Prof. Moran Bercovici og Dr. Valeri Frumkin har udviklet billig teknologi til fremstilling af optiske linser, og det er muligt at producere briller til mange udviklingslande, hvor briller ikke er tilgængelige.Nu siger NASA, at det kan bruges til at lave rumteleskoper
Videnskaben går som regel frem med små skridt.Et lille stykke information tilføjes til hvert nyt eksperiment.Det er sjældent, at en simpel idé, der dukker op i en videnskabsmands hjerne, fører til et stort gennembrud uden at bruge nogen teknologi.Men dette er, hvad der skete med to israelske ingeniører, der udviklede en ny metode til fremstilling af optiske linser.
Systemet er enkelt, billigt og præcist og kan have en enorm indflydelse på op til en tredjedel af verdens befolkning.Det kan også ændre rumforskningens ansigt.For at designe det behøver forskerne kun en hvid tavle, en tusch, et viskelæder og lidt held.
Professor Moran Bercovici og Dr. Valeri Frumkin fra Mechanical Engineering Department ved Technion-Israel Institute of Technology i Haifa har specialiseret sig i væskemekanik, ikke optik.Men for halvandet år siden, på World Laureate Forum i Shanghai, sad Berkovic tilfældigvis sammen med David Ziberman, en israelsk økonom.
Zilberman er en Wolf Prize-vinder, og nu på University of California, Berkeley, fortalte han om sin forskning i udviklingslande.Bercovici beskrev sit flydende eksperiment.Så stillede Ziberman et simpelt spørgsmål: "Kan du bruge dette til at lave briller?"
"Når du tænker på udviklingslande, tænker du normalt på malaria, krig, sult," sagde Berkovic."Men Ziberman sagde noget, jeg slet ikke ved - 2,5 milliarder mennesker i verden har brug for briller, men kan ikke få dem.Det er et fantastisk tal."
Bercovici vendte hjem og fandt ud af, at en rapport fra World Economic Forum bekræftede dette tal.Selvom det kun koster et par kroner at lave et par simple briller, bliver billige briller hverken fremstillet eller solgt i det meste af verden.
Påvirkningen er enorm, lige fra børn, der ikke kan se tavlen i skolen, til voksne, hvis syn forringes så meget, at de mister deres arbejde.Ud over at skade folks livskvalitet anslås omkostningerne ved den globale økonomi til at være så høje som 3 billioner USD om året.
Efter samtalen kunne Berkovic ikke sove om natten.Da han ankom til Technion, diskuterede han dette spørgsmål med Frumkin, som på det tidspunkt var postdoktor i sit laboratorium.
"Vi tegnede et skud på tavlen og så på det," huskede han."Vi ved instinktivt, at vi ikke kan skabe denne form med vores væskekontrolteknologi, og vi vil gerne finde ud af hvorfor."
Den sfæriske form er grundlaget for optikken, fordi linsen er lavet af dem.I teorien vidste Bercovici og Frumkin, at de kunne lave en rund kuppel af en polymer (en væske, der var størknet) for at lave en linse.Men væsker kan kun forblive sfæriske i små mængder.Når de er større, vil tyngdekraften klemme dem til vandpytter.
"Så det, vi skal gøre, er at slippe af med tyngdekraften," forklarede Bercovici.Og det er præcis, hvad han og Frumkin gjorde.Efter at have studeret deres whiteboard kom Frumkin med en meget simpel idé, men det er ikke klart, hvorfor ingen havde tænkt på det før - hvis linsen placeres i et væskekammer, kan tyngdekraftens virkning elimineres.Alt du skal gøre er at sikre dig, at væsken i kammeret (kaldet flydende væske) har samme densitet som den polymer, som linsen er lavet af, og så vil polymeren flyde.
En anden vigtig ting er at bruge to ikke-blandbare væsker, hvilket betyder, at de ikke blandes med hinanden, såsom olie og vand."De fleste polymerer er mere som olier, så vores 'singular' flydende væske er vand," sagde Bercovici.
Men fordi vand har en lavere densitet end polymerer, skal dens massefylde øges en smule, så polymeren vil flyde.Til dette formål brugte forskerne også mindre eksotiske materialer - salt, sukker eller glycerin.Bercovici sagde, at den sidste komponent i processen er en stiv ramme, hvori polymeren sprøjtes ind, så dens form kan kontrolleres.
Når polymeren når sin endelige form, hærdes den ved hjælp af ultraviolet stråling og bliver en fast linse.Til at lave rammen brugte forskerne et simpelt spildevandsrør, skåret i en ring, eller en petriskål skåret fra bunden."Ethvert barn kan lave dem derhjemme, og mine døtre og jeg lavede nogle derhjemme," sagde Bercovici.”Vi har gennem årene lavet en masse ting i laboratoriet, hvoraf nogle er meget komplicerede, men der er ingen tvivl om, at det er det enkleste og nemmeste, vi har gjort.Måske det vigtigste."
Frumkin lavede sit første skud samme dag, som han tænkte på løsningen."Han sendte mig et billede på WhatsApp," huskede Berkovic."Set i bakspejlet var dette et meget lille og grimt objektiv, men vi var meget glade."Frumkin fortsatte med at studere denne nye opfindelse.”Ligningen viser, at når først du fjerner tyngdekraften, er det lige meget, om rammen er en centimeter eller en kilometer;afhængig af mængden af materiale vil du altid få den samme form.”
De to forskere fortsatte med at eksperimentere med andengenerations hemmelige ingrediens, moppespanden, og brugte den til at lave en linse med en diameter på 20 cm, der er velegnet til teleskoper.Prisen på linsen stiger eksponentielt med diameteren, men med denne nye metode, uanset størrelse, er alt hvad du behøver billig polymer, vand, salt (eller glycerin) og en ringform.
Ingredienslisten markerer et stort skift i traditionelle linsefremstillingsmetoder, der har været næsten uændrede i 300 år.I den indledende fase af den traditionelle proces slibes en glas- eller plastplade mekanisk.For eksempel ved fremstilling af brilleglas går omkring 80 % af materialet til spilde.Ved hjælp af metoden designet af Bercovici og Frumkin sprøjtes der i stedet for at male faste materialer væske ind i rammen, så linsen kan fremstilles i en fuldstændig spildfri proces.Denne metode kræver heller ikke polering, fordi væskens overfladespænding kan sikre en ekstrem glat overflade.
Haaretz besøgte Technions laboratorium, hvor ph.d.-studerende Mor Elgarisi demonstrerede processen.Han sprøjtede polymer ind i en ring i et lille væskekammer, bestrålede den med en UV-lampe og rakte mig et par operationshandsker to minutter senere.Jeg dyppede meget forsigtigt min hånd i vandet og trak linsen ud."Det er det, behandlingen er slut," råbte Berkovic.
Linserne er absolut glatte at røre ved.Dette er ikke kun en subjektiv følelse: Bercovici siger, at selv uden polering er overfladeruheden af en linse fremstillet ved hjælp af en polymermetode mindre end en nanometer (en milliardtedel af en meter)."Naturens kræfter skaber ekstraordinære kvaliteter på egen hånd, og de er frie," sagde han.Derimod er optisk glas poleret til 100 nanometer, mens spejlene på NASAs flagskib James Webb Space Telescope er poleret til 20 nanometer.
Men ikke alle tror, at denne elegante metode vil være redningen for milliarder af mennesker rundt om i verden.Professor Ady Arie fra Tel Aviv University's School of Electrical Engineering påpegede, at Bercovici og Frumkins metode kræver en cirkulær form, som flydende polymer sprøjtes ind i, selve polymeren og en ultraviolet lampe.
"Disse er ikke tilgængelige i indiske landsbyer," påpegede han.Et andet spørgsmål rejst af SPO Precision Optics grundlægger og vicepræsident for R&D Niv Adut og virksomhedens chefforsker Dr. Doron Sturlesi (begge bekendt med Bercovicis arbejde) er, at udskiftning af slibningsprocessen med plaststøbegods vil gøre det vanskeligt at tilpasse linsen til behov.Dens folk.
Berkovic gik ikke i panik."Kritik er en grundlæggende del af videnskaben, og vores hurtige udvikling i det seneste år skyldes i høj grad, at eksperter har skubbet os til hjørnet," sagde han.Med hensyn til gennemførligheden af fremstilling i fjerntliggende områder tilføjede han: "Den infrastruktur, der kræves for at fremstille glas ved hjælp af traditionelle metoder, er enorm;du har brug for fabrikker, maskiner og teknikere, og vi har kun brug for den minimale infrastruktur."
Bercovici viste os to ultraviolette strålingslamper i sit laboratorium: "Denne er fra Amazon og koster $4, og den anden er fra AliExpress og koster $1,70.Hvis du ikke har dem, kan du altid bruge Sunshine,” forklarede han.Hvad med polymerer?"En 250 ml flaske sælges for 16 $ på Amazon.Den gennemsnitlige linse kræver 5 til 10 ml, så prisen på polymeren er heller ikke en reel faktor."
Han understregede, at hans metode ikke kræver brug af unikke forme for hvert linsenummer, som kritikere hævder.En simpel form er egnet til hvert linsenummer, forklarede han: "Forskellen er mængden af polymer, der indsprøjtes, og for at lave en cylinder til glassene er det eneste, der kræves, at strække formen en lille smule."
Bercovici sagde, at den eneste dyre del af processen er automatiseringen af polymerinjektion, som skal udføres præcist i henhold til antallet af nødvendige linser.
"Vores drøm er at få indflydelse i landet med de færreste ressourcer," sagde Bercovici.Selvom billige briller kan bringes til fattige landsbyer - selvom dette ikke er blevet gennemført - er hans plan meget større."Ligesom det berømte ordsprog, jeg vil ikke give dem fisk, jeg vil lære dem at fiske.På denne måde vil folk være i stand til at lave deres egne briller,” sagde han."Vil det lykkes?Kun tiden vil give svaret."
Bercovici og Frumkin beskrev denne proces i en artikel for omkring seks måneder siden i den første udgave af Flow, et tidsskrift for fluidmekanikapplikationer udgivet af University of Cambridge.Men holdet har ikke til hensigt at blive på simple optiske linser.Et andet papir offentliggjort i magasinet Optica for et par uger siden beskrev en ny metode til fremstilling af komplekse optiske komponenter inden for friformsoptik.Disse optiske komponenter er hverken konvekse eller konkave, men er støbt til en topografisk overflade, og lys bestråles til overfladen af forskellige områder for at opnå den ønskede effekt.Disse komponenter kan findes i multifokale briller, pilothjelme, avancerede projektorsystemer, virtuelle og augmented reality-systemer og andre steder.
Fremstilling af friformskomponenter ved hjælp af bæredygtige metoder er kompliceret og dyrt, fordi det er svært at slibe og polere deres overflade.Derfor har disse komponenter i øjeblikket begrænset anvendelse."Der har været akademiske publikationer om mulige anvendelser af sådanne overflader, men dette er endnu ikke blevet afspejlet i praktiske anvendelser," forklarede Bercovici.I dette nye papir viste laboratorieholdet ledet af Elgarisi, hvordan man kontrollerer overfladeformen, der skabes, når polymervæske injiceres ved at kontrollere rammens form.Rammen kan laves ved hjælp af en 3D-printer."Vi gør ikke ting med en moppespand længere, men det er stadig meget enkelt," sagde Bercovici.
Omer Luria, en forskningsingeniør ved laboratoriet, påpegede, at denne nye teknologi hurtigt kan producere særligt glatte linser med unikt terræn."Vi håber, at det kan reducere omkostningerne og produktionstiden for komplekse optiske komponenter betydeligt," sagde han.
Professor Arie er en af Opticas redaktører, men deltog ikke i gennemgangen af artiklen."Dette er et meget godt stykke arbejde," sagde Ali om forskningen."For at producere asfæriske optiske overflader bruger nuværende metoder forme eller 3D-print, men begge metoder er svære at skabe tilstrækkeligt glatte og store overflader inden for en rimelig tidsramme."Arie mener, at den nye metode vil være med til at skabe frihed Prototype af formelle komponenter."Til industriel produktion af et stort antal dele er det bedst at forberede forme, men for hurtigt at teste nye ideer er dette en interessant og elegant metode," sagde han.
SPO er en af Israels førende virksomheder inden for friformede overflader.Ifølge Adut og Sturlesi har den nye metode fordele og ulemper.De siger, at brugen af plast begrænser mulighederne, fordi de ikke er holdbare ved ekstreme temperaturer, og deres evne til at opnå tilstrækkelig kvalitet i hele farveområdet er begrænset.Med hensyn til fordelene påpegede de, at teknologien har potentiale til at reducere produktionsomkostningerne for komplekse plastiklinser, som bruges i alle mobiltelefoner, markant.
Adut og Sturlesi tilføjede, at med traditionelle fremstillingsmetoder er diameteren af plastlinser begrænset, fordi jo større de er, jo mindre præcise bliver de.De sagde, at ifølge Bercovicis metode kan fremstilling af linser i væske forhindre forvrængning, hvilket kan skabe meget kraftige optiske komponenter - hvad enten det er inden for sfæriske linser eller friformslinser.
Technion-teamets mest uventede projekt var at vælge at producere en stor linse.Her startede det hele med en tilfældig samtale og et naivt spørgsmål."Det hele handler om mennesker," sagde Berkovic.Da han spurgte Berkovic, fortalte han Dr. Edward Baraban, en NASA-forsker, at han kendte sit projekt på Stanford University, og han kendte ham på Stanford University: "Du tror, du kan Laver du sådan en linse til et rumteleskop ?”
"Det lød som en skør idé," huskede Berkovic, "men det var dybt indprentet i mit sind."Efter at laboratorietesten var gennemført med succes, indså israelske forskere, at metoden kunne bruges i Den fungerer på samme måde i rummet.Du kan trods alt opnå mikrogravitationsforhold der uden behov for flydende væsker."Jeg ringede til Edward, og jeg fortalte ham, det virker!"
Rumteleskoper har store fordele i forhold til jordbaserede teleskoper, fordi de ikke er påvirket af atmosfærisk eller lysforurening.Det største problem med udviklingen af rumteleskoper er, at deres størrelse er begrænset af løfterakettens størrelse.På Jorden har teleskoper i øjeblikket en diameter på op til 40 meter.Hubble-rumteleskopet har et spejl på 2,4 meter i diameter, mens James Webb-teleskopet har et spejl på 6,5 meter i diameter - det tog forskerne 25 år at opnå denne præstation, og den kostede 9 milliarder amerikanske dollars, delvist fordi et system skal være udviklet, der kan affyre teleskopet i en foldet position og derefter automatisk åbne det i rummet.
På den anden side er Liquid allerede i en "foldet" tilstand.For eksempel kan du fylde senderen med flydende metal, tilføje en injektionsmekanisme og ekspansionsring og derefter lave et spejl i rummet."Dette er en illusion," indrømmede Berkovic."Min mor spurgte mig," Hvornår vil du være klar?Jeg sagde til hende: 'Måske om cirka 20 år.Hun sagde, at hun ikke havde tid til at vente."
Hvis denne drøm går i opfyldelse, kan det ændre fremtiden for rumforskning.I dag påpegede Berkovic, at mennesker ikke har mulighed for direkte at observere exoplaneter - planeter uden for solsystemet, fordi det kræver et jordteleskop 10 gange større end eksisterende teleskoper - hvilket er fuldstændig umuligt med eksisterende teknologi.
På den anden side tilføjede Bercovici, at Falcon Heavy, i øjeblikket den største rumfartsraket SpaceX, kan bære 20 kubikmeter væske.Han forklarede, at i teorien kunne Falcon Heavy bruges til at sende en væske til et kredsløbspunkt, hvor væsken kunne bruges til at lave et spejl med en diameter på 75 meter - overfladearealet og det opsamlede lys ville være 100 gange større end sidstnævnte. .James Webb teleskop.
Dette er en drøm, og det vil tage lang tid at realisere den.Men NASA tager det alvorligt.Sammen med et hold af ingeniører og videnskabsmænd fra NASAs Ames Research Center, ledet af Balaban, bliver teknologien afprøvet for første gang.
I slutningen af december vil et system udviklet af Bercovici laboratoriehold blive sendt til den internationale rumstation, hvor en række eksperimenter vil blive udført for at gøre det muligt for astronauter at fremstille og helbrede linser i rummet.Inden da vil der blive udført eksperimenter i Florida denne weekend for at teste muligheden for at producere linser af høj kvalitet under mikrogravitation uden behov for nogen flydende væske.
Fluid Telescope Experiment (FLUTE) blev udført på et fly med reduceret tyngdekraft - alle sæder i dette fly blev fjernet for at træne astronauter og optage scener med nul-tyngdekraft i film.Ved at manøvrere i form af en antiparabel skabes der opadgående og derefter frit faldende mikrotyngdekraftsforhold i flyet i en kort periode."Det kaldes en 'brækkomet' med god grund," sagde Berkovic med et smil.Det frie fald varer i cirka 20 sekunder, hvor tyngdekraften af flyet er tæt på nul.I denne periode vil forskerne forsøge at lave en flydende linse og lave målinger for at bevise, at kvaliteten af linsen er god nok, så bliver flyet lige, tyngdekraften er fuldt genoprettet, og linsen bliver til en vandpyt.
Forsøget er planlagt til to flyvninger torsdag og fredag, hver med 30 parabler.Bercovici og de fleste medlemmer af laboratorieholdet, herunder Elgarisi og Luria, og Frumkin fra Massachusetts Institute of Technology vil være til stede.
Under mit besøg på Technion-laboratoriet var spændingen overvældende.På gulvet står der 60 papkasser, som indeholder 60 selvfremstillede små kits til eksperimenter.Luria laver sidste øjebliks forbedringer af det computeriserede eksperimentelle system, han udviklede til at måle linsens ydeevne.
Samtidig gennemfører holdet timingøvelser før kritiske øjeblikke.Et hold stod der med et stopur, og de andre havde 20 sekunder til at lave et skud.På selve flyet vil forholdene være endnu værre, især efter flere frie fald og opadgående løft under øget tyngdekraft.
Det er ikke kun Technion-holdet, der er begejstrede.Baraban, lederen af NASA's fløjteeksperiment, fortalte Haaretz: "Væskeformningsmetoden kan resultere i kraftige rumteleskoper med åbninger på ti eller endda hundreder af meter.For eksempel kan sådanne teleskoper direkte observere andre stjerners omgivelser.Planet, letter højopløsningsanalyse af dens atmosfære og kan endda identificere store overfladeegenskaber.Denne metode kan også føre til andre rumapplikationer, såsom optiske komponenter af høj kvalitet til energihøst og -transmission, videnskabelige instrumenter og medicinsk udstyr Rumproduktion - og dermed spille en vigtig rolle i den nye rumøkonomi."
Kort før han gik ombord på flyet og begav sig ud på sit livs eventyr, holdt Berkovic en overraskelse et øjeblik på pause."Jeg bliver ved med at spørge mig selv, hvorfor ingen har tænkt på det her før," sagde han.»Hver gang jeg tager til en konference, er jeg bange for, at nogen vil stå frem og sige, at nogle russiske forskere gjorde det her for 60 år siden.Det er trods alt sådan en simpel metode.”
Indlægstid: 21. december 2021