Prof. Moran Bercovici a Dr. Valeri Frumkin vyvinuli levnou technologii výroby optických čoček a je možné vyrábět brýle pro mnoho rozvojových zemí, kde brýle nejsou dostupné.Nyní NASA říká, že jej lze použít k výrobě vesmírných teleskopů
Věda obvykle postupuje po malých krůčcích.Ke každému novému experimentu je přidána malá informace.Je vzácné, že jednoduchá myšlenka, která se objeví v mozku vědce, vede k velkému průlomu bez použití jakékoli technologie.To se ale stalo dvěma izraelským inženýrům, kteří vyvinuli nový způsob výroby optických čoček.
Systém je jednoduchý, levný a přesný a mohl by mít obrovský dopad až na jednu třetinu světové populace.Může také změnit tvář vesmírného výzkumu.K jeho návrhu potřebují výzkumníci pouze bílou tabuli, fix, gumu a trochu štěstí.
Profesor Moran Bercovici a Dr. Valeri Frumkin z oddělení strojního inženýrství Technion-Israel Institute of Technology v Haifě se specializují na mechaniku tekutin, nikoli na optiku.Ale před rokem a půl na Světovém fóru laureátů v Šanghaji Berkovic náhodou seděl s Davidem Zibermanem, izraelským ekonomem.
Zilberman je držitelem Wolf Prize a nyní na Kalifornské univerzitě v Berkeley hovořil o svém výzkumu v rozvojových zemích.Bercovici popsal svůj experiment s tekutinou.Pak Ziberman položil jednoduchou otázku: „Můžete to použít k výrobě brýlí?
„Když přemýšlíte o rozvojových zemích, obvykle se vám vybaví malárie, válka, hlad,“ řekl Berkovic."Ale Ziberman řekl něco, co vůbec nevím - 2,5 miliardy lidí na světě potřebuje brýle, ale nemůže je dostat."To je úžasné číslo."
Bercovici se vrátil domů a zjistil, že zpráva ze Světového ekonomického fóra toto číslo potvrzuje.Přestože výroba jednoduchých brýlí stojí jen pár dolarů, levné brýle se ve většině částí světa nevyrábějí ani neprodávají.
Dopad je obrovský, od dětí, které nevidí ve škole na tabuli, až po dospělé, jejichž zrak se natolik zhorší, že přijdou o práci.Kromě poškození kvality života lidí se náklady na globální ekonomiku odhadují až na 3 biliony USD ročně.
Po rozhovoru nemohl Berkovic v noci spát.Když dorazil do Technionu, diskutoval o tomto problému s Frumkinem, který byl v té době postdoktorským výzkumníkem v jeho laboratoři.
"Nakreslili jsme záběr na tabuli a podívali se na to," vzpomínal."Instinktivně víme, že tento tvar nemůžeme vytvořit pomocí naší technologie řízení tekutin, a chceme zjistit proč."
Sférický tvar je základem optiky, protože je z nich vyrobena čočka.Bercovici a Frumkin teoreticky věděli, že dokážou vyrobit kulatou kopuli z polymeru (kapaliny, která ztuhla), aby vytvořili čočku.Ale kapaliny mohou zůstat kulovité pouze v malých objemech.Když jsou větší, gravitace je stlačí do louží.
"Takže to, co musíme udělat, je zbavit se gravitace," vysvětlil Bercovici.A to je přesně to, co on a Frumkin udělali.Po prostudování jejich tabule přišel Frumkin s velmi jednoduchým nápadem, ale není jasné, proč to nikoho nenapadlo dříve - pokud je čočka umístěna v kapalinové komoře, lze eliminovat účinek gravitace.Jediné, co musíte udělat, je zajistit, aby kapalina v komoře (nazývaná vztlaková kapalina) měla stejnou hustotu jako polymer, ze kterého je čočka vyrobena, a poté bude polymer plavat.
Další důležitou věcí je použití dvou nemísitelných tekutin, což znamená, že se nebudou vzájemně mísit, jako je olej a voda.„Většina polymerů je spíše jako oleje, takže naší ‚jedinou‘ vznášející se kapalinou je voda,“ řekl Bercovici.
Ale protože voda má nižší hustotu než polymery, musí se její hustota trochu zvýšit, aby polymer plaval.K tomu vědci použili i méně exotické materiály – sůl, cukr nebo glycerin.Bercovici řekl, že konečnou součástí procesu je pevný rám, do kterého je vstřikován polymer, aby bylo možné kontrolovat jeho formu.
Když polymer dosáhne své konečné podoby, vytvrdí se pomocí ultrafialového záření a stane se pevnou čočkou.K výrobě rámu použili vědci jednoduchou kanalizační trubku nařezanou na prstenec nebo Petriho misku vyříznutou ze dna."Každé dítě je může vyrobit doma a moje dcery a já jsme některé vyrobili doma," řekl Bercovici.„Během let jsme v laboratoři udělali spoustu věcí, z nichž některé jsou velmi komplikované, ale není pochyb o tom, že je to ta nejjednodušší a nejjednodušší věc, kterou jsme udělali.Možná nejdůležitější."
Frumkin vytvořil svůj první výstřel ve stejný den, kdy ho napadlo řešení."Poslal mi fotku na WhatsApp," vzpomněl si Berkovic."Ze zpětného pohledu to byl velmi malý a ošklivý objektiv, ale byli jsme velmi šťastní."Frumkin pokračoval ve studiu tohoto nového vynálezu.„Rovnice ukazuje, že jakmile odstraníte gravitaci, nezáleží na tom, zda má rám jeden centimetr nebo jeden kilometr;v závislosti na množství materiálu získáte vždy stejný tvar.“
Oba výzkumníci pokračovali v experimentech s tajnou přísadou druhé generace, kbelíkem na mop, a použili jej k vytvoření čočky o průměru 20 cm, která je vhodná pro dalekohledy.Cena čočky se exponenciálně zvyšuje s průměrem, ale s touto novou metodou, bez ohledu na velikost, potřebujete pouze levný polymer, vodu, sůl (nebo glycerin) a kroužkovou formu.
Seznam přísad znamená obrovský posun v tradičních metodách výroby čoček, které zůstaly téměř nezměněny po 300 let.V počáteční fázi tradičního procesu se skleněná nebo plastová deska mechanicky brousí.Například při výrobě brýlových čoček se vyplýtvá asi 80 % materiálu.Metodou navrženou Bercovicim a Frumkinem se místo broušení pevných materiálů do rámu vstřikuje kapalina, takže čočka může být vyrobena zcela bezodpadovým procesem.Tato metoda také nevyžaduje leštění, protože povrchové napětí tekutiny může zajistit extrémně hladký povrch.
Haaretz navštívil Technionovu laboratoř, kde doktorand Mor Elgarisi demonstroval proces.Vstříkl polymer do prstence v malé komůrce na kapalinu, ozářil ho UV lampou a o dvě minuty později mi podal chirurgické rukavice.Velmi opatrně jsem ponořil ruku do vody a vytáhl čočku."To je ono, zpracování je u konce," vykřikl Berkovic.
Čočky jsou na dotek naprosto hladké.Nejde jen o subjektivní pocit: Bercovici říká, že i bez leštění je povrchová drsnost čočky vyrobené polymerní metodou menší než jeden nanometr (jedna miliardtina metru)."Přírodní síly vytvářejí mimořádné kvality samy o sobě a jsou svobodné," řekl.Naproti tomu optické sklo je vyleštěno na 100 nanometrů, zatímco zrcadla vlajkové lodi NASA James Webb Space Telescope jsou vyleštěna na 20 nanometrů.
Ne každý ale věří, že tato elegantní metoda bude zachráncem miliard lidí po celém světě.Profesor Ady Arie z Tel Aviv University School of Electrical Engineering poukázal na to, že Bercoviciho a Frumkinova metoda vyžaduje kruhovou formu, do které se vstřikuje tekutý polymer, samotný polymer a ultrafialovou lampu.
"V indiánských vesnicích nejsou k dispozici," upozornil.Dalším problémem, který vznesl zakladatel SPO Precision Optics a viceprezident R&D Niv Adut a hlavní vědec společnosti Dr. Doron Sturlesi (oba obeznámeni s prací Bercoviciho), je, že nahrazení procesu broušení plastovými odlitky ztíží přizpůsobení čočky potřeby.Jeho lidé.
Berkovič nepropadl panice."Kritika je základní součástí vědy a náš rychlý rozvoj za poslední rok je z velké části způsoben tím, že nás odborníci tlačili do rohu," řekl.Ohledně proveditelnosti výroby v odlehlých oblastech dodal: „Infrastruktura potřebná k výrobě brýlí pomocí tradičních metod je obrovská;potřebujete továrny, stroje a techniky a my potřebujeme jen minimální infrastrukturu.“
Bercovici nám ve své laboratoři ukázal dvě lampy s ultrafialovým zářením: „Tato je od Amazonu a stojí 4 dolary a druhá je z AliExpress a stojí 1,70 dolaru.Pokud je nemáte, můžete Sunshine vždy použít,“ vysvětlil.A co polymery?„250ml láhev se na Amazonu prodává za 16 dolarů.Průměrná čočka vyžaduje 5 až 10 ml, takže ani cena polymeru není skutečným faktorem.“
Zdůraznil, že jeho metoda nevyžaduje použití jedinečných forem pro každé číslo čočky, jak tvrdí kritici.Pro každé číslo čočky je vhodná jednoduchá forma, vysvětlil: „Rozdíl je v množství vstřikovaného polymeru a k výrobě válce pro brýle stačí formu trochu natáhnout.“
Bercovici řekl, že jedinou nákladnou částí procesu je automatizace vstřikování polymeru, která musí být provedena přesně podle počtu požadovaných čoček.
"Naším snem je mít vliv v zemi s co nejmenšími zdroji," řekl Bercovici.Přestože lze do chudých vesnic přinést levné brýle – i když to nebylo dokončeno – jeho plán je mnohem větší.„Jako ono známé přísloví, nechci jim dávat ryby, chci je naučit rybařit.Lidé si tak budou moci vyrobit vlastní brýle,“ řekl.„Povede se to?Odpověď dá jen čas."
Bercovici a Frumkin popsali tento proces v článku asi před šesti měsíci v prvním vydání Flow, žurnálu aplikací mechaniky tekutin publikovaném University of Cambridge.Tým ale nehodlá zůstat u jednoduchých optických čoček.Další článek publikovaný v časopise Optica před několika týdny popsal novou metodu výroby složitých optických komponent v oblasti optiky volného tvaru.Tyto optické komponenty nejsou ani konvexní, ani konkávní, ale jsou vytvarovány do topografického povrchu a světlo je ozařováno na povrch různých oblastí, aby se dosáhlo požadovaného efektu.Tyto komponenty lze nalézt v multifokálních brýlích, pilotních helmách, pokročilých projektorových systémech, systémech virtuální a rozšířené reality a na dalších místech.
Výroba volně tvarovaných součástí pomocí udržitelných metod je komplikovaná a nákladná, protože je obtížné brousit a leštit jejich povrch.Proto mají tyto komponenty v současné době omezené použití."Existují akademické publikace o možném použití takových povrchů, ale to se ještě neprojevilo v praktických aplikacích," vysvětlil Bercovici.V tomto novém článku laboratorní tým vedený Elgarisim ukázal, jak ovládat tvar povrchu vytvořený při vstřikování polymerní kapaliny řízením tvaru rámu.Rám lze vytvořit pomocí 3D tiskárny."Už neděláme věci s kbelíkem na mop, ale stále je to velmi jednoduché," řekl Bercovici.
Omer Luria, výzkumný inženýr v laboratoři, poukázal na to, že tato nová technologie dokáže rychle vyrobit obzvláště hladké čočky s jedinečným terénem."Doufáme, že to může výrazně snížit náklady a dobu výroby složitých optických komponent," řekl.
Profesor Arie je jedním z redaktorů Optica, ale nezúčastnil se recenze článku."To je velmi dobrá práce," řekl Ali o výzkumu."Za účelem výroby asférických optických povrchů používají současné metody formy nebo 3D tisk, ale u obou metod je obtížné vytvořit dostatečně hladké a velké povrchy v rozumném časovém rámci."Arie věří, že nová metoda pomůže vytvořit svobodu Prototyp formálních komponent.„Pro průmyslovou výrobu velkého množství dílů je nejlepší připravit formy, ale pro rychlé testování nových nápadů je to zajímavá a elegantní metoda,“ řekl.
SPO je jednou z předních izraelských společností v oblasti volně tvarovaných povrchů.Podle Aduta a Sturlesiho má nová metoda výhody i nevýhody.Říká se, že použití plastů omezuje možnosti, protože nejsou odolné při extrémních teplotách a jejich schopnost dosáhnout dostatečné kvality v celé barevné škále je omezená.Pokud jde o výhody, poukázali na to, že technologie má potenciál výrazně snížit výrobní náklady složitých plastových čoček, které se používají ve všech mobilních telefonech.
Adut a Sturlesi dodali, že u tradičních výrobních metod je průměr plastových čoček omezený, protože čím jsou větší, tím jsou méně přesné.Řekli, že podle Bercoviciho metody může výroba čoček v kapalině zabránit zkreslení, které může vytvořit velmi výkonné optické komponenty - ať už v oblasti sférických čoček nebo čoček volného tvaru.
Nejneočekávanějším projektem týmu Technion byla volba výroby velkého objektivu.Tady to všechno začalo náhodným rozhovorem a naivní otázkou."Všechno je to o lidech," řekl Berkovic.Když se zeptal Berkovic, říkal Dr. Edwardu Barabanovi, vědeckému výzkumníkovi NASA, že zná jeho projekt na Stanfordské univerzitě a znal ho na Stanfordské univerzitě: „Myslíš, že to dokážeš Dělat takovou čočku pro vesmírný dalekohled ?"
"Znělo to jako bláznivý nápad," vzpomínal Berkovic, "ale hluboce se mi to vrylo do paměti."Po úspěšném dokončení laboratorního testu si izraelští vědci uvědomili, že metodu lze použít i ve vesmíru.Tam totiž můžete dosáhnout podmínek mikrogravitace, aniž byste potřebovali nadnášecí kapaliny."Volal jsem Edwardovi a řekl jsem mu, že to funguje!"
Vesmírné dalekohledy mají velké výhody oproti pozemským dalekohledům, protože na ně nemá vliv atmosférické ani světelné znečištění.Největším problémem vývoje vesmírných dalekohledů je, že jejich velikost je omezena velikostí nosné rakety.Na Zemi mají v současnosti dalekohledy průměr až 40 metrů.Hubbleův vesmírný teleskop má zrcadlo o průměru 2,4 metru, zatímco teleskop Jamese Webba má zrcadlo o průměru 6,5 metru – vědcům trvalo 25 let, než dosáhli tohoto úspěchu, což stálo 9 miliard amerických dolarů, částečně proto, že systém potřebuje být vyvinutý, který dokáže spustit dalekohled ve složené poloze a poté jej automaticky otevřít ve vesmíru.
Na druhou stranu, Liquid je již ve „složeném“ stavu.Vysílač můžete například naplnit tekutým kovem, přidat injekční mechanismus a expanzní kroužek a pak vytvořit zrcadlo v prostoru."To je iluze," připustil Berkovic.„Matka se mě zeptala: ‚Kdy budeš připraven?Řekl jsem jí: „Možná za 20 let.Řekla, že nemá čas čekat."
Pokud se tento sen splní, může to změnit budoucnost vesmírného výzkumu.Berkovic dnes poukázal na to, že lidé nemají možnost přímo pozorovat exoplanety – planety mimo sluneční soustavu, protože k tomu je zapotřebí pozemský dalekohled 10x větší než stávající dalekohledy – což je se stávající technologií zcela nemožné.
Na druhou stranu Bercovici dodal, že Falcon Heavy, v současnosti největší kosmická nosná raketa SpaceX, unese 20 metrů krychlových kapaliny.Vysvětlil, že teoreticky by mohl být Falcon Heavy použit k vypuštění kapaliny na orbitální bod, kde by kapalina mohla být použita k vytvoření zrcadla o průměru 75 metrů – povrchová plocha a shromážděné světlo by byly 100krát větší než u druhého. .Dalekohled Jamese Webba.
Je to sen a jeho uskutečnění bude trvat dlouho.NASA to ale bere vážně.Společně s týmem inženýrů a vědců z Ames Research Center NASA, vedeného Balabanem, se tato technologie poprvé zkouší.
Koncem prosince bude systém vyvinutý laboratorním týmem Bercovici poslán na Mezinárodní vesmírnou stanici, kde bude provedena řada experimentů, které umožní astronautům vyrábět a léčit čočky ve vesmíru.Předtím proběhnou tento víkend na Floridě experimenty, které otestují proveditelnost výroby vysoce kvalitních čoček pod mikrogravitací bez potřeby jakékoli nadnášecí kapaliny.
Experiment Fluid Telescope Experiment (FLUTE) byl proveden na letadle se sníženou gravitací – všechna sedadla tohoto letadla byla odstraněna pro výcvik astronautů a natáčení scén s nulovou gravitací ve filmech.Manévrováním ve formě antiparaboly-vzestup a následně volný pád se v letadle na krátkou dobu vytvoří podmínky mikrogravitace."Z dobrého důvodu se tomu říká 'zvratková kometa'," řekl Berkovic s úsměvem.Volný pád trvá asi 20 sekund, kdy se gravitace letadla blíží nule.Během tohoto období se výzkumníci pokusí vyrobit tekutou čočku a provést měření, aby dokázali, že kvalita čočky je dostatečně dobrá, pak se rovina stane rovnou, gravitace se plně obnoví a čočka se stane louží.
Experiment je naplánován na dva lety ve čtvrtek a pátek, každý s 30 parabolami.Přítomni budou Bercovici a většina členů laboratorního týmu včetně Elgarisiho a Lurii a Frumkina z Massachusetts Institute of Technology.
Během mé návštěvy v laboratoři Technion bylo vzrušení ohromující.Na podlaze je 60 kartonových krabic, které obsahují 60 vlastnoručně vyrobených malých stavebnic pro pokusy.Luria provádí poslední a na poslední chvíli vylepšení počítačového experimentálního systému, který vyvinul pro měření výkonu čoček.
Zároveň tým provádí časová cvičení před kritickými okamžiky.Jeden tým tam stál se stopkami a ostatní měli 20 sekund na výstřel.Na samotném letadle budou podmínky ještě horší, zvláště po několika volných pádech a vztlakech při zvýšené gravitaci.
Není to jen tým Technion, kdo je nadšený.Baraban, vedoucí výzkumný pracovník NASA's Flute Experiment, řekl Haaretzovi: „Metoda tvarování tekutiny může vést k výkonným vesmírným dalekohledům s aperturou desítek nebo dokonce stovek metrů.Takové dalekohledy mohou například přímo pozorovat okolí jiných hvězd.Planeta umožňuje analýzu atmosféry ve vysokém rozlišení a může dokonce identifikovat rozsáhlé povrchové útvary.Tato metoda může také vést k dalším vesmírným aplikacím, jako jsou vysoce kvalitní optické komponenty pro získávání a přenos energie, vědecké přístroje a lékařské vybavení Vesmírná výroba – a hraje tak důležitou roli v nově vznikající vesmírné ekonomice.
Krátce předtím, než nastoupil do letadla a vydal se na dobrodružství svého života, se Berkovič na chvíli překvapeně odmlčel."Stále se ptám sám sebe, proč to nikoho nenapadlo dříve," řekl.„Pokaždé, když jdu na konferenci, bojím se, že se někdo postaví a řekne, že to někteří ruští vědci udělali před 60 lety.Koneckonců, je to tak jednoduchá metoda."
Čas odeslání: 21. prosince 2021