El professor Moran Bercovici i el doctor Valeri Frumkin han desenvolupat una tecnologia barata per a la fabricació de lents òptiques, i és possible produir ulleres per a molts països en desenvolupament on no hi ha ulleres disponibles.Ara, la NASA diu que es pot utilitzar per fer telescopis espacials
La ciència sol avançar a petits passos.S'afegeix una petita informació a cada experiment nou.És rar que una idea simple que apareix al cervell d'un científic condueixi a un gran avenç sense utilitzar cap tecnologia.Però això és el que va passar amb dos enginyers israelians que van desenvolupar un nou mètode de fabricació de lents òptiques.
El sistema és senzill, barat i precís, i podria tenir un gran impacte en fins a un terç de la població mundial.També pot canviar la cara de la investigació espacial.Per dissenyar-lo, els investigadors només necessiten una pissarra blanca, un retolador, una goma d'esborrar i una mica de sort.
El professor Moran Bercovici i el doctor Valeri Frumkin del Departament d'Enginyeria Mecànica de l'Institut Tecnològic d'Israel Technion a Haifa s'especialitzen en mecànica de fluids, no en òptica.Però fa un any i mig, al Fòrum Mundial dels Premis a Xangai, Berkovic es va asseure amb David Ziberman, un economista israelià.
Zilberman és un guanyador del premi Wolf, i ara a la Universitat de Califòrnia, Berkeley, va parlar de la seva investigació als països en desenvolupament.Bercovici va descriure el seu experiment amb fluids.Aleshores, Ziberman va fer una pregunta senzilla: "Pots utilitzar això per fer ulleres?"
"Quan penses en països en desenvolupament, normalment penses en la malària, la guerra, la fam", va dir Berkovic."Però Ziberman va dir una cosa que no sé gens: 2.500 milions de persones al món necessiten ulleres però no les poden aconseguir.Aquest és un nombre sorprenent".
Bercovici va tornar a casa i va comprovar que un informe del Fòrum Econòmic Mundial confirmava aquesta xifra.Tot i que només costa uns quants dòlars fer un simple parell d'ulleres, les ulleres barates no es fabriquen ni es venen a la majoria de parts del món.
L'impacte és enorme, des dels nens que no veuen la pissarra a l'escola fins als adults als quals la vista es deteriora tant que perden la feina.A més de perjudicar la qualitat de vida de les persones, s'estima que el cost de l'economia global arriba als 3 bilions de dòlars anuals.
Després de la conversa, Berkovic no va poder dormir a la nit.Quan va arribar a Technion, va parlar d'aquest tema amb Frumkin, que en aquell moment era investigador postdoctoral al seu laboratori.
"Vam dibuixar un pla a la pissarra i el vam mirar", va recordar."Sabem instintivament que no podem crear aquesta forma amb la nostra tecnologia de control de fluids i volem esbrinar per què".
La forma esfèrica és la base de l'òptica perquè la lent està feta d'elles.En teoria, Bercovici i Frumkin sabien que podrien fer una cúpula rodona a partir d'un polímer (un líquid que s'havia solidificat) per fer una lent.Però els líquids només poden romandre esfèrics en petits volums.Quan siguin més grans, la gravetat els aixafarà en bassals.
"Així que el que hem de fer és desfer-nos de la gravetat", va explicar Bercovici.I això és exactament el que van fer ell i Frumkin.Després d'estudiar la seva pissarra, a Frumkin se li va ocórrer una idea molt senzilla, però no està clar per què ningú no hi havia pensat abans: si la lent es col·loca en una cambra líquida, es pot eliminar l'efecte de la gravetat.Tot el que heu de fer és assegurar-vos que el líquid de la cambra (anomenat líquid flotant) tingui la mateixa densitat que el polímer del qual està feta la lent, i aleshores el polímer flotarà.
Una altra cosa important és utilitzar dos fluids immiscibles, és a dir, que no es barregin entre ells, com l'oli i l'aigua."La majoria dels polímers s'assemblen més als olis, de manera que el nostre líquid "singular" és l'aigua", va dir Bercovici.
Però com que l'aigua té una densitat més baixa que els polímers, la seva densitat s'ha d'augmentar una mica perquè el polímer suri.Amb aquesta finalitat, els investigadors també van utilitzar materials menys exòtics: sal, sucre o glicerina.Bercovici va dir que el component final del procés és un marc rígid en el qual s'injecta polímer perquè es pugui controlar la seva forma.
Quan el polímer arriba a la seva forma final, es cura amb radiació ultraviolada i es converteix en una lent sòlida.Per fer el marc, els investigadors van utilitzar una canonada d'aigües residuals senzilla, tallada en un anell, o una placa de Petri tallada des de la part inferior."Qualsevol nen els pot fer a casa, i les meves filles i jo en vam fer a casa", va dir Bercovici.“Al llarg dels anys hem fet moltes coses al laboratori, algunes de les quals són molt complicades, però no hi ha dubte que això és el més senzill i fàcil que hem fet.Potser el més important."
Frumkin va crear la seva primera presa el mateix dia que va pensar en la solució."M'ha enviat una foto per WhatsApp", va recordar Berkovic."En retrospectiva, aquesta era una lent molt petita i lletja, però estàvem molt contents".Frumkin va continuar estudiant aquest nou invent.“L'equació mostra que un cop s'elimina la gravetat, no importa si el marc és d'un centímetre o d'un quilòmetre;depenent de la quantitat de material, sempre tindreu la mateixa forma".
Els dos investigadors van continuar experimentant amb l'ingredient secret de segona generació, el cubell de la fregona, i el van utilitzar per crear una lent amb un diàmetre de 20 cm apta per a telescopis.El cost de la lent augmenta exponencialment amb el diàmetre, però amb aquest nou mètode, independentment de la mida, només necessites polímer barat, aigua, sal (o glicerina) i un motlle d'anell.
La llista d'ingredients marca un gran canvi en els mètodes tradicionals de fabricació de lents que s'han mantingut gairebé sense canvis durant 300 anys.En l'etapa inicial del procés tradicional, es tritura mecànicament una placa de vidre o plàstic.Per exemple, quan es fabriquen lents d'ulleres, es malbarata al voltant del 80% del material.Mitjançant el mètode dissenyat per Bercovici i Frumkin, en comptes de triturar materials sòlids, s'injecta líquid a la montura, de manera que la lent es pot fabricar en un procés totalment lliure de residus.Aquest mètode tampoc requereix poliment, ja que la tensió superficial del fluid pot garantir una superfície extremadament llisa.
Haaretz va visitar el laboratori de Technion, on l'estudiant de doctorat Mor Elgarisi va demostrar el procés.Va injectar polímer en un anell en una petita cambra de líquid, el va irradiar amb una làmpada UV i em va lliurar un parell de guants quirúrgics dos minuts més tard.Vaig submergir amb molta cura la mà a l'aigua i vaig treure la lent."Això és tot, el processament s'ha acabat", va cridar Berkovic.
Les lents són absolutament suaus al tacte.Això no és només una sensació subjectiva: Bercovici diu que, fins i tot sense polir, la rugositat superficial d'una lent feta amb un mètode de polímer és inferior a un nanòmetre (una mil milions de metre)."Les forces de la natura creen qualitats extraordinàries per si soles i són lliures", va dir.En canvi, el vidre òptic està polit fins a 100 nanòmetres, mentre que els miralls del telescopi espacial James Webb de la NASA es politen fins a 20 nanòmetres.
Però no tothom creu que aquest mètode elegant serà el salvador de milers de milions de persones a tot el món.El professor Ady Arie de l'Escola d'Enginyeria Elèctrica de la Universitat de Tel Aviv va assenyalar que el mètode de Bercovici i Frumkin requereix un motlle circular en el qual s'injecta polímer líquid, el propi polímer i una làmpada ultraviolada.
"Aquests no estan disponibles als pobles indis", va assenyalar.Una altra qüestió plantejada pel fundador i vicepresident de R+D de SPO Precision Optics, Niv Adut, i el científic en cap de la companyia, el Dr. Doron Sturlesi (ambdós familiaritzats amb el treball de Bercovici), és que substituir el procés de mòlta per peces de fosa de plàstic dificultarà l'adaptació de la lent a la necessitats.La seva gent.
Berkovic no va entrar en pànic."La crítica és una part fonamental de la ciència, i el nostre ràpid desenvolupament durant l'últim any es deu en gran part als experts que ens van portar a la cantonada", va dir.Pel que fa a la viabilitat de fabricar en zones remotes, ha afegit: “La infraestructura necessària per fabricar ulleres amb mètodes tradicionals és enorme;necessites fàbriques, màquines i tècnics, i només necessitem la infraestructura mínima”.
Bercovici ens va ensenyar dues làmpades de radiació ultraviolada al seu laboratori: “Aquest és d'Amazon i costa 4 dòlars, i l'altre és d'AliExpress i costa 1,70 dòlars.Si no en tens, sempre pots fer servir Sunshine”, ha explicat.Què passa amb els polímers?"Una ampolla de 250 ml es ven per 16 dòlars a Amazon.La lent mitjana requereix de 5 a 10 ml, de manera que el cost del polímer tampoc és un factor real".
Va destacar que el seu mètode no requereix l'ús de motlles únics per a cada número de lent, com afirmen els crítics.Un motlle senzill és adequat per a cada número de lent, va explicar: "La diferència és la quantitat de polímer injectat, i per fer un cilindre per a les ulleres, només cal estirar una mica el motlle".
Bercovici va dir que l'única part costosa del procés és l'automatització de la injecció de polímers, que s'ha de fer precisament segons el nombre de lents necessàries.
"El nostre somni és tenir impacte al país amb menys recursos", va dir Bercovici.Tot i que es poden portar ulleres barates als pobles pobres, encara que això no s'ha acabat, el seu pla és molt més gran.“Igual que aquell famós proverbi, no els vull donar peix, vull ensenyar-los a pescar.D'aquesta manera, la gent es podrà fer les seves pròpies ulleres”, va dir.“Tindreu èxit?Només el temps donarà la resposta".
Bercovici i Frumkin van descriure aquest procés en un article de fa uns sis mesos a la primera edició de Flow, una revista d'aplicacions de mecànica de fluids publicada per la Universitat de Cambridge.Però l'equip no pretén quedar-se amb lents òptiques simples.Un altre article publicat a la revista Optica fa unes setmanes va descriure un nou mètode per a la fabricació de components òptics complexos en el camp de l'òptica de forma lliure.Aquests components òptics no són ni convexos ni còncaus, sinó que estan modelats en una superfície topogràfica i la llum s'irradia a la superfície de diferents àrees per aconseguir l'efecte desitjat.Aquests components es poden trobar en ulleres multifocals, cascos de pilot, sistemes de projectors avançats, sistemes de realitat virtual i augmentada i altres llocs.
La fabricació de components de forma lliure utilitzant mètodes sostenibles és complicat i costós perquè és difícil rectificar i polir la seva superfície.Per tant, aquests components actualment tenen usos limitats."Hi ha hagut publicacions acadèmiques sobre els possibles usos d'aquestes superfícies, però això encara no s'ha reflectit en aplicacions pràctiques", ha explicat Bercovici.En aquest nou article, l'equip de laboratori liderat per Elgarisi va mostrar com controlar la forma superficial creada quan s'injecta líquid de polímer controlant la forma del marc.El marc es pot crear amb una impressora 3D."Ja no fem coses amb un cubell de fregona, però encara és molt senzill", va dir Bercovici.
Omer Luria, enginyer investigador del laboratori, va assenyalar que aquesta nova tecnologia pot produir ràpidament lents especialment suaus amb un terreny únic."Esperem que pugui reduir significativament el cost i el temps de producció de components òptics complexos", va dir.
El professor Arie és un dels editors d'Optica, però no va participar en la revisió de l'article."Aquesta és una molt bona feina", va dir Ali sobre la investigació."Per produir superfícies òptiques asfèriques, els mètodes actuals utilitzen motlles o impressió 3D, però ambdós mètodes són difícils de crear superfícies prou llises i grans en un període de temps raonable".Arie creu que el nou mètode ajudarà a crear llibertat Prototip de components formals."Per a la producció industrial de grans quantitats de peces, el millor és preparar motlles, però per provar noves idees ràpidament, aquest és un mètode interessant i elegant", va dir.
SPO és una de les empreses líders d'Israel en el camp de les superfícies de forma lliure.Segons Adut i Sturlesi, el nou mètode té avantatges i desavantatges.Diuen que l'ús de plàstics limita les possibilitats perquè no són duradors a temperatures extremes i la seva capacitat per aconseguir una qualitat suficient en tota la gamma de colors és limitada.Pel que fa als avantatges, van assenyalar que la tecnologia té el potencial de reduir significativament el cost de producció de lents de plàstic complexes, que s'utilitzen en tots els telèfons mòbils.
Adut i Sturlesi van afegir que amb els mètodes de fabricació tradicionals, el diàmetre de les lents de plàstic és limitat perquè com més grans són, menys precises són.Van dir que, segons el mètode de Bercovici, la fabricació de lents en líquid pot evitar la distorsió, la qual cosa pot crear components òptics molt potents, ja sigui en el camp de les lents esfèriques o de les lents de forma lliure.
El projecte més inesperat de l'equip de Technion va ser triar produir una lent gran.Aquí, tot va començar amb una conversa accidental i una pregunta ingènua."Tot és qüestió de persones", va dir Berkovic.Quan li va preguntar a Berkovic, li deia al doctor Edward Baraban, un científic investigador de la NASA, que coneixia el seu projecte a la Universitat de Stanford, i que el coneixia a la Universitat de Stanford: "Creus que pots fer una lent així per a un telescopi espacial. ?”
"Semblava una idea boja", va recordar Berkovic, "però va quedar profundament gravat a la meva ment".Després de completar amb èxit la prova de laboratori, els investigadors israelians es van adonar que el mètode es podria utilitzar en Funciona de la mateixa manera a l'espai.Després de tot, podeu aconseguir condicions de microgravetat allà sense necessitat de líquids flotants."Vaig trucar a l'Edward i li vaig dir que funciona!"
Els telescopis espacials tenen grans avantatges respecte als telescopis terrestres perquè no es veuen afectats per la contaminació atmosfèrica o lumínica.El problema més gran amb el desenvolupament dels telescopis espacials és que la seva mida està limitada per la mida del llançador.A la Terra, els telescopis tenen actualment un diàmetre de fins a 40 metres.El telescopi espacial Hubble té un mirall de 2,4 metres de diàmetre, mentre que el telescopi James Webb té un mirall de 6,5 metres de diàmetre; els científics van trigar 25 anys a aconseguir aquest assoliment, que va costar 9.000 milions de dòlars nord-americans, en part perquè un sistema ha de ser desenvolupat que pot llançar el telescopi en una posició plegada i després obrir-lo automàticament a l'espai.
D'altra banda, Liquid ja es troba en estat "plegat".Per exemple, podeu omplir el transmissor amb metall líquid, afegir un mecanisme d'injecció i un anell d'expansió i després fer un mirall a l'espai."Això és una il·lusió", va admetre Berkovic."La meva mare em va preguntar:" Quan estaràs a punt?Li vaig dir: "Potser d'aquí a uns 20 anys.Va dir que no tenia temps d'esperar".
Si aquest somni es fa realitat, pot canviar el futur de la investigació espacial.Avui Berkovic va assenyalar que els humans no tenim la capacitat d'observar directament exoplanetes, planetes fora del sistema solar, perquè fer-ho requereix un telescopi terrestre 10 vegades més gran que els telescopis existents, cosa que és completament impossible amb la tecnologia existent.
D'altra banda, Bercovici ha afegit que el Falcon Heavy, actualment el llançador espacial més gran de SpaceX, pot transportar 20 metres cúbics de líquid.Va explicar que, en teoria, Falcon Heavy es podria utilitzar per llançar un líquid a un punt orbital, on el líquid es podria utilitzar per fer un mirall de 75 metres de diàmetre: la superfície i la llum recollida serien 100 vegades més grans que aquest últim. .Telescopi James Webb.
Això és un somni i trigarà molt de temps a realitzar-lo.Però la NASA s'ho està prenent seriosament.Juntament amb un equip d'enginyers i científics del Centre de Recerca Ames de la NASA, dirigit per Balaban, la tecnologia s'està provant per primera vegada.
A finals de desembre, un sistema desenvolupat per l'equip del laboratori Bercovici s'enviarà a l'Estació Espacial Internacional, on es realitzaran una sèrie d'experiments per permetre als astronautes fabricar i curar lents a l'espai.Abans d'això, aquest cap de setmana es faran experiments a Florida per provar la viabilitat de produir lents d'alta qualitat sota microgravetat sense necessitat de cap líquid flotant.
L'Experiment del Telescopi Fluid (FLUTE) es va dur a terme en un avió de gravetat reduïda; tots els seients d'aquest avió es van retirar per entrenar astronautes i gravar escenes de gravetat zero a pel·lícules.En maniobrar en forma d'antiparàbola ascendent i després baixant lliurement, es creen condicions de microgravetat a l'avió durant un curt període de temps."Es diu "cometa de vòmit" per una bona raó", va dir Berkovic amb un somriure.La caiguda lliure dura uns 20 segons, en què la gravetat de l'avió és propera a zero.Durant aquest període, els investigadors intentaran fer una lent líquida i fer mesures per demostrar que la qualitat de la lent és prou bona, després l'avió es torna recte, la gravetat es restaura completament i la lent es converteix en un bassal.
L'experiment està previst per a dos vols el dijous i el divendres, cadascun amb 30 paràboles.Bercovici i la majoria dels membres de l'equip del laboratori, inclosos Elgarisi i Luria, i Frumkin de l'Institut Tecnològic de Massachusetts hi seran presents.
Durant la meva visita al laboratori Technion, l'emoció va ser aclaparadora.Hi ha 60 caixes de cartró al terra, que contenen 60 petits kits fets per a experiments.Luria està fent millores finals i d'última hora al sistema experimental informatitzat que va desenvolupar per mesurar el rendiment de les lents.
Al mateix temps, l'equip està realitzant exercicis de cronometratge abans dels moments crítics.Un equip es va quedar amb un cronòmetre i els altres van tenir 20 segons per fer un xut.A l'aeronau en si, les condicions seran encara pitjors, sobretot després de diverses caigudes lliures i pujades amunt sota una major gravetat.
No només l'equip de Technion està entusiasmat.Baraban, l'investigador principal de l'Experiment de flauta de la NASA, va dir a Haaretz: "El mètode de conformació de fluids pot donar lloc a telescopis espacials potents amb obertures de desenes o fins i tot centenars de metres.Per exemple, aquests telescopis poden observar directament l'entorn d'altres estrelles.Planet, facilita l'anàlisi d'alta resolució de la seva atmosfera, i fins i tot pot identificar característiques superficials a gran escala.Aquest mètode també pot donar lloc a altres aplicacions espacials, com ara components òptics d'alta qualitat per a la recollida i transmissió d'energia, instruments científics i equips mèdics. Fabricació espacial, jugant així un paper important en l'economia espacial emergent".
Poc abans de pujar a l'avió i embarcar-se en l'aventura de la seva vida, Berkovic es va aturar un moment sorprès."Em segueixo preguntant per què ningú s'havia plantejat això abans", va dir."Cada vegada que vaig a una conferència, tinc por que algú s'aixequi i digui que alguns investigadors russos ho van fer fa 60 anys.Després de tot, és un mètode tan senzill".
Hora de publicació: 21-12-2021