Prof. Morans Bercovici un Dr. Valeri Frumkin ir izstrādājuši lētu tehnoloģiju optisko lēcu ražošanai, un ir iespējams ražot brilles daudzām jaunattīstības valstīm, kur brilles nav pieejamas.Tagad NASA saka, ka to var izmantot kosmosa teleskopu izgatavošanai
Zinātne parasti virzās uz priekšu mazos soļos.Katram jaunam eksperimentam tiek pievienota neliela informācija.Reti kad vienkārša ideja, kas parādās zinātnieka smadzenēs, noved pie liela izrāviena, neizmantojot nekādas tehnoloģijas.Bet tas notika ar diviem Izraēlas inženieriem, kuri izstrādāja jaunu optisko lēcu ražošanas metodi.
Sistēma ir vienkārša, lēta un precīza, un tai varētu būt milzīga ietekme uz līdz pat vienu trešdaļu pasaules iedzīvotāju.Tas var arī mainīt kosmosa izpētes seju.Lai to izstrādātu, pētniekiem ir nepieciešama tikai balta tāfele, marķieris, dzēšgumija un nedaudz veiksmes.
Profesors Morans Bercovici un Dr. Valeri Frumkin no Technion-Israel Tehnoloģiju institūta Mašīnbūves nodaļas Haifā specializējas šķidrumu mehānikā, nevis optikā.Taču pirms pusotra gada Pasaules laureātu forumā Šanhajā Berkovičam gadījās sēdēt kopā ar Izraēlas ekonomistu Deividu Zībermanu.
Zilbermans ir Vilka balvas ieguvējs, un tagad Kalifornijas Universitātē Bērklijā viņš stāstīja par saviem pētījumiem jaunattīstības valstīs.Berkoviči aprakstīja savu šķidruma eksperimentu.Tad Zībermans uzdeva vienkāršu jautājumu: "Vai jūs varat to izmantot, lai izgatavotu brilles?"
"Kad jūs domājat par jaunattīstības valstīm, jūs parasti domājat par malāriju, karu, badu," sacīja Berkovičs."Bet Zibermans teica kaut ko tādu, ko es vispār nezinu — 2,5 miljardiem cilvēku pasaulē ir vajadzīgas brilles, bet viņi nevar tās dabūt.Tas ir pārsteidzošs skaitlis. ”
Berkoviči atgriezās mājās un atklāja, ka Pasaules ekonomikas foruma ziņojums apstiprināja šo skaitli.Lai gan vienkārša brilles izgatavošana maksā tikai dažus dolārus, lētas brilles lielākajā daļā pasaules netiek ne ražotas, ne pārdotas.
Ietekme ir milzīga, sākot no bērniem, kuri skolā neredz tāfeli, līdz pieaugušajiem, kuriem redze pasliktinās tik ļoti, ka viņi zaudē darbu.Tiek lēsts, ka globālās ekonomikas izmaksas ne tikai kaitē cilvēku dzīves kvalitātei, bet arī sasniedz 3 triljonus ASV dolāru gadā.
Pēc sarunas Berkovičs naktī nevarēja aizmigt.Kad viņš ieradās Technionā, viņš apsprieda šo jautājumu ar Frumkinu, kurš tajā laikā bija pēcdoktorantūras pētnieks savā laboratorijā.
"Mēs uzzīmējām kadru uz tāfeles un paskatījāmies uz to," viņš atcerējās."Mēs instinktīvi zinām, ka nevaram izveidot šo formu ar mūsu šķidruma kontroles tehnoloģiju, un mēs vēlamies noskaidrot, kāpēc."
Sfēriskā forma ir optikas pamatā, jo no tām ir izgatavots objektīvs.Teorētiski Berkoviči un Frumkins zināja, ka viņi var izgatavot apaļu kupolu no polimēra (šķidruma, kas bija sacietējis), lai izveidotu objektīvu.Bet šķidrumi var palikt sfēriski tikai nelielos daudzumos.Kad tie ir lielāki, gravitācija tos saspiedīs peļķēs.
"Tāpēc mums ir jāatbrīvojas no gravitācijas," paskaidroja Berkoviči.Un tieši to viņš un Frumkins darīja.Izpētījis viņu tāfeli, Frumkinam radās ļoti vienkārša ideja, taču nav skaidrs, kāpēc neviens par to nebija iedomājies iepriekš – ja objektīvu ievieto šķidruma kamerā, gravitācijas efektu var novērst.Viss, kas jums jādara, ir pārliecināties, ka šķidrumam kamerā (sauktam par peldošo šķidrumu) ir tāds pats blīvums kā polimēram, no kura izgatavots objektīvs, un tad polimērs peldēs.
Vēl viena svarīga lieta ir izmantot divus nesajaucamus šķidrumus, kas nozīmē, ka tie nesajauksies viens ar otru, piemēram, eļļu un ūdeni."Lielākā daļa polimēru vairāk līdzinās eļļām, tāpēc mūsu "vienreizējais" peldošais šķidrums ir ūdens," sacīja Berkoviči.
Bet, tā kā ūdenim ir mazāks blīvums nekā polimēriem, tā blīvums ir nedaudz jāpalielina, lai polimērs peldētu.Šim nolūkam pētnieki izmantoja arī mazāk eksotiskus materiālus - sāli, cukuru vai glicerīnu.Berkoviči sacīja, ka procesa pēdējā sastāvdaļa ir stingrs rāmis, kurā tiek ievadīts polimērs, lai varētu kontrolēt tā formu.
Kad polimērs sasniedz galīgo formu, tas tiek cietināts, izmantojot ultravioleto starojumu, un kļūst par cietu lēcu.Lai izgatavotu rāmi, pētnieki izmantoja vienkāršu notekūdeņu cauruli, kas sagriezta gredzenā, vai Petri trauciņu, kas izgriezts no apakšas."Jebkurš bērns tos var pagatavot mājās, un mēs ar meitām dažus pagatavojām mājās," sacīja Berkoviči.“Gadu gaitā laboratorijā esam veikuši daudzas lietas, no kurām dažas ir ļoti sarežģītas, taču nav šaubu, ka šī ir vienkāršākā un vienkāršākā lieta, ko esam paveikuši.Varbūt vissvarīgākais. ”
Frumkins radīja savu pirmo kadru tajā pašā dienā, kad domāja par risinājumu."Viņš man atsūtīja fotoattēlu vietnē WhatsApp," atcerējās Berkovičs."Retrospektīvi skatoties, šis bija ļoti mazs un neglīts objektīvs, taču mēs bijām ļoti priecīgi."Frumkins turpināja pētīt šo jauno izgudrojumu.“Vienādojums parāda, ka pēc gravitācijas noņemšanas nav nozīmes tam, vai rāmis ir viens centimetrs vai viens kilometrs;atkarībā no materiāla daudzuma jūs vienmēr iegūsit tādu pašu formu.
Abi pētnieki turpināja eksperimentēt ar otrās paaudzes slepeno sastāvdaļu, mopu spaini, un izmantoja to, lai izveidotu objektīvu ar 20 cm diametru, kas ir piemērots teleskopiem.Lēcas izmaksas pieaug eksponenciāli līdz ar diametru, taču ar šo jauno metodi neatkarīgi no izmēra viss, kas jums nepieciešams, ir lēts polimērs, ūdens, sāls (vai glicerīns) un gredzena veidne.
Sastāvdaļu saraksts iezīmē milzīgas izmaiņas tradicionālajās lēcu ražošanas metodēs, kas ir palikušas gandrīz nemainīgas 300 gadus.Tradicionālā procesa sākumposmā stikla vai plastmasas plāksne tiek mehāniski slīpēta.Piemēram, ražojot briļļu lēcas, aptuveni 80% materiāla tiek izšķiesti.Izmantojot Bercovici un Frumkin izstrādāto metodi, cieto materiālu slīpēšanas vietā rāmī tiek ievadīts šķidrums, lai objektīvu varētu izgatavot pilnīgi bez atkritumiem.Šī metode arī neprasa pulēšanu, jo šķidruma virsmas spraigums var nodrošināt īpaši gludu virsmu.
Haaretz apmeklēja Technion laboratoriju, kur doktorants Mors Elgarisi demonstrēja procesu.Viņš injicēja polimēru gredzenā nelielā šķidruma kamerā, apstaroja to ar UV lampu un pēc divām minūtēm man iedeva ķirurģisko cimdu pāri.Es ļoti uzmanīgi iemērcu roku ūdenī un izvilku objektīvu."Tas ir viss, apstrāde ir beigusies," kliedza Berkovičs.
Lēcas ir absolūti gludas uz pieskārienu.Tā nav tikai subjektīva sajūta: Berkoviči saka, ka pat bez pulēšanas ar polimēru metodi izgatavotas lēcas virsmas raupjums ir mazāks par vienu nanometru (viena miljardā daļa no metra)."Dabas spēki paši rada neparastas īpašības, un tie ir brīvi," viņš teica.Turpretim optiskais stikls ir pulēts līdz 100 nanometriem, bet NASA vadošā Džeimsa Veba kosmiskā teleskopa spoguļi ir pulēti līdz 20 nanometriem.
Taču ne visi tic, ka šī elegantā metode būs glābējs miljardiem cilvēku visā pasaulē.Profesors Ady Arie no Telavivas Universitātes Elektrotehnikas skolas norādīja, ka Berkoviči un Frumkina metodei nepieciešama apļveida veidne, kurā tiek ievadīts šķidrs polimērs, pats polimērs un ultravioletā lampa.
"Tie nav pieejami Indijas ciemos," viņš norādīja.Vēl viens jautājums, ko izvirzīja SPO Precision Optics dibinātājs un R&D viceprezidents Niv Adut un uzņēmuma galvenais zinātnieks Dr. Dorons Sturlesi (abi ir pazīstami ar Berkoviči darbu), ir tas, ka slīpēšanas procesa aizstāšana ar plastmasas lējumiem apgrūtinās objektīva pielāgošanu vajadzībām.Tās cilvēki.
Berkovičs nekrita panikā."Kritika ir zinātnes fundamentāla sastāvdaļa, un mūsu straujā attīstība pēdējā gada laikā lielā mērā ir saistīta ar to, ka eksperti mūs ir nospieduši stūrī," viņš teica.Runājot par ražošanas iespējamību attālos apgabalos, viņš piebilda: “Infrastruktūra, kas nepieciešama, lai ražotu brilles, izmantojot tradicionālās metodes, ir milzīga;jums ir vajadzīgas rūpnīcas, iekārtas un tehniķi, un mums ir nepieciešama tikai minimālā infrastruktūra.
Berkoviči mums parādīja divas ultravioletā starojuma lampas savā laboratorijā: “Šī ir no Amazon un maksā 4 USD, bet otra ir no AliExpress un maksā 1,70 USD.Ja jums to nav, jūs vienmēr varat izmantot Sunshine,” viņš paskaidroja.Kā ar polimēriem?"250 ml pudele Amazon pārdod par 16 USD.Vidējam objektīvam ir nepieciešami 5 līdz 10 ml, tāpēc arī polimēra izmaksas nav reāls faktors.
Viņš uzsvēra, ka viņa metode neprasa izmantot unikālas veidnes katram objektīva numuram, kā to apgalvo kritiķi.Katram objektīva numuram ir piemērota vienkārša veidne, viņš skaidroja: "Atšķirība ir iesmidzinātā polimēra daudzumā, un, lai izveidotu brillēm cilindru, ir nepieciešams tikai nedaudz izstiept veidni."
Berkoviči sacīja, ka vienīgā dārgā procesa daļa ir polimēru iesmidzināšanas automatizācija, kas jāveic precīzi atbilstoši nepieciešamo lēcu skaitam.
"Mūsu sapnis ir ietekmēt valsti ar vismazākajiem resursiem," sacīja Berkoviči.Lai gan lētas glāzes var atvest uz nabadzīgiem ciemiem-lai gan tas nav pabeigts-viņa plāns ir daudz lielāks.“Tāpat kā tas slavenais sakāmvārds, es negribu viņiem dot zivis, es vēlos iemācīt viņiem makšķerēt.Tādā veidā cilvēki paši varēs izgatavot brilles,” viņš teica.“Vai tas izdosies?Tikai laiks sniegs atbildi."
Bercovici un Frumkin aprakstīja šo procesu rakstā apmēram pirms sešiem mēnešiem Kembridžas Universitātes publicētā šķidruma mehānikas lietojumu žurnāla Flow pirmajā izdevumā.Taču komanda neplāno palikt pie vienkāršām optiskām lēcām.Citā rakstā, kas pirms dažām nedēļām publicēts žurnālā Optica, tika aprakstīta jauna metode sarežģītu optisko komponentu ražošanai brīvas formas optikas jomā.Šie optiskie komponenti nav ne izliekti, ne ieliekti, bet ir veidoti topogrāfiskā virsmā, un gaisma tiek apstarota uz dažādu apgabalu virsmu, lai sasniegtu vēlamo efektu.Šīs sastāvdaļas var atrast multifokālos brillēs, pilota ķiverēs, uzlabotās projektoru sistēmās, virtuālās un paplašinātās realitātes sistēmās un citās vietās.
Brīvas formas detaļu izgatavošana, izmantojot ilgtspējīgas metodes, ir sarežģīta un dārga, jo to virsmas laukumu ir grūti slīpēt un pulēt.Tādēļ šiem komponentiem pašlaik ir ierobežots lietojums."Ir bijušas akadēmiskas publikācijas par šādu virsmu iespējamo izmantošanu, taču tas vēl nav atspoguļots praktiskajā pielietojumā," skaidroja Berkoviči.Šajā jaunajā rakstā Elgarisi vadītā laboratorijas komanda parādīja, kā kontrolēt virsmas formu, kas rodas, injicējot polimēru šķidrumu, kontrolējot rāmja formu.Rāmi var izveidot, izmantojot 3D printeri."Mēs vairs nedarām lietas ar mopu spaini, taču tas joprojām ir ļoti vienkārši," sacīja Berkoviči.
Laboratorijas zinātniskais inženieris Omers Lurija norādīja, ka šī jaunā tehnoloģija var ātri iegūt īpaši gludas lēcas ar unikālu reljefu."Mēs ceram, ka tas var ievērojami samazināt sarežģītu optisko komponentu izmaksas un ražošanas laiku," viņš teica.
Profesors Ārijs ir viens no Optica redaktoriem, taču nepiedalījās raksta pārskatīšanā."Tas ir ļoti labs darbs," Ali teica par pētījumu."Lai ražotu asfēriskas optiskās virsmas, pašreizējās metodes izmanto veidnes vai 3D drukāšanu, taču abām metodēm ir grūti izveidot pietiekami gludas un lielas virsmas saprātīgā laika posmā."Arie uzskata, ka jaunā metode palīdzēs izveidot brīvību formālo komponentu prototipu."Liela detaļu daudzuma rūpnieciskai ražošanai vislabāk ir sagatavot veidnes, bet, lai ātri pārbaudītu jaunas idejas, šī ir interesanta un eleganta metode," viņš teica.
SPO ir viens no Izraēlas vadošajiem uzņēmumiem brīvas formas virsmu jomā.Pēc Aduta un Sturlesi domām, jaunajai metodei ir priekšrocības un trūkumi.Viņi saka, ka plastmasas izmantošana ierobežo iespējas, jo tās nav izturīgas ekstremālās temperatūrās un to spēja sasniegt pietiekamu kvalitāti visā krāsu diapazonā ir ierobežota.Runājot par priekšrocībām, viņi norādīja, ka tehnoloģijai ir potenciāls būtiski samazināt sarežģīto plastmasas lēcu ražošanas izmaksas, kas tiek izmantotas visos mobilajos tālruņos.
Aduts un Sturlesi piebilda, ka ar tradicionālajām ražošanas metodēm plastmasas lēcu diametrs ir ierobežots, jo jo lielākas tās ir, jo neprecīzākas tās kļūst.Viņi teica, ka saskaņā ar Bercovici metodi lēcu izgatavošana šķidrumā var novērst kropļojumus, kas var radīt ļoti jaudīgus optiskos komponentus neatkarīgi no tā, vai tas ir sfērisku lēcu vai brīvas formas lēcu jomā.
Visnegaidītākais Technion komandas projekts bija liela objektīva izvēle.Lūk, viss sākās ar nejaušu sarunu un naivu jautājumu."Tas viss ir par cilvēkiem," sacīja Berkovičs.Kad viņš jautāja Berkovičam, viņš NASA pētniekam doktoram Edvardam Barabanam sacīja, ka zina savu projektu Stenfordas universitātē un pazīst viņu Stenfordas universitātē: “Jūs domājat, ka varat vai jūs izgatavojat šādu objektīvu kosmosa teleskopam. ?”
"Tā izklausījās kā traka ideja," atcerējās Berkovičs, "bet tā bija dziļi iespiesta manā prātā."Pēc veiksmīgas laboratorijas pārbaudes pabeigšanas Izraēlas pētnieki saprata, ka šo metodi var izmantot arī kosmosā.Galu galā jūs varat sasniegt mikrogravitācijas apstākļus, neizmantojot peldošus šķidrumus."Es piezvanīju Edvardam un teicu, ka tas darbojas!"
Kosmosa teleskopiem ir lielas priekšrocības salīdzinājumā ar zemes teleskopiem, jo tos neietekmē atmosfēras vai gaismas piesārņojums.Kosmosa teleskopu izstrādes lielākā problēma ir tā, ka to izmēru ierobežo palaišanas iekārtas izmērs.Uz Zemes pašlaik teleskopu diametrs ir līdz 40 metriem.Habla kosmiskajam teleskopam ir 2,4 metru diametra spogulis, savukārt Džeimsa Veba teleskopam ir 6,5 metru diametra spogulis — zinātniekiem vajadzēja 25 gadus, lai sasniegtu šo sasniegumu, izmaksājot 9 miljardus ASV dolāru, daļēji tāpēc, ka A sistēmai ir jābūt izstrādāts, kas var palaist teleskopu salocītā stāvoklī un pēc tam automātiski atvērt to kosmosā.
No otras puses, šķidrums jau ir “salocītā” stāvoklī.Piemēram, jūs varat piepildīt raidītāju ar šķidru metālu, pievienot iesmidzināšanas mehānismu un izplešanās gredzenu un pēc tam izveidot spoguli telpā."Tā ir ilūzija," atzina Berkovičs."Mana māte man jautāja:" Kad tu būsi gatava?Es viņai teicu: "Varbūt pēc 20 gadiem.Viņa teica, ka viņai nebija laika gaidīt.
Ja šis sapnis piepildīsies, tas var mainīt kosmosa izpētes nākotni.Šodien Berkovičs norādīja, ka cilvēkiem nav iespēju tieši novērot eksoplanētas-planētas ārpus Saules sistēmas, jo, lai to izdarītu, ir nepieciešams Zemes teleskops, kas ir 10 reizes lielāks par esošajiem teleskopiem - kas ar esošajām tehnoloģijām ir pilnīgi neiespējami.
No otras puses, Berkoviči piebilda, ka Falcon Heavy, kas šobrīd ir lielākā kosmosa nesējraķete SpaceX, spēj pārvadāt 20 kubikmetrus šķidruma.Viņš paskaidroja, ka teorētiski Falcon Heavy varētu izmantot, lai palaistu šķidrumu uz orbitālo punktu, kur no šķidruma varētu izgatavot 75 metru diametra spoguli — virsmas laukums un savāktā gaisma būtu 100 reizes lielāka nekā pēdējā. .Džeimsa Veba teleskops.
Tas ir sapnis, un tā īstenošanai būs vajadzīgs ilgs laiks.Bet NASA to uztver nopietni.Kopā ar inženieru un zinātnieku komandu no NASA Eimsas pētniecības centra, kuru vada Balabans, šī tehnoloģija tiek izmēģināta pirmo reizi.
Decembra beigās Bercovici laboratorijas komandas izstrādātā sistēma tiks nosūtīta uz Starptautisko kosmosa staciju, kur tiks veikta virkne eksperimentu, lai astronauti varētu ražot un izārstēt lēcas kosmosā.Pirms tam šajā nedēļas nogalē Floridā tiks veikti eksperimenti, lai pārbaudītu iespējas ražot augstas kvalitātes lēcas mikrogravitācijas apstākļos, neizmantojot nekādu peldošu šķidrumu.
Fluid Telescope Experiment (FLUTE) tika veikts ar samazinātas gravitācijas lidmašīnu — visi šī gaisa kuģa sēdekļi tika noņemti, lai apmācītu astronautus un filmētu nulles gravitācijas ainas filmās.Manevrējot antiparabolas-augšupejošas un pēc tam brīvi krītošas formas, lidmašīnā uz īsu laiku tiek radīti mikrogravitācijas apstākļi."To sauc par" vemšanas komētu" pamatota iemesla dēļ," smaidot sacīja Berkovičs.Brīvais kritiens ilgst aptuveni 20 sekundes, kurā lidmašīnas gravitācija ir tuvu nullei.Šajā periodā pētnieki mēģinās izgatavot šķidru lēcu un veikt mērījumus, lai pierādītu, ka objektīva kvalitāte ir pietiekami laba, tad plakne kļūst taisna, gravitācija tiek pilnībā atjaunota un objektīvs kļūst par peļķi.
Eksperiments ir paredzēts divos lidojumos ceturtdien un piektdien, katrā ar 30 parabolām.Berkoviči un lielākā daļa laboratorijas komandas locekļu, tostarp Elgarisi un Lurija, un Frumkins no Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta.
Manas Technion laboratorijas apmeklējuma laikā satraukums bija milzīgs.Uz grīdas atrodas 60 kartona kastes, kurās ir 60 pašu gatavoti mazi komplekti eksperimentiem.Lurija veic pēdējos un pēdējā brīža uzlabojumus datorizētajā eksperimentālajā sistēmā, ko viņš izstrādāja objektīva veiktspējas mērīšanai.
Tajā pašā laikā komanda veic laika noteikšanas vingrinājumus pirms kritiskiem brīžiem.Viena komanda tur stāvēja ar hronometru, bet pārējām bija 20 sekundes, lai izpildītu šāvienu.Pašā lidmašīnā apstākļi būs vēl sliktāki, īpaši pēc vairākiem brīviem kritieniem un pacelšanās uz augšu paaugstinātas gravitācijas apstākļos.
Tā ir ne tikai Technion komanda, kas ir sajūsmā.Barabans, NASA flautas eksperimenta vadošais pētnieks, pastāstīja Haaretz: "Šķidruma veidošanas metode var radīt spēcīgus kosmosa teleskopus ar desmitiem vai pat simtiem metru atvērumiem.Piemēram, šādi teleskopi var tieši novērot citu zvaigžņu apkārtni.Planēta, atvieglo tās atmosfēras augstas izšķirtspējas analīzi un var pat noteikt liela mēroga virsmas pazīmes.Šī metode var radīt arī citus kosmosa lietojumus, piemēram, augstas kvalitātes optiskos komponentus enerģijas ieguvei un pārraidei, zinātniskus instrumentus un medicīnas iekārtas Kosmosa ražošanai, tādējādi spēlējot svarīgu lomu jaunajā kosmosa ekonomikā.
Neilgi pirms iekāpšanas lidmašīnā un došanās savā dzīves piedzīvojumā Berkovičs pārsteigumā uz brīdi apstājās."Es pastāvīgi jautāju sev, kāpēc neviens par to iepriekš nedomāja," viņš teica.“Katru reizi, kad es dodos uz konferenci, es baidos, ka kāds piecelsies un teiks, ka daži krievu pētnieki to darīja pirms 60 gadiem.Galu galā tā ir tik vienkārša metode.
Izlikšanas laiks: 21. decembris 2021