Prof. Moranas Bercovici ir daktaras Valeri Frumkin sukūrė pigią optinių lęšių gamybos technologiją, todėl galima gaminti akinius daugeliui besivystančių šalių, kuriose akinių nėra.Dabar NASA teigia, kad jis gali būti naudojamas kosminiams teleskopams gaminti
Mokslas paprastai progresuoja mažais žingsneliais.Prie kiekvieno naujo eksperimento pridedama nedidelė informacijos dalis.Retai kada paprasta mokslininko smegenyse atsiradusi idėja veda į didelį proveržį nenaudojant jokių technologijų.Tačiau taip nutiko dviem Izraelio inžinieriams, kurie sukūrė naują optinių lęšių gamybos metodą.
Sistema yra paprasta, pigi ir tiksli ir gali turėti didžiulį poveikį iki trečdalio pasaulio gyventojų.Tai taip pat gali pakeisti kosmoso tyrimų veidą.Norint jį sukurti, tyrėjams tereikia baltos lentos, žymeklio, trintuko ir šiek tiek sėkmės.
Profesorius Moranas Bercovici ir daktaras Valeri Frumkin iš Technion-Israel technologijos instituto Haifoje Mechanikos inžinerijos skyriaus specializuojasi skysčių mechanikoje, o ne optikoje.Tačiau prieš pusantrų metų Pasaulio laureatų forume Šanchajuje Berkovičius atsitiktinai sėdėjo su Izraelio ekonomistu Davidu Zibermanu.
Zilbermanas yra Vilko premijos laureatas, o dabar Kalifornijos universitete Berklyje jis kalbėjo apie savo tyrimus besivystančiose šalyse.Bercovici aprašė savo skysčio eksperimentą.Tada Zibermanas uždavė paprastą klausimą: „Ar galite tai panaudoti akiniams gaminti?
„Kai galvojate apie besivystančias šalis, dažniausiai galvojate apie maliariją, karą, badą“, – sakė Berkovičius.„Tačiau Zibermanas pasakė tai, ko aš visiškai nežinau – 2,5 milijardo žmonių pasaulyje reikia akinių, bet negali jų gauti.Tai nuostabus skaičius“.
Bercovici grįžo namo ir nustatė, kad Pasaulio ekonomikos forumo ataskaita patvirtino šį skaičių.Nors pagaminti paprastą akinių porą kainuoja vos kelis dolerius, pigūs akiniai daugumoje pasaulio šalių nei gaminami, nei parduodami.
Poveikis didžiulis – nuo vaikų, kurie mokykloje nemato lentos, iki suaugusiųjų, kurių regėjimas taip pablogėja, kad jie netenka darbo.Apskaičiuota, kad pasaulio ekonomika ne tik kenkia žmonių gyvenimo kokybei, bet ir siekia 3 trilijonus JAV dolerių per metus.
Po pokalbio Berkovičius negalėjo miegoti naktimis.Atvykęs į Technioną, jis aptarė šį klausimą su Frumkinu, kuris tuo metu buvo jo laboratorijos mokslo darbuotojas.
„Nupiešėme kadrą ant lentos ir pažiūrėjome į jį“, – prisiminė jis."Mes instinktyviai žinome, kad negalime sukurti šios formos naudodami skysčių valdymo technologiją, ir norime išsiaiškinti, kodėl."
Sferinė forma yra optikos pagrindas, nes iš jų pagamintas objektyvas.Teoriškai Bercovici ir Frumkin žinojo, kad jie gali pagaminti apvalų kupolą iš polimero (skysčio, kuris sukietėjo), kad sukurtų objektyvą.Tačiau skysčiai gali išlikti sferiniai tik nedideliais kiekiais.Kai jie bus didesni, gravitacija susmulkins juos į balas.
„Taigi, ką turime padaryti, tai atsikratyti gravitacijos“, – paaiškino Bercovici.Ir būtent tai padarė jis ir Frumkinas.Ištyręs jų lentą, Frumkinas sugalvojo labai paprastą idėją, tačiau neaišku, kodėl niekas anksčiau apie tai nepagalvojo – jei objektyvas bus patalpintas į skysčio kamerą, gravitacijos poveikis gali būti pašalintas.Viskas, ką jums reikia padaryti, tai įsitikinti, kad kameroje esantis skystis (vadinamas plūduriuojančiu skysčiu) yra tokio pat tankio kaip polimero, iš kurio pagamintas lęšis, ir tada polimeras plūduriuos.
Kitas svarbus dalykas – naudoti du nesimaišančius skysčius, o tai reiškia, kad jie nesimaišys vienas su kitu, pavyzdžiui, aliejus ir vanduo.„Dauguma polimerų yra labiau panašūs į aliejus, todėl mūsų išskirtinis plūduriuojantis skystis yra vanduo“, – sakė Bercovici.
Tačiau kadangi vandens tankis yra mažesnis nei polimerų, jo tankis turi būti šiek tiek padidintas, kad polimeras plūduriuotų.Šiuo tikslu mokslininkai taip pat naudojo mažiau egzotiškų medžiagų – druskos, cukraus ar glicerino.Bercovici teigė, kad galutinis proceso komponentas yra standus rėmas, į kurį įpurškiamas polimeras, kad būtų galima kontroliuoti jo formą.
Kai polimeras pasiekia galutinę formą, jis sukietinamas ultravioletiniais spinduliais ir tampa kietu lęšiu.Rėmui pagaminti mokslininkai naudojo paprastą nuotekų vamzdį, supjaustytą žiedu, arba iš apačios išpjautą Petri lėkštelę.„Bet kuris vaikas gali juos pasigaminti namuose, o aš ir mano dukros gaminome kai kuriuos namuose“, – sakė Bercovici.„Per daugelį metų laboratorijoje atlikome daug dalykų, kai kurie iš jų yra labai sudėtingi, tačiau neabejotina, kad tai yra paprasčiausias ir lengviausias mūsų atliktas dalykas.Galbūt pats svarbiausias“.
Frumkinas sukūrė savo pirmąjį kadrą tą pačią dieną, kai pagalvojo apie sprendimą.„Jis atsiuntė man nuotrauką per WhatsApp“, – prisiminė Berkovičius.„Žvelgiant atgal, tai buvo labai mažas ir bjaurus objektyvas, bet mes buvome labai laimingi.Frumkinas toliau tyrinėjo šį naują išradimą.„Lygtis rodo, kad pašalinus gravitaciją, nesvarbu, ar rėmas yra vienas centimetras, ar vienas kilometras;priklausomai nuo medžiagos kiekio, visada išgausite vienodą formą.
Abu mokslininkai toliau eksperimentavo su antrosios kartos slaptu ingredientu – šluotų kibirėliu ir panaudojo jį kurdami 20 cm skersmens objektyvą, tinkamą teleskopams.Objektyvo kaina didėja eksponentiškai didėjant skersmeniui, tačiau naudojant šį naują metodą, nepaisant dydžio, tereikia pigaus polimero, vandens, druskos (arba glicerino) ir žiedo formos.
Sudedamųjų dalių sąrašas žymi didžiulį pokytį tradiciniuose lęšių gamybos metoduose, kurie beveik nepakito 300 metų.Pradiniame tradicinio proceso etape stiklo arba plastiko plokštė yra mechaniškai šlifuojama.Pavyzdžiui, gaminant akinių lęšius, iššvaistoma apie 80 % medžiagos.Taikant Bercovici ir Frumkin sukurtą metodą, vietoj kietų medžiagų šlifavimo į rėmelį įpurškiamas skystis, kad lęšį būtų galima pagaminti visiškai be atliekų.Šis būdas taip pat nereikalauja poliravimo, nes skysčio paviršiaus įtempimas gali užtikrinti itin lygų paviršių.
Haaretz lankėsi Techniono laboratorijoje, kur doktorantas Mor Elgarisi demonstravo procesą.Jis suleido polimerą į žiedą mažoje skysčio kameroje, apšvitino jį UV lempa ir po dviejų minučių padavė man porą chirurginių pirštinių.Labai atsargiai panardinau ranką į vandenį ir ištraukiau objektyvą.„Štai viskas, apdorojimas baigtas“, – sušuko Berkovičius.
Lęšiai yra visiškai lygūs liesti.Tai ne tik subjektyvus jausmas: Bercovici teigia, kad net ir be poliravimo polimeriniu metodu pagaminto lęšio paviršiaus šiurkštumas yra mažesnis nei vienas nanometras (viena milijardoji metro dalis).„Gamtos jėgos pačios sukuria nepaprastas savybes ir jos yra laisvos“, – sakė jis.Priešingai, optinis stiklas yra nupoliruotas iki 100 nanometrų, o NASA flagmano Jameso Webb kosminio teleskopo veidrodžiai – iki 20 nanometrų.
Tačiau ne visi tiki, kad šis elegantiškas metodas išgelbės milijardus žmonių visame pasaulyje.Profesorius Ady Arie iš Tel Avivo universiteto Elektros inžinerijos mokyklos atkreipė dėmesį, kad Bercovici ir Frumkino metodui reikalinga apskrita forma, į kurią įpurškiamas skystas polimeras, pats polimeras ir ultravioletinė lempa.
„Jų nėra Indijos kaimuose“, – pažymėjo jis.Kita problema, kurią iškėlė SPO Precision Optics įkūrėjas ir R&D viceprezidentas Niv Adut bei bendrovės vyriausiasis mokslininkas dr. Doronas Sturlesi (abu yra susipažinę su Bercovici darbais), yra ta, kad pakeitus šlifavimo procesą plastikiniais liejiniais, bus sunku pritaikyti objektyvą poreikiai.Jos žmonės.
Berkovičius nepanikavo.„Kritika yra esminė mokslo dalis, o mūsų spartus vystymasis per pastaruosius metus daugiausia susijęs su ekspertų pastūmėjimu į kampą“, – sakė jis.Kalbėdamas apie gamybos atokiose vietovėse galimybes, jis pridūrė: „Infrastruktūra, reikalinga akiniams gaminti tradiciniais metodais, yra didžiulė;jums reikia gamyklų, mašinų ir technikų, o mums reikia tik minimalios infrastruktūros.
Bercovici mums parodė dvi ultravioletinės spinduliuotės lempas savo laboratorijoje: „Ši viena yra iš Amazon ir kainuoja 4 USD, o kita yra iš „AliExpress“ ir kainuoja 1,70 USD.Jei jų neturite, visada galite naudoti „Sunshine“, – aiškino jis.O kaip su polimerais?„250 ml buteliukas „Amazon“ parduodamas už 16 USD.Vidutiniam lęšiui reikia 5–10 ml, todėl polimero kaina taip pat nėra realus veiksnys.
Jis pabrėžė, kad jo metodas nereikalauja naudoti unikalių formų kiekvienam objektyvo numeriui, kaip teigia kritikai.Kiekvienam objektyvo numeriui tinka paprasta forma, aiškino jis: „Skirtumas yra įpurškiamo polimero kiekis, o norint pagaminti cilindrą akiniams, tereikia formelę šiek tiek ištempti.
Bercovici teigė, kad vienintelė brangi proceso dalis yra polimero įpurškimo automatizavimas, kuris turi būti atliktas tiksliai pagal reikiamą lęšių skaičių.
„Mūsų svajonė yra turėti įtakos šalyje su mažiausiais ištekliais“, – sakė Bercovici.Nors į neturtingus kaimus galima atsivežti pigių stiklinių – nors tai ir nebaigta – jo planas daug didesnis.„Kaip ta garsi patarlė, aš nenoriu jiems duoti žuvies, noriu išmokyti žvejoti.Taip žmonės galės patys pasidaryti akinius“, – sakė jis.„Ar pavyks?Tik laikas duos atsakymą“.
Bercovici ir Frumkin aprašė šį procesą maždaug prieš šešis mėnesius pirmame Kembridžo universiteto skysčių mechanikos programų žurnalo „Flow“ leidime.Tačiau komanda neketina likti prie paprastų optinių lęšių.Kitame žurnale „Optica“ prieš kelias savaites paskelbtame straipsnyje aprašytas naujas sudėtingų optinių komponentų gamybos metodas laisvos formos optikos srityje.Šie optiniai komponentai nėra nei išgaubti, nei įgaubti, bet yra suformuoti į topografinį paviršių, o šviesa apšvitinama skirtingų sričių paviršiais, kad būtų pasiektas norimas efektas.Šiuos komponentus galima rasti daugiažidiniuose akiniuose, pilotų šalmuose, pažangiose projektorių sistemose, virtualiosios ir papildytos realybės sistemose ir kitose vietose.
Laisvos formos komponentų gamyba tvariais metodais yra sudėtinga ir brangu, nes sunku šlifuoti ir poliruoti jų paviršiaus plotą.Todėl šie komponentai šiuo metu naudojami ribotai.„Buvo akademinių publikacijų apie galimą tokių paviršių panaudojimą, tačiau tai dar neatsispindėjo praktikoje“, – paaiškino Bercovici.Šiame naujame darbe Elgarisi vadovaujama laboratorijos komanda parodė, kaip valdyti paviršiaus formą, susidariusią, kai įpurškiamas polimero skystis, kontroliuojant rėmo formą.Rėmelį galima sukurti naudojant 3D spausdintuvą.„Mes nebedarome dalykų su šluotų kibiru, bet tai vis tiek labai paprasta“, - sakė Bercovici.
Laboratorijos tyrimų inžinierius Omeras Luria atkreipė dėmesį, kad ši nauja technologija gali greitai pagaminti ypač lygius lęšius su unikaliu reljefu.„Tikimės, kad tai gali žymiai sumažinti sudėtingų optinių komponentų sąnaudas ir gamybos laiką“, – sakė jis.
Profesorius Arie yra vienas iš Optica redaktorių, bet nedalyvavo straipsnio peržiūroje.„Tai labai geras darbas“, – apie tyrimą sakė Ali."Siekiant pagaminti asferinius optinius paviršius, dabartiniai metodai naudoja liejimo formas arba 3D spausdinimą, tačiau abu metodai yra sudėtingi per protingą laiką sukurti pakankamai lygius ir didelius paviršius."Arie mano, kad naujasis metodas padės sukurti laisvę formalių komponentų prototipas.„Pramoninei didelio kiekio detalių gamybai geriausia ruošti formas, tačiau norint greitai išbandyti naujas idėjas, tai įdomus ir elegantiškas būdas“, – sakė jis.
SPO yra viena pirmaujančių Izraelio kompanijų laisvų formų paviršių srityje.Adut ir Sturlesi teigimu, naujasis metodas turi privalumų ir trūkumų.Jie teigia, kad plastikų naudojimas riboja galimybes, nes jie nėra patvarūs esant ekstremalioms temperatūroms, o jų galimybės pasiekti pakankamą kokybę visoje spalvų diapazone yra ribotos.Kalbant apie privalumus, jie atkreipė dėmesį į tai, kad ši technologija gali žymiai sumažinti sudėtingų plastikinių lęšių, kurie naudojami visuose mobiliuosiuose telefonuose, gamybos sąnaudas.
Adutas ir Sturlesi pridūrė, kad taikant tradicinius gamybos metodus plastikinių lęšių skersmuo yra ribotas, nes kuo jie didesni, tuo tikslesni tampa.Jie teigė, kad pagal Bercovici metodą lęšių gamyba skystyje gali užkirsti kelią iškraipymui, kuris gali sukurti labai galingus optinius komponentus – nesvarbu, ar tai būtų sferiniai, ar laisvos formos lęšiai.
Netikėčiausias Technion komandos projektas buvo didelio objektyvo pasirinkimas.Čia viskas prasidėjo nuo atsitiktinio pokalbio ir naivaus klausimo.„Viskas apie žmones“, – sakė Berkovičius.Kai jis paklausė Berkovičiaus, NASA mokslininkui daktarui Edwardui Barabanui pasakė, kad žinojo jo projektą Stanfordo universitete, o jį pažinojo Stanfordo universitete: „Manote, kad galite padaryti tokį objektyvą kosminiam teleskopui. ?”
„Tai skambėjo kaip beprotiška idėja, – prisiminė Berkovičius, – bet ji buvo giliai įspausta mano galvoje.Sėkmingai užbaigus laboratorinį tyrimą, Izraelio mokslininkai suprato, kad šis metodas gali būti naudojamas kosmose.Galų gale, ten galite pasiekti mikrogravitacijos sąlygas be plūduriuojančių skysčių.„Paskambinau Edvardui ir pasakiau jam, kad tai veikia!
Kosminiai teleskopai turi didelių pranašumų prieš antžeminius teleskopus, nes jiems nedaro įtakos atmosferos ar šviesos tarša.Didžiausia kosminių teleskopų kūrimo problema yra ta, kad jų dydį riboja paleidimo įrenginio dydis.Šiuo metu Žemėje teleskopų skersmuo siekia iki 40 metrų.Hablo kosminis teleskopas turi 2,4 metro skersmens veidrodį, o James Webb teleskopas turi 6,5 metro skersmens veidrodį – mokslininkams prireikė 25 metų, kad pasiektų šį pasiekimą, kuris kainavo 9 milijardus JAV dolerių, iš dalies dėl to, kad A sistema turi būti sukurtas, galintis paleisti teleskopą sulankstytą ir automatiškai jį atidaryti erdvėje.
Kita vertus, skystis jau yra „sulankstyto“ būsenoje.Pavyzdžiui, galite užpildyti siųstuvą skystu metalu, pridėti įpurškimo mechanizmą ir išsiplėtimo žiedą, o tada padaryti veidrodį erdvėje.„Tai iliuzija“, – pripažino Berkovičius.„Mama manęs paklausė: „Kada būsi pasiruošęs?Aš jai pasakiau: „Gal po kokių 20 metų.Ji pasakė, kad neturi laiko laukti.
Jei ši svajonė išsipildys, tai gali pakeisti kosmoso tyrimų ateitį.Šiandien Berkovičius atkreipė dėmesį, kad žmonės neturi galimybės tiesiogiai stebėti egzoplanetų-planetų už Saulės sistemos ribų, nes tam reikia 10 kartų didesnio Žemės teleskopo nei esami teleskopai – o tai visiškai neįmanoma naudojant esamas technologijas.
Kita vertus, Bercovici pridūrė, kad šiuo metu didžiausias kosminis paleidimo įrenginys „SpaceX“ „Falcon Heavy“ gali gabenti 20 kubinių metrų skysčio.Jis paaiškino, kad teoriškai „Falcon Heavy“ galėtų būti panaudotas skysčiui paleisti į orbitos tašką, kur iš skysčio būtų galima pagaminti 75 metrų skersmens veidrodį – paviršiaus plotas ir surinkta šviesa būtų 100 kartų didesnė nei pastarojo. .James Webb teleskopas.
Tai svajonė, kurią įgyvendinti prireiks daug laiko.Tačiau NASA į tai žiūri rimtai.Kartu su NASA Ames tyrimų centro inžinierių ir mokslininkų komanda, vadovaujama Balabano, ši technologija išbandoma pirmą kartą.
Gruodžio pabaigoje Bercovici laboratorijos komandos sukurta sistema bus nusiųsta į Tarptautinę kosminę stotį, kur bus atlikta daugybė eksperimentų, leidžiančių astronautams gaminti ir išgydyti lęšius kosmose.Prieš tai šį savaitgalį Floridoje bus atliekami eksperimentai, siekiant patikrinti, ar įmanoma gaminti aukštos kokybės lęšius naudojant mikrogravitaciją, nereikalaujant jokio plūduriuojančio skysčio.
Fluid Telescope Experiment (FLUTE) buvo atliktas sumažintos gravitacijos orlaiviu – visos šio lėktuvo sėdynės buvo pašalintos, kad būtų galima apmokyti astronautus ir filmuoti nulinės gravitacijos scenas filmuose.Manevruojant antiparabolės pavidalu kylančios, o vėliau laisvai krentančios formos orlaivyje trumpam sukuriamos mikrogravitacijos sąlygos.„Tai ne veltui vadinama vėmalų kometa“, – šypsodamasis sakė Berkovičius.Laisvasis kritimas trunka apie 20 sekundžių, kai orlaivio gravitacija yra artima nuliui.Per šį laikotarpį mokslininkai bandys pagaminti skystą lęšį ir atlikti matavimus, įrodančius, kad lęšio kokybė yra pakankamai gera, tada plokštuma tampa tiesi, gravitacija visiškai atsistato, o objektyvas tampa bala.
Eksperimentas planuojamas dviem skrydžiais ketvirtadienį ir penktadienį, kiekviename su 30 parabolių.Bercovici ir dauguma laboratorijos komandos narių, įskaitant Elgarisį ir Luriją, bei Frumkiną iš Masačusetso technologijos instituto.
Per mano vizitą Technion laboratorijoje jaudulys buvo didžiulis.Ant grindų yra 60 kartoninių dėžių, kuriose yra 60 pačių pagamintų nedidelių rinkinių eksperimentams.Luria paskutiniai ir paskutinę minutę tobulina kompiuterizuotą eksperimentinę sistemą, kurią jis sukūrė objektyvo veikimui matuoti.
Tuo pačiu metu komanda atlieka laiko skaičiavimo pratybas prieš kritinius momentus.Viena komanda stovėjo su chronometru, o kitos turėjo 20 sekundžių, kad padarytų šūvį.Pačiame orlaivyje sąlygos bus dar prastesnės, ypač po kelių laisvų kritimų ir pakilimų į viršų esant padidintai gravitacijai.
Ne tik „Technion“ komanda džiaugiasi.Barabanas, pagrindinis NASA Fleitos eksperimento tyrėjas, Haaretzui sakė: „Taikant skysčio formavimo metodą gali būti sukurti galingi kosminiai teleskopai su dešimčių ar net šimtų metrų apertūra.Pavyzdžiui, tokiais teleskopais galima tiesiogiai stebėti kitų žvaigždžių aplinką.Planeta, palengvina didelės skiriamosios gebos jos atmosferos analizę ir netgi gali nustatyti didelio masto paviršiaus ypatybes.Šis metodas taip pat gali paskatinti kitus kosmoso pritaikymus, pvz., aukštos kokybės optinius komponentus, skirtus energijos surinkimui ir perdavimui, mokslinius instrumentus ir medicininę įrangą. Kosmoso gamyba atlieka svarbų vaidmenį besiformuojančioje kosmoso ekonomikoje.
Prieš pat lipdamas į lėktuvą ir leisdamasis į savo gyvenimo nuotykį, Berkovičius nustebęs akimirką stabtelėjo.„Aš nuolat klausiu savęs, kodėl niekas anksčiau apie tai negalvojo“, - sakė jis.„Kiekvieną kartą eidamas į konferenciją bijau, kad kas nors atsistos ir nepasakys, kad kai kurie Rusijos tyrinėtojai tai padarė prieš 60 metų.Juk tai toks paprastas metodas“.
Paskelbimo laikas: 2021-12-21