Prof. Moran Bercovici och Dr. Valeri Frumkin har utvecklat billig teknik för tillverkning av optiska linser, och det är möjligt att tillverka glasögon för många utvecklingsländer där glasögon inte finns tillgängliga.Nu säger NASA att det kan användas för att göra rymdteleskop
Vetenskapen går vanligtvis framåt i små steg.En liten bit information läggs till varje nytt experiment.Det är sällsynt att en enkel idé som dyker upp i hjärnan på en forskare leder till ett stort genombrott utan att använda någon teknik.Men detta är vad som hände med två israeliska ingenjörer som utvecklade en ny metod för att tillverka optiska linser.
Systemet är enkelt, billigt och korrekt och kan ha en enorm inverkan på upp till en tredjedel av världens befolkning.Det kan också förändra rymdforskningens ansikte.För att designa den behöver forskarna bara en vit tavla, en markör, ett sudd och lite tur.
Professor Moran Bercovici och Dr. Valeri Frumkin från Mechanical Engineering Department vid Technion-Israel Institute of Technology i Haifa är specialiserade på vätskemekanik, inte optik.Men för ett och ett halvt år sedan, vid World Laureate Forum i Shanghai, råkade Berkovic sitta med David Ziberman, en israelisk ekonom.
Zilberman är en Wolf Prize-vinnare, och nu vid University of California, Berkeley, berättade han om sin forskning i utvecklingsländer.Bercovici beskrev sitt flytande experiment.Sedan ställde Ziberman en enkel fråga: "Kan du använda detta för att göra glasögon?"
"När du tänker på utvecklingsländer tänker du vanligtvis på malaria, krig, hunger," sa Berkovic."Men Ziberman sa något som jag inte alls vet - 2,5 miljarder människor i världen behöver glasögon men kan inte få dem.Det här är en fantastisk siffra."
Bercovici återvände hem och upptäckte att en rapport från World Economic Forum bekräftade denna siffra.Även om det bara kostar några få dollar att tillverka ett par enkelt glasögon, varken tillverkas eller säljs billiga glasögon i de flesta delar av världen.
Påverkan är enorm, allt från barn som inte kan se tavlan i skolan till vuxna vars syn försämras så mycket att de blir av med jobbet.Förutom att skada människors livskvalitet, beräknas kostnaderna för den globala ekonomin vara så höga som 3 biljoner USD per år.
Efter samtalet kunde Berkovic inte sova på natten.När han kom till Technion diskuterade han denna fråga med Frumkin, som då var postdoktor i sitt laboratorium.
"Vi ritade ett skott på whiteboardtavlan och tittade på det," mindes han."Vi vet instinktivt att vi inte kan skapa den här formen med vår vätskekontrollteknik, och vi vill ta reda på varför."
Den sfäriska formen är grunden för optik eftersom linsen är gjord av dem.I teorin visste Bercovici och Frumkin att de kunde göra en rund kupol av en polymer (en vätska som stelnat) för att göra en lins.Men vätskor kan bara förbli sfäriska i små volymer.När de är större kommer tyngdkraften att pressa ihop dem till pölar.
"Så vad vi måste göra är att bli av med gravitationen," förklarade Bercovici.Och detta är precis vad han och Frumkin gjorde.Efter att ha studerat deras whiteboard kom Frumkin på en väldigt enkel idé, men det är inte klart varför ingen hade tänkt på det tidigare - om linsen placeras i en vätskekammare kan gravitationseffekten elimineras.Allt du behöver göra är att se till att vätskan i kammaren (kallad flytvätska) har samma densitet som polymeren som linsen är gjord av, och då kommer polymeren att flyta.
En annan viktig sak är att använda två oblandbara vätskor, vilket innebär att de inte kommer att blandas med varandra, såsom olja och vatten."De flesta polymerer är mer som oljor, så vår 'singular' flytande vätska är vatten," sa Bercovici.
Men eftersom vatten har en lägre densitet än polymerer måste dess densitet ökas lite för att polymeren ska flyta.För detta ändamål använde forskarna också mindre exotiska material-salt, socker eller glycerin.Bercovici sa att den sista komponenten i processen är en stel ram i vilken polymer injiceras så att dess form kan kontrolleras.
När polymeren når sin slutliga form härdas den med ultraviolett strålning och blir en fast lins.För att göra ramen använde forskarna ett enkelt avloppsrör, skuret i en ring, eller en petriskål skuren från botten."Alla barn kan göra dem hemma, och mina döttrar och jag gjorde några hemma," sa Bercovici.”Vi har genom åren gjort en hel del saker i laboratoriet, varav en del är väldigt komplicerade, men det råder ingen tvekan om att det här är det enklaste och lättaste vi har gjort.Kanske det viktigaste.”
Frumkin skapade sitt första skott samma dag som han tänkte på lösningen."Han skickade mig ett foto på WhatsApp," mindes Berkovic."I efterhand var det här ett väldigt litet och fult objektiv, men vi var väldigt glada."Frumkin fortsatte att studera denna nya uppfinning.”Ekvationen visar att när du väl tar bort gravitationen spelar det ingen roll om ramen är en centimeter eller en kilometer;beroende på mängden material får du alltid samma form.”
De två forskarna fortsatte att experimentera med den andra generationens hemliga ingrediens, mopphinken, och använde den för att skapa en lins med en diameter på 20 cm som är lämplig för teleskop.Kostnaden för linsen ökar exponentiellt med diametern, men med denna nya metod, oavsett storlek, är allt du behöver billig polymer, vatten, salt (eller glycerin) och en ringform.
Ingredienslistan markerar ett enormt skifte i traditionella linstillverkningsmetoder som har varit nästan oförändrade i 300 år.I det inledande skedet av den traditionella processen mals en glas- eller plastplatta mekaniskt.Vid tillverkning av glasögonglas går till exempel cirka 80 % av materialet till spillo.Med metoden designad av Bercovici och Frumkin, istället för att mala fast material, sprutas vätska in i ramen, så att linsen kan tillverkas i en helt avfallsfri process.Denna metod kräver inte heller polering, eftersom vätskans ytspänning kan säkerställa en extremt slät yta.
Haaretz besökte Technions laboratorium, där doktoranden Mor Elgarisi demonstrerade processen.Han injicerade polymer i en ring i en liten vätskekammare, bestrålade den med en UV-lampa och gav mig ett par operationshandskar två minuter senare.Jag doppade mycket försiktigt handen i vattnet och drog ut linsen."Det var allt, bearbetningen är över," ropade Berkovic.
Linserna är absolut smidiga vid beröring.Detta är inte bara en subjektiv känsla: Bercovici säger att även utan polering är ytjämnheten på en lins gjord med en polymermetod mindre än en nanometer (en miljarddels meter)."Naturkrafterna skapar extraordinära egenskaper på egen hand, och de är fria," sa han.Däremot är optiskt glas polerat till 100 nanometer, medan speglarna på NASA:s flaggskepp James Webb Space Telescope är polerade till 20 nanometer.
Men inte alla tror att denna eleganta metod kommer att bli räddaren för miljarder människor runt om i världen.Professor Ady Arie från Tel Aviv Universitys School of Electrical Engineering påpekade att Bercovici och Frumkins metod kräver en cirkulär form i vilken flytande polymer sprutas in, själva polymeren och en ultraviolett lampa.
"Dessa är inte tillgängliga i indiska byar," påpekade han.En annan fråga som tagits upp av SPO Precision Optics grundare och vice vd för FoU Niv Adut och företagets chefsforskare Dr Doron Sturlesi (båda bekanta med Bercovicis arbete) är att ersättning av slipprocessen med plastgjutgods kommer att göra det svårt att anpassa linsen till behov.Dess folk.
Berkovic fick ingen panik."Kritik är en grundläggande del av vetenskapen, och vår snabba utveckling under det senaste året beror till stor del på att experter driver oss till hörnet", sa han.Beträffande genomförbarheten av tillverkning i avlägsna områden tillade han: "Den infrastruktur som krävs för att tillverka glasögon med traditionella metoder är enorm;du behöver fabriker, maskiner och tekniker, och vi behöver bara den minimala infrastrukturen.”
Bercovici visade oss två ultravioletta strålningslampor i sitt laboratorium: "Denna är från Amazon och kostar $4, och den andra är från AliExpress och kostar $1,70.Om du inte har dem kan du alltid använda Sunshine”, förklarade han.Hur är det med polymerer?"En 250 ml flaska säljs för $16 på Amazon.Den genomsnittliga linsen kräver 5 till 10 ml, så kostnaden för polymeren är inte heller en verklig faktor."
Han betonade att hans metod inte kräver användning av unika formar för varje linsnummer, som kritiker hävdar.En enkel form är lämplig för varje linsnummer, förklarade han: "Skillnaden är mängden polymer som injiceras, och för att göra en cylinder för glasen är allt som krävs att sträcka formen lite."
Bercovici sa att den enda dyra delen av processen är automatiseringen av polymerinjektion, vilket måste göras exakt enligt antalet linser som krävs.
"Vår dröm är att få inflytande i landet med minst resurser," sa Bercovici.Även om billiga glasögon kan tas med till fattiga byar - även om detta inte har slutförts - är hans plan mycket större."Precis som det berömda ordspråket, jag vill inte ge dem fisk, jag vill lära dem att fiska.På så sätt kommer människor att kunna göra sina egna glasögon”, sa han."Kommer det att lyckas?Bara tiden kommer att ge svaret."
Bercovici och Frumkin beskrev denna process i en artikel för ungefär sex månader sedan i den första upplagan av Flow, en tidskrift för flödesmekanikapplikationer publicerad av University of Cambridge.Men teamet tänker inte stanna på enkla optiska linser.En annan artikel som publicerades i tidningen Optica för några veckor sedan beskrev en ny metod för att tillverka komplexa optiska komponenter inom området friformsoptik.Dessa optiska komponenter är varken konvexa eller konkava, utan är gjutna till en topografisk yta, och ljus bestrålas till ytan av olika områden för att uppnå den önskade effekten.Dessa komponenter kan hittas i multifokala glasögon, pilothjälmar, avancerade projektorsystem, virtuella och förstärkta verklighetssystem och andra platser.
Att tillverka friformskomponenter med hållbara metoder är komplicerat och dyrt eftersom det är svårt att slipa och polera deras yta.Därför har dessa komponenter för närvarande begränsade användningsområden."Det har funnits akademiska publikationer om möjliga användningar av sådana ytor, men detta har ännu inte återspeglas i praktiska tillämpningar," förklarade Bercovici.I detta nya dokument visade laboratorieteamet under ledning av Elgarisi hur man kontrollerar ytformen som skapas när polymervätska injiceras genom att kontrollera ramens form.Ramen kan skapas med en 3D-skrivare."Vi gör inte saker med en mopphink längre, men det är fortfarande väldigt enkelt," sa Bercovici.
Omer Luria, forskningsingenjör vid laboratoriet, påpekade att denna nya teknik snabbt kan producera särskilt släta linser med unik terräng."Vi hoppas att det kan avsevärt minska kostnaden och produktionstiden för komplexa optiska komponenter," sade han.
Professor Arie är en av Opticas redaktörer, men deltog inte i granskningen av artikeln."Det här är ett mycket bra jobb," sa Ali om forskningen."För att producera asfäriska optiska ytor använder nuvarande metoder formar eller 3D-utskrift, men båda metoderna är svåra att skapa tillräckligt jämna och stora ytor inom en rimlig tidsram."Arie tror att den nya metoden kommer att bidra till att skapa frihet Prototyp av formella komponenter."För industriell produktion av ett stort antal delar är det bäst att förbereda formar, men för att snabbt testa nya idéer är detta en intressant och elegant metod", sa han.
SPO är ett av Israels ledande företag inom området friformsytor.Enligt Adut och Sturlesi har den nya metoden för- och nackdelar.De säger att användningen av plast begränsar möjligheterna eftersom de inte är hållbara vid extrema temperaturer och deras förmåga att uppnå tillräcklig kvalitet över hela färgomfånget är begränsad.När det gäller fördelarna påpekade de att tekniken har potential att avsevärt minska produktionskostnaden för komplexa plastlinser, som används i alla mobiltelefoner.
Adut och Sturlesi tillade att med traditionella tillverkningsmetoder är diametern på plastlinser begränsad eftersom ju större de är, desto mindre exakta blir de.De sa att, enligt Bercovicis metod, kan tillverkning av linser i vätska förhindra förvrängning, vilket kan skapa mycket kraftfulla optiska komponenter - oavsett om det gäller sfäriska linser eller friformslinser.
Det mest oväntade projektet för Technion-teamet var att välja att producera en stor lins.Här började allt med ett oavsiktligt samtal och en naiv fråga."Allt handlar om människor," sa Berkovic.När han frågade Berkovic berättade han för Dr Edward Baraban, en forskare från NASA, att han kände till sitt projekt vid Stanford University, och han kände honom vid Stanford University: "Du tror att du kan Gör du en sådan lins för ett rymdteleskop ?”
"Det lät som en galen idé," mindes Berkovic, "men det var djupt inpräntat i mitt sinne."Efter att laboratorietestet var framgångsrikt genomfört insåg israeliska forskare att metoden kunde användas i Det fungerar på samma sätt i rymden.När allt kommer omkring kan du uppnå mikrogravitationsförhållanden där utan behov av flytande vätskor."Jag ringde Edward och jag sa till honom att det fungerar!"
Rymdteleskop har stora fördelar jämfört med markbaserade teleskop eftersom de inte påverkas av atmosfärisk eller ljusförorening.Det största problemet med utvecklingen av rymdteleskop är att deras storlek begränsas av bärraketens storlek.På jorden har teleskop för närvarande en diameter på upp till 40 meter.Rymdteleskopet Hubble har en spegel med en diameter på 2,4 meter, medan James Webb-teleskopet har en spegel med en diameter på 6,5 meter – det tog forskarna 25 år att uppnå denna prestation, vilket kostade 9 miljarder US-dollar, delvis för att ett system måste vara utvecklat som kan skjuta upp teleskopet i hopfällt läge och sedan automatiskt öppna det i rymden.
Å andra sidan är Liquid redan i ett "vikt" tillstånd.Till exempel kan du fylla sändaren med flytande metall, lägga till en injektionsmekanism och expansionsring och sedan göra en spegel i rymden."Detta är en illusion," erkände Berkovic."Min mamma frågade mig,"När är du redo?Jag sa till henne: 'Kanske om 20 år.Hon sa att hon inte hade tid att vänta.”
Om denna dröm går i uppfyllelse kan det komma att förändra rymdforskningens framtid.Idag påpekade Berkovic att människor inte har förmågan att direkt observera exoplaneter-planeter utanför solsystemet, eftersom att göra det kräver ett jordteleskop 10 gånger större än befintliga teleskop - vilket är helt omöjligt med befintlig teknik.
Å andra sidan tillade Bercovici att Falcon Heavy, för närvarande den största rymdraketen SpaceX, kan bära 20 kubikmeter vätska.Han förklarade att i teorin kunde Falcon Heavy användas för att skjuta upp en vätska till en omloppspunkt, där vätskan kunde användas för att göra en spegel med en diameter på 75 meter - ytan och det uppsamlade ljuset skulle vara 100 gånger större än det senare .James Webb teleskop.
Det här är en dröm, och det kommer att ta lång tid att förverkliga den.Men NASA tar det på allvar.Tillsammans med ett team av ingenjörer och forskare från NASA:s Ames Research Center, ledd av Balaban, prövas tekniken för första gången.
I slutet av december kommer ett system som utvecklats av Bercovicis laboratorieteam att skickas till den internationella rymdstationen, där en serie experiment kommer att genomföras för att göra det möjligt för astronauter att tillverka och bota linser i rymden.Innan dess kommer experiment att genomföras i Florida i helgen för att testa möjligheten att producera högkvalitativa linser under mikrogravitation utan behov av någon flytande vätska.
Fluid Telescope Experiment (FLUTE) utfördes på ett flygplan med reducerad gravitation - alla säten i detta flygplan togs bort för att träna astronauter och filma scener med noll gravitation i filmer.Genom att manövrera i form av en antiparabel skapas fritt stigande och sedan fallande mikrogravitationsförhållanden i flygplanet under en kort tidsperiod."Det kallas en 'kräkkomet' av goda skäl," sa Berkovic med ett leende.Det fria fallet varar i cirka 20 sekunder, då flygplanets gravitation är nära noll.Under denna period kommer forskarna att försöka göra en flytande lins och göra mätningar för att bevisa att kvaliteten på linsen är tillräckligt bra, då blir planet rakt, tyngdkraften är helt återställd och linsen blir en pöl.
Experimentet är planerat till två flygningar på torsdag och fredag, vardera med 30 paraboler.Bercovici och de flesta medlemmarna i laboratorieteamet, inklusive Elgarisi och Luria, och Frumkin från Massachusetts Institute of Technology kommer att närvara.
Under mitt besök på Technionlaboratoriet var spänningen överväldigande.På golvet ligger 60 kartonger som innehåller 60 egentillverkade små kit för experiment.Luria gör sista och sista minuten förbättringar av det datoriserade experimentsystem han utvecklat för att mäta linsens prestanda.
Samtidigt genomför teamet timingövningar inför kritiska ögonblick.Ett lag stod där med ett stoppur och de andra hade 20 sekunder på sig att göra ett skott.På själva flygplanet blir förhållandena ännu sämre, särskilt efter flera fria fall och lyft uppåt under ökad gravitation.
Det är inte bara Technion-teamet som är exalterade.Baraban, den ledande forskaren för NASA:s flöjtexperiment, sa till Haaretz, "Vätskeformningsmetoden kan resultera i kraftfulla rymdteleskop med öppningar på tiotals eller till och med hundratals meter.Till exempel kan sådana teleskop direkt observera andra stjärnors omgivning.Planet, underlättar högupplöst analys av dess atmosfär och kan till och med identifiera storskaliga ytegenskaper.Denna metod kan också leda till andra rymdtillämpningar, såsom högkvalitativa optiska komponenter för energiskörd och överföring, vetenskapliga instrument och medicinsk utrustning Rymdtillverkning - och spelar därmed en viktig roll i den framväxande rymdekonomin."
Strax innan han gick ombord på planet och gav sig ut på sitt livs äventyr stannade Berkovic förvånad upp ett ögonblick."Jag frågar mig hela tiden varför ingen tänkt på det här tidigare," sa han.”Varje gång jag går på en konferens är jag rädd att någon ska stå upp och säga att några ryska forskare gjorde det här för 60 år sedan.Det är trots allt en så enkel metod.”
Posttid: 2021-12-21