta sekoittumatonta nestettä, mikä tarkoittaa, että ne eivät sekoitu keskenään, kuten öljy ja vesi."Useimmat polymeerit ovat enemmän kuin öljyt, joten meidän "yksittäinen" kelluva neste on vesi", Bercovici sanoi.
Mutta koska veden tiheys on pienempi kuin polymeerien, sen tiheyttä on lisättävä hieman, jotta polymeeri kelluu.Tätä tarkoitusta varten tutkijat käyttivät myös vähemmän eksoottisia materiaaleja - suolaa, sokeria tai glyseriiniä.Bercovici sanoi, että prosessin viimeinen komponentti on jäykkä runko, johon ruiskutetaan polymeeriä, jotta sen muotoa voidaan hallita.
Kun polymeeri saavuttaa lopullisen muotonsa, se kovetetaan ultraviolettisäteilyllä ja siitä tulee kiinteä linssi.Kehyksen tekemiseen tutkijat käyttivät yksinkertaista renkaaksi leikattua viemäriputkea tai pohjasta leikattua petrimaljaa."Jokainen lapsi voi tehdä niitä kotona, ja tyttäreni ja minä teimme niitä kotona", Bercovici sanoi.”Olemme vuosien varrella tehneet laboratoriossa paljon asioita, joista osa on hyvin monimutkaisia, mutta ei ole epäilystäkään siitä, että tämä on yksinkertaisin ja helpoin asia, jonka olemme tehneet.Ehkä tärkein."
Frumkin loi ensimmäisen laukauksensa samana päivänä, kun hän ajatteli ratkaisua."Hän lähetti minulle kuvan WhatsAppissa", Berkovic muisteli."Jälkeenpäin ajateltuna tämä oli hyvin pieni ja ruma linssi, mutta olimme erittäin onnellisia."Frumkin jatkoi tämän uuden keksinnön tutkimista.”Yhtälö osoittaa, että kun painovoima on poistettu, ei ole väliä, onko runko yksi senttimetri vai yksi kilometri.materiaalimäärästä riippuen saat aina saman muodon."
Kaksi tutkijaa jatkoivat kokeiluja toisen sukupolven salaisen ainesosan, moppikauhan, kanssa ja loivat sen avulla halkaisijaltaan 20 cm:n linssin, joka soveltuu kaukoputkeen.Linssin hinta nousee eksponentiaalisesti halkaisijan mukaan, mutta tällä uudella menetelmällä koosta riippumatta tarvitset vain halpaa polymeeriä, vettä, suolaa (tai glyseriiniä) ja rengasmuottia.
Ainesosaluettelo merkitsee valtavaa muutosta perinteisissä linssien valmistusmenetelmissä, jotka ovat pysyneet lähes muuttumattomina 300 vuotta.Perinteisen prosessin alkuvaiheessa lasi- tai muovilevy hiotaan mekaanisesti.Esimerkiksi silmälasien linssien valmistuksessa noin 80 % materiaalista menee hukkaan.Bercovicin ja Frumkinin suunnittelemalla menetelmällä kiinteiden materiaalien jauhamisen sijaan kehykseen ruiskutetaan nestettä, jolloin linssi voidaan valmistaa täysin jättettömästi.Tämä menetelmä ei myöskään vaadi kiillotusta, koska nesteen pintajännitys voi varmistaa erittäin tasaisen pinnan.
Haaretz vieraili Technionin laboratoriossa, jossa tohtoriopiskelija Mor Elgarisi esitteli prosessia.Hän ruiskutti polymeeriä pienessä nestekammiossa olevaan renkaaseen, säteilytti sen UV-lampulla ja ojensi minulle kaksi minuuttia myöhemmin pari kirurgisia käsineitä.Upotin käteni varovasti veteen ja vedin linssin ulos."Siinä se on, käsittely on ohi", Berkovic huusi.
Linssit ovat täysin sileät kosketukseen.Tämä ei ole vain subjektiivinen tunne: Bercovici sanoo, että ilman kiillotustakin polymeerimenetelmällä valmistetun linssin pinnan karheus on alle nanometrin (metrin miljardisosa)."Luonnonvoimat luovat ainutlaatuisia ominaisuuksia itsestään, ja ne ovat vapaita", hän sanoi.Sitä vastoin optinen lasi on kiillotettu 100 nanometriin, kun taas NASAn lippulaivan James Webbin avaruusteleskoopin peilit on kiillotettu 20 nanometriin.
Mutta kaikki eivät usko, että tämä tyylikäs menetelmä pelastaa miljardeja ihmisiä ympäri maailmaa.Professori Ady Arie Tel Avivin yliopiston sähkötekniikan korkeakoulusta huomautti, että Bercovicin ja Frumkinin menetelmä vaatii pyöreän muotin, johon ruiskutetaan nestemäistä polymeeriä, itse polymeeriä ja ultraviolettilampun.
"Näitä ei ole saatavilla intiaanikylissä", hän huomautti.Toinen SPO Precision Opticsin perustajan ja T&K:n varatoimitusjohtajan Niv Adutin ja yhtiön johtavan tutkijan tohtori Doron Sturlesin (molemmat tuntevat Bercovicin työt) esiin nostama ongelma on se, että hiontaprosessin korvaaminen muovivalulla vaikeuttaa linssin mukauttamista tarpeisiin.Sen ihmiset.
Berkovic ei panikoinut."Kriitika on olennainen osa tiedettä, ja nopea kehitysmme kuluneen vuoden aikana johtuu suurelta osin asiantuntijoiden työntämisestä nurkkaan", hän sanoi.Hän lisäsi valmistuksen toteutettavuudesta syrjäisillä alueilla: ”Perinteisin menetelmin lasien valmistukseen tarvittava infrastruktuuri on valtava;tarvitset tehtaita, koneita ja teknikoita, ja me tarvitsemme vain vähimmäisinfrastruktuurin."
Bercovici näytti meille kahta ultraviolettisäteilylamppua laboratoriossaan: "Tämä on Amazonista ja maksaa 4 dollaria, ja toinen on AliExpressiltä ja maksaa 1,70 dollaria.Jos sinulla ei ole niitä, voit aina käyttää Sunshinea”, hän selitti.Entä polymeerit?"250 ml:n pullo myydään Amazonissa 16 dollarilla.Keskimääräinen linssi vaatii 5-10 ml, joten polymeerin hintakaan ei ole todellinen tekijä."
Hän korosti, että hänen menetelmänsä ei vaadi yksilöllisten muottien käyttöä jokaiselle linssinumerolle, kuten kriitikot väittävät.Kullekin linssinumerolle sopii yksinkertainen muotti, hän selitti: "Erona on ruiskutettavan polymeerin määrä, ja laseille sylinterin tekemiseksi ei tarvitse muuta kuin hieman venyttää muottia."
Bercovici sanoi, että prosessin ainoa kallis osa on polymeerin ruiskutuksen automatisointi, joka on tehtävä tarkasti tarvittavien linssien määrän mukaan.
"Unelmamme on vaikuttaa maahan mahdollisimman vähillä resursseilla", Bercovici sanoi.Vaikka halvat lasit voidaan tuoda köyhiin kyliin - vaikka tämä ei olekaan valmis - hänen suunnitelmansa on paljon suurempi.”Kuten tuo kuuluisa sananlasku, en halua antaa heille kalaa, vaan opettaa heille kalastamaan.Tällä tavalla ihmiset voivat tehdä itse lasinsa”, hän sanoi."Onnistuuko se?Vain aika antaa vastauksen."
Bercovici ja Frumkin kuvasivat tätä prosessia artikkelissa noin kuusi kuukautta sitten Cambridgen yliopiston julkaiseman nestemekaniikan sovellusten lehden Flow:n ensimmäisessä painoksessa.Mutta tiimi ei aio jäädä yksinkertaisiin optisiin linsseihin.Optica-lehdessä muutama viikko sitten julkaistu toinen artikkeli kuvasi uutta menetelmää monimutkaisten optisten komponenttien valmistamiseksi vapaamuotoisen optiikan alalla.Nämä optiset komponentit eivät ole kuperia eivätkä koveria, vaan ne on valettu topografiseen pintaan ja valoa säteilytetään eri alueiden pinnalle halutun vaikutuksen saavuttamiseksi.Nämä komponentit löytyvät moniteholaseista, pilottikypäristä, edistyneistä projektorijärjestelmistä, virtuaali- ja lisätyn todellisuuden järjestelmistä ja muista paikoista.
Vapaamuotoisten komponenttien valmistaminen kestävillä menetelmillä on monimutkaista ja kallista, koska niiden pinta-alan hiominen ja kiillottaminen on vaikeaa.Siksi näillä komponenteilla on tällä hetkellä rajoitettu käyttötarkoitus."Tällaisten pintojen mahdollisista käyttötavoista on julkaistu akateemisia julkaisuja, mutta tämä ei ole vielä näkynyt käytännön sovelluksissa", Bercovici selitti.Tässä uudessa paperissa Elgarisin johtama laboratorioryhmä osoitti, kuinka polymeerinestettä ruiskutettaessa syntyvää pintamuotoa voidaan hallita säätämällä kehyksen muotoa.Kehys voidaan luoda 3D-tulostimella."Emme enää tee asioita moppikauhalla, mutta se on silti hyvin yksinkertaista", Bercovici sanoi.
Laboratorion tutkimusinsinööri Omer Luria huomautti, että tällä uudella tekniikalla voidaan nopeasti tuottaa erityisen sileitä linssejä ainutlaatuisella maastolla."Toivomme, että se voi merkittävästi vähentää monimutkaisten optisten komponenttien kustannuksia ja tuotantoaikaa", hän sanoi.
Professori Arie on yksi Optican toimittajista, mutta ei osallistunut artikkelin arviointiin."Tämä on erittäin hyvä työ", Ali sanoi tutkimuksesta."Asfääristen optisten pintojen tuottamiseksi nykyiset menetelmät käyttävät muotteja tai 3D-tulostusta, mutta molemmilla menetelmillä on vaikea saada aikaan riittävän tasaisia ja suuria pintoja kohtuullisessa ajassa."Arie uskoo, että uusi menetelmä auttaa luomaan vapautta muodollisten komponenttien prototyyppejä."Suurin osamäärän teolliseen tuotantoon on parasta valmistaa muotit, mutta uusien ideoiden nopeaan testaamiseen tämä on mielenkiintoinen ja tyylikäs menetelmä", hän sanoi.
SPO on yksi Israelin johtavista yrityksistä vapaamuotoisten pintojen alalla.Adutin ja Sturlesin mukaan uudella menetelmällä on etuja ja haittoja.He sanovat, että muovien käyttö rajoittaa mahdollisuuksia, koska ne eivät kestä äärimmäisissä lämpötiloissa ja niiden kyky saavuttaa riittävää laatua koko värivalikoimassa on rajallinen.Eduista he huomauttivat, että teknologialla on potentiaalia merkittävästi alentaa monimutkaisten muovilinssien tuotantokustannuksia, joita käytetään kaikissa matkapuhelimissa.
Adut ja Sturlesi lisäsivät, että perinteisillä valmistusmenetelmillä muovilinssien halkaisija on rajoitettu, koska mitä suurempia ne ovat, sitä vähemmän tarkkoja niistä tulee.He sanoivat, että Bercovicin menetelmän mukaan linssien valmistaminen nesteessä voi estää vääristymiä, jotka voivat luoda erittäin tehokkaita optisia komponentteja - joko pallomaisten linssien tai vapaamuotoisten linssien alalla.
Technion tiimin odottamattomin projekti oli suuren objektiivin valmistaminen.Täällä kaikki alkoi vahingossa tapahtuneesta keskustelusta ja naiivista kysymyksestä."Kaikki on kiinni ihmisistä", Berkovic sanoi.Kun hän kysyi Berkovicilta, hän kertoi NASAn tutkijalle tohtori Edward Barabanille, että hän tiesi hänen projektinsa Stanfordin yliopistossa ja hän tunsi hänet Stanfordin yliopistossa: "Luuletko, että voit tehdä sellaisen linssin avaruusteleskoopille ?”
"Se kuulosti hullulta ajatukselta", Berkovic muisteli, "mutta se jäi syvälle mieleeni."Kun laboratoriotesti oli suoritettu onnistuneesti, israelilaiset tutkijat ymmärsivät, että menetelmää voitaisiin käyttää avaruudessa. Se toimii samalla tavalla avaruudessa.Loppujen lopuksi voit saavuttaa siellä mikrogravitaatioolosuhteet ilman, että tarvitset kelluvia nesteitä."Soitin Edwardille ja sanoin hänelle, se toimii!"
Avaruusteleskoopeilla on suuria etuja maassa sijaitseviin teleskoopeihin verrattuna, koska niihin ei vaikuta ilmakehän tai valonsaasteet.Suurin ongelma avaruusteleskooppien kehityksessä on, että niiden kokoa rajoittaa kantoraketin koko.Maapallolla kaukoputkien halkaisija on tällä hetkellä jopa 40 metriä.Hubble-avaruusteleskoopissa on halkaisijaltaan 2,4 metrin peili, kun taas James Webb -teleskoopissa on 6,5 metrin peili – tämän saavutuksen saavuttamiseen kesti 25 vuotta, joka maksoi 9 miljardia dollaria, osittain siksi, että järjestelmä on kehitetty, joka voi laukaista kaukoputken taitettuna ja avata sen sitten automaattisesti avaruudessa.
Toisaalta Liquid on jo "taitetussa" tilassa.Voit esimerkiksi täyttää lähettimen nestemäisellä metallilla, lisätä ruiskutusmekanismin ja laajennusrenkaan ja tehdä sitten peilin avaruuteen."Tämä on illuusio", Berkovic myönsi."Äitini kysyi minulta: 'Milloin olet valmis?Sanoin hänelle: "Ehkä noin 20 vuoden kuluttua.Hän sanoi, ettei hänellä ollut aikaa odottaa.
Jos tämä unelma toteutuu, se voi muuttaa avaruustutkimuksen tulevaisuutta.Tänään Berkovic huomautti, että ihmisillä ei ole kykyä suoraan tarkkailla eksoplaneettoja - aurinkokunnan ulkopuolisia planeettoja, koska se vaatii Maan teleskoopin, joka on 10 kertaa suurempi kuin olemassa olevat teleskoopit - mikä on täysin mahdotonta olemassa olevalla tekniikalla.
Toisaalta Bercovici lisäsi, että Falcon Heavy, tällä hetkellä suurin avaruuskantoraketti SpaceX, pystyy kuljettamaan 20 kuutiometriä nestettä.Hän selitti, että teoriassa Falcon Heavya voitaisiin käyttää nesteen laukaisemiseen kiertoradalle, jossa nesteestä voitaisiin tehdä halkaisijaltaan 75 metriä oleva peili – pinta-ala ja kerätty valo olisivat 100 kertaa suurempia kuin jälkimmäinen. .James Webb -teleskooppi.
Tämä on unelma, ja sen toteuttaminen kestää kauan.Mutta NASA ottaa sen vakavasti.Yhdessä Balabanin johtaman NASAn Amesin tutkimuskeskuksen insinöörien ja tutkijoiden kanssa tekniikkaa kokeillaan ensimmäistä kertaa.
Joulukuun lopussa Bercovicin laboratorioryhmän kehittämä järjestelmä lähetetään kansainväliselle avaruusasemalle, jossa suoritetaan sarja kokeita, joiden avulla astronautit voivat valmistaa ja parantaa linssejä avaruudessa.Sitä ennen Floridassa tehdään viikonloppuna kokeita, joissa testataan mahdollisuutta tuottaa korkealaatuisia linssejä mikrogravitaatiolla ilman kelluvan nesteen tarvetta.
Fluid Telescope Experiment (FLUTE) suoritettiin painovoimaltaan vähäisellä lentokoneella – kaikki tämän lentokoneen istuimet poistettiin astronauttien kouluttamista ja elokuvien nollapainokohtausten kuvaamista varten.Ohjailemalla antiparaabelin muodossa nousevana ja sitten vapaasti putoavana ilma-alukseen luodaan lyhyeksi ajaksi mikrogravatiivisia olosuhteita."Sitä kutsutaan hyvästä syystä oksennuskomeetiksi", Berkovic sanoi hymyillen.Vapaa pudotus kestää noin 20 sekuntia, jolloin lentokoneen painovoima on lähellä nollaa.Tänä aikana tutkijat yrittävät valmistaa nestemäisen linssin ja tehdä mittauksia osoittaakseen, että linssin laatu on riittävän hyvä, sitten tasosta tulee suora, painovoima palautuu täysin ja linssistä tulee lätäkkö.
Kokeilu on suunniteltu kahdelle lentolle torstaina ja perjantaina, kummallakin 30 paraabelilla.Bercovici ja useimmat laboratorioryhmän jäsenet, mukaan lukien Elgarisi ja Luria, sekä Frumkin Massachusetts Institute of Technologysta ovat paikalla.
Vierailullani Technion-laboratoriossa jännitys oli valtava.Lattialla on 60 pahvilaatikkoa, joissa on 60 itsetehtyä pientä testipakkausta.Luria tekee viime hetken parannuksia tietokoneistettuun kokeelliseen järjestelmään, jonka hän kehitti mittaamaan objektiivin suorituskykyä.
Samaan aikaan tiimi tekee ajoitusharjoituksia ennen kriittisiä hetkiä.Yksi joukkue seisoi paikallaan sekuntikellolla, ja muilla oli 20 sekuntia aikaa ampua.Itse lentokoneessa olosuhteet ovat vieläkin huonommat, varsinkin useiden vapaan pudotuksen ja nousun jälkeen lisääntyneen painovoiman vaikutuksesta.
Se ei ole vain Technion-tiimi, joka on innostunut.NASAn Flute Experimentin johtava tutkija Baraban kertoi Haaretzille: "Nestemuotoilumenetelmä voi johtaa tehokkaisiin avaruusteleskoopeihin, joiden aukot ovat kymmeniä tai jopa satoja metrejä.Tällaiset teleskoopit voivat esimerkiksi tarkkailla suoraan muiden tähtien ympäristöä.Planeetta, mahdollistaa sen ilmakehän korkearesoluutioisen analyysin ja voi jopa tunnistaa laajamittaisia pinnan piirteitä.Tämä menetelmä voi johtaa myös muihin avaruussovelluksiin, kuten korkealaatuisiin optisiin komponentteihin energian keräämiseen ja siirtoon, tieteellisiin instrumentteihin ja lääketieteellisiin laitteisiin Avaruusvalmistus, jolla on siten tärkeä rooli nousevassa avaruustaloudessa.
Vähän ennen lentokoneeseen nousemista ja elämänsä seikkailun aloittamista Berkovic pysähtyi hetkeksi hämmästyneenä."Kysyn jatkuvasti itseltäni, miksi kukaan ei ajatellut tätä aiemmin", hän sanoi."Joka kerta kun menen konferenssiin, pelkään, että joku nousee ylös ja sanoo, että jotkut venäläiset tutkijat tekivät tämän 60 vuotta sitten.Loppujen lopuksi se on niin yksinkertainen menetelmä."
Postitusaika: 21.12.2021