Prof. Moran Bercovici en dr. Valeri Frumkin het goedkoop tegnologie ontwikkel vir die vervaardiging van optiese lense, en dit is moontlik om brille te vervaardig vir baie ontwikkelende lande waar brille nie beskikbaar is nie.Nou sê NASA dit kan gebruik word om ruimteteleskope te maak
Wetenskap vorder gewoonlik in klein stappe.'n Klein stukkie inligting word by elke nuwe eksperiment gevoeg.Dit is selde dat 'n eenvoudige idee wat in die brein van 'n wetenskaplike verskyn, tot 'n groot deurbraak lei sonder om enige tegnologie te gebruik.Maar dit is wat gebeur het met twee Israeliese ingenieurs wat 'n nuwe metode ontwikkel het om optiese lense te vervaardig.
Die stelsel is eenvoudig, goedkoop en akkuraat, en kan 'n groot impak op tot een derde van die wêreld se bevolking hê.Dit kan ook die gesig van ruimtenavorsing verander.Om dit te ontwerp het die navorsers net 'n wit bord, 'n merker, 'n uitveër en 'n bietjie geluk nodig.
Professor Moran Bercovici en dr. Valeri Frumkin van die Meganiese Ingenieurswese Departement van die Technion-Israel Institute of Technology in Haifa spesialiseer in vloeimeganika, nie optika nie.Maar 'n jaar en 'n half gelede, by die World Laureate Forum in Sjanghai, het Berkovic toevallig saam met David Ziberman, 'n Israeliese ekonoom, gesit.
Zilberman is 'n Wolf-pryswenner, en nou aan die Universiteit van Kalifornië, Berkeley, het hy oor sy navorsing in ontwikkelende lande gepraat.Bercovici het sy vloeibare eksperiment beskryf.Toe vra Ziberman 'n eenvoudige vraag: "Kan jy dit gebruik om glase te maak?"
"As jy aan ontwikkelende lande dink, dink jy gewoonlik aan malaria, oorlog, honger," het Berkovic gesê.“Maar Ziberman het iets gesê wat ek glad nie weet nie – 2,5 miljard mense in die wêreld het ’n bril nodig, maar kan dit nie kry nie.Dit is ’n wonderlike getal.”
Bercovici het teruggekeer huis toe en gevind dat 'n verslag van die Wêreld Ekonomiese Forum hierdie getal bevestig het.Alhoewel dit net 'n paar dollar kos om 'n eenvoudige bril te maak, word goedkoop glase nie in die meeste wêrelddele vervaardig of verkoop nie.
Die impak is groot, wat wissel van kinders wat nie die swartbord in die skool kan sien nie tot volwassenes wie se sig so verswak dat hulle hul werk verloor.Benewens die benadeling van mense se lewenskwaliteit, word die koste van die wêreldekonomie na raming so hoog as US$3 triljoen per jaar beloop.
Ná die gesprek kon Berkovic snags nie slaap nie.Toe hy by Technion aankom, het hy hierdie kwessie met Frumkin bespreek, wat destyds 'n postdoktorale navorser in sy laboratorium was.
"Ons het 'n skoot op die witbord geteken en daarna gekyk," het hy onthou."Ons weet instinktief dat ons nie hierdie vorm met ons vloeistofbeheertegnologie kan skep nie, en ons wil uitvind hoekom."
Die sferiese vorm is die basis van optika omdat die lens daarvan gemaak is.In teorie het Bercovici en Frumkin geweet dat hulle 'n ronde koepel van 'n polimeer ('n vloeistof wat gestol het) kon maak om 'n lens te maak.Maar vloeistowwe kan net in klein volumes bolvormig bly.Wanneer hulle groter is, sal swaartekrag hulle in plasse verpletter.
"So wat ons moet doen is om van swaartekrag ontslae te raak," het Bercovici verduidelik.En dit is presies wat hy en Frumkin gedoen het.Nadat hulle hul witbord bestudeer het, het Frumkin met 'n baie eenvoudige idee vorendag gekom, maar dit is nie duidelik hoekom niemand voorheen daaraan gedink het nie - as die lens in 'n vloeistofkamer geplaas word, kan die effek van swaartekrag uitgeskakel word.Al wat jy hoef te doen is om seker te maak dat die vloeistof in die kamer (genoem die dryfvloeistof) dieselfde digtheid het as die polimeer waaruit die lens gemaak is, en dan sal die polimeer dryf.
Nog 'n belangrike ding is om twee onmengbare vloeistowwe te gebruik, wat beteken dat hulle nie met mekaar sal meng nie, soos olie en water."Die meeste polimere is meer soos olies, so ons 'singular' dryfvloeistof is water," het Bercovici gesê.
Maar omdat water 'n laer digtheid as polimere het, moet die digtheid daarvan 'n bietjie verhoog word sodat die polimeer sal dryf.Vir hierdie doel het die navorsers ook minder eksotiese materiale gebruik - sout, suiker of gliserien.Bercovici het gesê die finale komponent van die proses is 'n stewige raam waarin polimeer ingespuit word sodat die vorm daarvan beheer kan word.
Wanneer die polimeer sy finale vorm bereik, word dit met ultravioletstraling genees en word dit 'n soliede lens.Om die raam te maak, het die navorsers 'n eenvoudige rioolpyp gebruik, in 'n ring gesny, of 'n petriskottel wat van onder af gesny is."Enige kind kan dit by die huis maak, en ek en my dogters het by die huis gemaak," het Bercovici gesê.“Oor die jare het ons baie dinge in die laboratorium gedoen, waarvan sommige baie ingewikkeld is, maar daar is geen twyfel dat dit die eenvoudigste en maklikste ding is wat ons gedoen het nie.Miskien die belangrikste.”
Frumkin het sy eerste skoot geskep op dieselfde dag wat hy aan die oplossing gedink het."Hy het vir my 'n foto op WhatsApp gestuur," het Berkovic onthou."In retrospek was dit 'n baie klein en lelike lens, maar ons was baie gelukkig."Frumkin het voortgegaan om hierdie nuwe uitvinding te bestudeer.“Die vergelyking wys sodra jy swaartekrag verwyder, maak dit nie saak of die raam een sentimeter of een kilometer is nie;afhangende van die hoeveelheid materiaal, sal jy altyd dieselfde vorm kry.”
Die twee navorsers het voortgegaan om met die tweedegenerasie geheime bestanddeel, die mop-emmer, te eksperimenteer en dit gebruik om ’n lens met ’n deursnee van 20 cm te skep wat geskik is vir teleskope.Die koste van die lens neem eksponensieel toe met die deursnee, maar met hierdie nuwe metode, ongeag die grootte, is al wat jy nodig het goedkoop polimeer, water, sout (of gliserien) en 'n ringvorm.
Die bestanddeellys dui op 'n groot verskuiwing in tradisionele lensvervaardigingsmetodes wat vir 300 jaar byna onveranderd gebly het.In die aanvanklike stadium van die tradisionele proses word 'n glas- of plastiekplaat meganies gemaal.Byvoorbeeld, by die vervaardiging van brillense word ongeveer 80% van die materiaal vermors.Deur gebruik te maak van die metode wat deur Bercovici en Frumkin ontwerp is, word, in plaas daarvan om vaste materiale te maal, vloeistof in die raam ingespuit, sodat die lens in 'n heeltemal afvalvrye proses vervaardig kan word.Hierdie metode vereis ook nie polering nie, want die oppervlakspanning van die vloeistof kan 'n uiters gladde oppervlak verseker.
Haaretz het Technion se laboratorium besoek, waar doktorale student Mor Elgarisi die proses gedemonstreer het.Hy het polimeer in 'n ring in 'n klein vloeistofkamer ingespuit, dit met 'n UV-lamp bestraal en twee minute later vir my 'n paar chirurgiese handskoene gegee.Ek het my hand baie versigtig in die water gedoop en die lens uitgetrek."Dit is dit, die verwerking is verby," het Berkovic geskree.
Die lense is absoluut glad om aan te raak.Dit is nie net 'n subjektiewe gevoel nie: Bercovici sê selfs sonder polering is die oppervlakruwheid van 'n lens wat met 'n polimeermetode gemaak is, minder as een nanometer (een biljoenste van 'n meter)."Die kragte van die natuur skep buitengewone eienskappe op hul eie, en hulle is vry," het hy gesê.Daarteenoor word optiese glas tot 100 nanometer gepoleer, terwyl die spieëls van NASA se vlagskip James Webb-ruimteteleskoop tot 20 nanometer gepoleer word.
Maar nie almal glo dat hierdie elegante metode die redder van miljarde mense regoor die wêreld sal wees nie.Professor Ady Arie van Tel Aviv Universiteit se Skool vir Elektriese Ingenieurswese het daarop gewys dat Bercovici en Frumkin se metode 'n sirkelvorm vereis waarin vloeibare polimeer ingespuit word, die polimeer self en 'n ultravioletlamp.
"Dit is nie in Indiese dorpe beskikbaar nie," het hy daarop gewys.Nog 'n kwessie wat deur SPO Precision Optics-stigter en vise-president van R&D, Niv Adut en die maatskappy se hoofwetenskaplike dr. Doron Sturlesi (albei bekend met Bercovici se werk) geopper is, is dat die vervanging van die slypproses met plastiekgietsels dit moeilik sal maak om die lens by die behoeftes.Sy mense.
Berkovic het nie paniekerig geraak nie."Kritiek is 'n fundamentele deel van die wetenskap, en ons vinnige ontwikkeling die afgelope jaar is grootliks te danke aan kundiges wat ons na die draai gedruk het," het hy gesê.Oor die haalbaarheid van vervaardiging in afgeleë gebiede, het hy bygevoeg: “Die infrastruktuur wat nodig is om glase met tradisionele metodes te vervaardig, is enorm;jy het fabrieke, masjiene en tegnici nodig, en ons het net die minimum infrastruktuur nodig.”
Bercovici het vir ons twee ultravioletstralingslampe in sy laboratorium gewys: “Hierdie een is van Amazon en kos $4, en die ander is van AliExpress en kos $1,70.As jy dit nie het nie, kan jy altyd Sunshine gebruik,” het hy verduidelik.Wat van polimere?''n Bottel van 250 ml verkoop vir $16 op Amazon.Die gemiddelde lens benodig 5 tot 10 ml, so die koste van die polimeer is ook nie 'n werklike faktor nie.”
Hy het beklemtoon dat sy metode nie die gebruik van unieke vorms vir elke lensnommer vereis nie, soos kritici beweer.'n Eenvoudige vorm is geskik vir elke lensnommer, het hy verduidelik: "Die verskil is die hoeveelheid polimeer wat ingespuit word, en om 'n silinder vir die glase te maak, is al wat nodig is om die vorm 'n bietjie te rek."
Bercovici het gesê dat die enigste duur deel van die proses die outomatisering van polimeerinspuiting is, wat presies volgens die aantal lense benodig moet word.
"Ons droom is om 'n impak in die land te hê met die minste hulpbronne," het Bercovici gesê.Alhoewel goedkoop glase na arm dorpies gebring kan word - hoewel dit nie voltooi is nie - is sy plan veel groter.“Net soos daardie bekende spreekwoord, ek wil nie vir hulle vis gee nie, ek wil hulle leer hoe om vis te vang.Sodoende sal mense hul eie glase kan maak,” het hy gesê.“Sal dit slaag?Net tyd sal die antwoord gee.”
Bercovici en Frumkin het hierdie proses beskryf in 'n artikel sowat ses maande gelede in die eerste uitgawe van Flow, 'n joernaal vir vloeimeganika-toepassings wat deur die Universiteit van Cambridge gepubliseer is.Maar die span is nie van plan om op eenvoudige optiese lense te bly nie.Nog 'n artikel wat 'n paar weke gelede in die tydskrif Optica gepubliseer is, het 'n nuwe metode beskryf vir die vervaardiging van komplekse optiese komponente op die gebied van vryvormoptika.Hierdie optiese komponente is nie konveks of konkaaf nie, maar word in 'n topografiese oppervlak gevorm, en lig word na die oppervlak van verskillende areas bestraal om die gewenste effek te verkry.Hierdie komponente kan gevind word in multifokale brille, vlieënierhelms, gevorderde projektorstelsels, virtuele en volgemaakte werklikheidstelsels en ander plekke.
Die vervaardiging van vryvormkomponente met behulp van volhoubare metodes is ingewikkeld en duur omdat dit moeilik is om hul oppervlak te slyp en te poets.Daarom het hierdie komponente tans beperkte gebruike."Daar was akademiese publikasies oor die moontlike gebruike van sulke oppervlaktes, maar dit is nog nie in praktiese toepassings weerspieël nie," het Bercovici verduidelik.In hierdie nuwe referaat het die laboratoriumspan onder leiding van Elgarisi gewys hoe om die oppervlakvorm te beheer wat geskep word wanneer polimeervloeistof ingespuit word deur die vorm van die raam te beheer.Die raam kan met 'n 3D-drukker geskep word."Ons doen nie meer dinge met 'n mop-emmer nie, maar dit is steeds baie eenvoudig," het Bercovici gesê.
Omer Luria, 'n navorsingsingenieur by die laboratorium, het daarop gewys dat hierdie nuwe tegnologie vinnig besonder gladde lense met unieke terrein kan produseer."Ons hoop dit kan die koste en produksietyd van komplekse optiese komponente aansienlik verminder," het hy gesê.
Professor Arie is een van Optica se redakteurs, maar het nie aan die resensie van die artikel deelgeneem nie."Dit is 'n baie goeie werk," het Ali oor die navorsing gesê."Om asferiese optiese oppervlaktes te produseer, gebruik huidige metodes vorms of 3D-drukwerk, maar albei metodes is moeilik om voldoende gladde en groot oppervlaktes binne 'n redelike tydraamwerk te skep."Arie glo dat die nuwe metode sal help om vryheid te skep Prototipe van formele komponente."Vir industriële produksie van groot getalle dele, is dit die beste om vorms voor te berei, maar om vinnig nuwe idees te toets, is dit 'n interessante en elegante metode," het hy gesê.
SPO is een van Israel se voorste maatskappye op die gebied van vryvormoppervlaktes.Volgens Adut en Sturlesi het die nuwe metode voordele en nadele.Hulle sê die gebruik van plastiek beperk moontlikhede omdat dit nie duursaam is teen uiterste temperature nie en hul vermoë om voldoende gehalte oor die hele kleurreeks te bereik is beperk.Wat die voordele betref, het hulle daarop gewys dat die tegnologie die potensiaal het om die produksiekoste van komplekse plastieklense, wat in alle selfone gebruik word, aansienlik te verminder.
Adut en Sturlesi het bygevoeg dat met tradisionele vervaardigingsmetodes die deursnee van plastieklense beperk is, want hoe groter hulle is, hoe minder presies word hulle.Hulle het gesê dat, volgens Bercovici se metode, die vervaardiging van lense in vloeistof vervorming kan voorkom, wat baie kragtige optiese komponente kan skep - hetsy in die veld van sferiese lense of vryvormlense.
Die mees onverwagte projek van die Technion-span was om 'n groot lens te vervaardig.Hier het alles begin met 'n toevallige gesprek en 'n naïewe vraag."Dit gaan alles oor mense," het Berkovic gesê.Toe hy vir Berkovic gevra het, het hy vir dr. Edward Baraban, 'n NASA-navorsingswetenskaplike, vertel dat hy sy projek by Stanford Universiteit ken, en hy ken hom by Stanford Universiteit: "Jy dink jy kan Maak jy so 'n lens vir 'n ruimteteleskoop ?”
"Dit het na 'n mal idee geklink," onthou Berkovic, "maar dit was diep in my gedagtes ingeprent."Nadat die laboratoriumtoets suksesvol afgehandel is, het Israeliese navorsers besef dat die metode gebruik kan word in Dit werk op dieselfde manier in die ruimte.Jy kan immers mikroswaartekragtoestande daar bereik sonder dat dit nodig is vir dryfvloeistowwe.“Ek het Edward gebel en vir hom gesê, dit werk!”
Ruimteteleskope het groot voordele bo grondgebaseerde teleskope omdat hulle nie deur atmosferiese of ligbesoedeling geraak word nie.Die grootste probleem met die ontwikkeling van ruimteteleskope is dat hul grootte beperk word deur die grootte van die lanseerder.Op Aarde het teleskope tans 'n deursnee van tot 40 meter.Die Hubble-ruimteteleskoop het 'n spieël van 2,4 meter deursnee, terwyl die James Webb-teleskoop 'n spieël van 6,5 meter deursnee het - dit het wetenskaplikes 25 jaar geneem om hierdie prestasie te behaal, wat 9 miljard Amerikaanse dollar kos, deels omdat 'n stelsel moet wees ontwikkel wat die teleskoop in 'n gevoude posisie kan lanseer en dan outomaties in die ruimte oopmaak.
Aan die ander kant is Liquid reeds in 'n "gevoude" toestand.Byvoorbeeld, jy kan die sender met vloeibare metaal vul, 'n inspuitmeganisme en uitbreidingsring byvoeg en dan 'n spieël in die ruimte maak."Dit is 'n illusie," het Berkovic erken.“My ma het my gevra: 'Wanneer sal jy gereed wees?Ek het vir haar gesê: 'Miskien oor ongeveer 20 jaar.Sy het gesê sy het nie tyd om te wag nie.”
As hierdie droom waar word, kan dit die toekoms van ruimtenavorsing verander.Vandag het Berkovic daarop gewys dat mense nie die vermoë het om eksoplanete-planete buite die sonnestelsel direk waar te neem nie, want om dit te doen vereis 'n Aarde-teleskoop 10 keer groter as bestaande teleskope - wat heeltemal onmoontlik is met bestaande tegnologie.
Aan die ander kant het Bercovici bygevoeg dat die Falcon Heavy, tans die grootste ruimtelanseerder SpaceX, 20 kubieke meter vloeistof kan dra.Hy het verduidelik dat Falcon Heavy in teorie gebruik kan word om 'n vloeistof na 'n wentelpunt te lanseer, waar die vloeistof gebruik kan word om 'n spieël van 75 meter deursnee te maak—die oppervlakarea en versamelde lig sou 100 keer groter wees as laasgenoemde. .James Webb-teleskoop.
Dit is 'n droom, en dit sal lank neem om dit te verwesenlik.Maar NASA neem dit ernstig op.Saam met 'n span ingenieurs en wetenskaplikes van NASA se Ames-navorsingsentrum, gelei deur Balaban, word die tegnologie vir die eerste keer beproef.
Aan die einde van Desember sal ’n stelsel wat deur die Bercovici-laboratoriumspan ontwikkel is na die Internasionale Ruimtestasie gestuur word, waar ’n reeks eksperimente uitgevoer sal word om ruimtevaarders in staat te stel om lense in die ruimte te vervaardig en te genees.Voor dit sal eksperimente die naweek in Florida uitgevoer word om die haalbaarheid te toets om hoë kwaliteit lense onder mikroswaartekrag te vervaardig sonder dat enige dryfvloeistof nodig is.
Die Fluid Telescope Experiment (FLUTE) is op 'n vliegtuig met 'n verminderde swaartekrag uitgevoer - alle sitplekke van hierdie vliegtuig is verwyder om ruimtevaarders op te lei en om tonele met geen swaartekrag in flieks te skiet nie.Deur te maneuvreer in die vorm van 'n antiparabool word opstygende en dan vrylik dalende toestande vir 'n kort tydperk in die vliegtuig geskep.“Dit word met goeie rede 'n 'kotskomeet' genoem,” het Berkovic met 'n glimlag gesê.Die vryval duur ongeveer 20 sekondes, waarin die swaartekrag van die vliegtuig naby aan nul is.Gedurende hierdie tydperk sal die navorsers probeer om 'n vloeibare lens te maak en metings te maak om te bewys dat die kwaliteit van die lens goed genoeg is, dan word die vliegtuig reguit, die swaartekrag word ten volle herstel en die lens word 'n plas.
Die eksperiment is geskeduleer vir twee vlugte op Donderdag en Vrydag, elk met 30 parabole.Bercovici en die meeste lede van die laboratoriumspan, insluitend Elgarisi en Luria, en Frumkin van die Massachusetts Institute of Technology sal teenwoordig wees.
Tydens my besoek aan die Technion-laboratorium was die opgewondenheid oorweldigend.Daar is 60 kartondose op die vloer, wat 60 selfgemaakte klein stelle vir eksperimente bevat.Luria maak laaste en laaste-minuut verbeterings aan die gerekenariseerde eksperimentele stelsel wat hy ontwikkel het om lensprestasie te meet.
Terselfdertyd doen die span tydsberekeningsoefeninge voor kritieke oomblikke.Een span het daar gestaan met 'n stophorlosie, en die ander het 20 sekondes gehad om 'n skoot te maak.Op die vliegtuig self sal die toestande selfs erger wees, veral na verskeie vryval en opwaartse opligs onder verhoogde swaartekrag.
Dit is nie net die Tegnion-span wat opgewonde is nie.Baraban, die hoofnavorser van NASA se Fluit-eksperiment, het aan Haaretz gesê: “Die vloeistofvormmetode kan kragtige ruimteteleskope tot gevolg hê met openinge van tien of selfs honderde meters.Sulke teleskope kan byvoorbeeld die omgewing van ander sterre direk waarneem.Planeet, fasiliteer hoë-resolusie-analise van sy atmosfeer, en kan selfs grootskaalse oppervlakkenmerke identifiseer.Hierdie metode kan ook lei tot ander ruimtetoepassings, soos optiese komponente van hoë gehalte vir energie-oes en -oordrag, wetenskaplike instrumente en mediese toerusting Ruimtevervaardiging - en speel dus 'n belangrike rol in die opkomende ruimteekonomie.
Kort voordat Berkovic op die vliegtuig geklim het en die avontuur van sy lewe aangepak het, het Berkovic vir 'n oomblik verras stilgestaan."Ek vra myself voortdurend af hoekom niemand voorheen hieraan gedink het nie," het hy gesê.“Elke keer as ek na 'n konferensie gaan, is ek bang dat iemand sal opstaan en sê dat sommige Russiese navorsers dit 60 jaar gelede gedoen het.Dit is immers so ’n eenvoudige metode.”
Postyd: 21 Desember 2021