Профессор Моран Берковичи и доктор Валери Фрумкин разработали дешевую технологию изготовления оптических линз, и теперь можно производить очки для многих развивающихся стран, где очки недоступны.Теперь НАСА говорит, что его можно использовать для создания космических телескопов.
Наука обычно продвигается небольшими шагами.К каждому новому эксперименту добавляется небольшая порция информации.Редко бывает, чтобы простая идея, появившаяся в мозгу ученого, приводила к крупному прорыву без использования каких-либо технологий.Но именно это произошло с двумя израильскими инженерами, которые разработали новый метод изготовления оптических линз.
Система проста, дешева и точна и может оказать огромное влияние на треть населения мира.Это также может изменить лицо космических исследований.Чтобы его спроектировать, исследователям нужна только белая доска, маркер, ластик и немного удачи.
Профессор Моран Берковичи и д-р Валерий Фрумкин с факультета машиностроения Израильского технологического института Технион в Хайфе специализируются на гидромеханике, а не на оптике.Но полтора года назад на Всемирном форуме лауреатов в Шанхае Берковичу довелось сидеть с Дэвидом Зиберманом, израильским экономистом.
Зильберман — лауреат премии Вольфа, и теперь он в Калифорнийском университете в Беркли рассказал о своих исследованиях в развивающихся странах.Берковичи описал свой эксперимент с жидкостью.Тогда Зиберман задал простой вопрос: «Вы можете использовать это, чтобы сделать очки?»
«Когда вы думаете о развивающихся странах, вы обычно думаете о малярии, войне, голоде», — сказал Беркович.«Но Зиберман сказал то, чего я вообще не знаю, — 2,5 миллиарда человек в мире нуждаются в очках, но не могут их получить.Это удивительная цифра».
Берковичи вернулся домой и обнаружил, что отчет Всемирного экономического форума подтверждает эту цифру.Хотя изготовление простой пары очков стоит всего несколько долларов, дешевые очки не производятся и не продаются в большинстве стран мира.
Воздействие огромно: от детей, которые не видят доску в школе, до взрослых, чье зрение настолько ухудшается, что они теряют работу.Помимо ущерба для качества жизни людей, ущерб для мировой экономики оценивается в 3 триллиона долларов США в год.
После разговора Беркович не мог спать по ночам.Когда он прибыл в Технион, он обсудил этот вопрос с Фрумкиным, который в то время был научным сотрудником в его лаборатории.
«Мы нарисовали снимок на доске и посмотрели на него, — вспоминал он.«Мы инстинктивно знаем, что не можем создать эту форму с помощью нашей технологии управления жидкостью, и мы хотим выяснить, почему».
Сферическая форма является основой оптики, потому что из них сделана линза.Теоретически Берковичи и Фрумкин знали, что они могут сделать круглый купол из полимера (затвердевшей жидкости), чтобы сделать линзу.Но жидкости могут оставаться сферическими только в малых объемах.Когда они станут больше, гравитация раздавит их в лужи.
«Итак, нам нужно избавиться от гравитации», — объяснил Берковичи.И это именно то, что он и Фрумкин сделали.Изучив их доску, Фрумкин пришел к очень простой идее, но непонятно, почему до нее никто не додумался — если линзу поместить в камеру с жидкостью, то можно устранить влияние гравитации.Все, что вам нужно сделать, это убедиться, что жидкость в камере (называемая плавучей жидкостью) имеет ту же плотность, что и полимер, из которого сделана линза, и тогда полимер будет плавать.
Еще одним важным моментом является использование двух несмешивающихся жидкостей, что означает, что они не будут смешиваться друг с другом, например, масло и вода.«Большинство полимеров больше похожи на масла, поэтому наша «единственная» плавучая жидкость — это вода», — сказал Берковичи.
Но поскольку плотность воды меньше, чем у полимеров, ее плотность необходимо немного увеличить, чтобы полимер плавал.С этой целью исследователи также использовали менее экзотические материалы — соль, сахар или глицерин.Берковичи сказал, что конечным компонентом процесса является жесткая рама, в которую вводится полимер, чтобы можно было контролировать его форму.
Когда полимер достигает своей окончательной формы, он отверждается с помощью ультрафиолетового излучения и становится твердой линзой.Для изготовления каркаса исследователи использовали обычную канализационную трубу, разрезанную на кольцо, или чашку Петри, срезанную снизу.«Любой ребенок может сделать их дома, и мы с дочерьми сделали их дома», — сказал Берковичи.«За эти годы мы сделали много вещей в лаборатории, некоторые из которых очень сложны, но нет сомнений, что это самое простое и самое легкое, что мы сделали.Пожалуй, самое главное».
Фрумкин создал свой первый кадр в тот же день, когда придумал решение.«Он прислал мне фото в WhatsApp, — вспоминает Беркович.«Оглядываясь назад, можно сказать, что это был очень маленький и некрасивый объектив, но мы были очень довольны».Фрумкин продолжил изучение этого нового изобретения.«Уравнение показывает, что как только вы уберете гравитацию, не имеет значения, составляет ли кадр один сантиметр или один километр;в зависимости от количества материала вы всегда будете получать одну и ту же форму».
Два исследователя продолжили эксперименты с секретным ингредиентом второго поколения, ведром для швабры, и использовали его для создания линзы диаметром 20 см, подходящей для телескопов.Стоимость линз увеличивается в геометрической прогрессии с увеличением диаметра, но с этим новым методом, независимо от размера, все, что вам нужно, это дешевый полимер, вода, соль (или глицерин) и форма для колец.
Список ингредиентов знаменует собой огромный сдвиг в традиционных методах изготовления линз, которые практически не менялись на протяжении 300 лет.На начальном этапе традиционного процесса стеклянная или пластиковая пластина механически шлифуется.Например, при изготовлении очковых линз около 80 % материала уходит в отходы.Используя метод, разработанный Берковичи и Фрумкиным, вместо измельчения твердых материалов в оправу впрыскивается жидкость, так что линза может быть изготовлена в полностью безотходном процессе.Этот метод также не требует полировки, поскольку поверхностное натяжение жидкости может обеспечить чрезвычайно гладкую поверхность.
Газета Haaretz посетила лабораторию Техниона, где докторант Мор Эльгариси продемонстрировал процесс.Он ввел полимер в кольцо в небольшой жидкостной камере, облучил его УФ-лампой и через две минуты вручил мне пару хирургических перчаток.Я очень осторожно окунул руку в воду и вытащил объектив.«Все, обработка окончена», — крикнул Беркович.
Линзы абсолютно гладкие на ощупь.Это не просто субъективное ощущение: Берковичи говорит, что даже без полировки шероховатость поверхности линзы, изготовленной полимерным методом, составляет менее одного нанометра (одной миллиардной доли метра).«Силы природы сами по себе создают необычайные качества, и они свободны», — сказал он.Напротив, оптическое стекло отполировано до 100 нанометров, а зеркала флагманского космического телескопа НАСА имени Джеймса Уэбба отполированы до 20 нанометров.
Но не все верят, что этот элегантный метод станет спасением миллиардов людей по всему миру.Профессор Ади Арье из Школы электротехники Тель-Авивского университета отметил, что для метода Берковичи и Фрумкина требуется круглая форма, в которую впрыскивается жидкий полимер, сам полимер и ультрафиолетовая лампа.
«В индийских деревнях их нет», — отметил он.Другой вопрос, поднятый основателем SPO Precision Optics и вице-президентом по исследованиям и разработкам Нивом Адутом, а также главным научным сотрудником компании доктором Дороном Стурлеси (оба знакомы с работой Берковичи), заключается в том, что замена процесса шлифовки пластиковыми отливками затруднит адаптацию линзы к потребности.Его люди.
Беркович не паниковал.«Критика — фундаментальная часть науки, и наше быстрое развитие за последний год во многом связано с тем, что эксперты загоняют нас в угол», — сказал он.Что касается возможности производства очков в отдаленных районах, он добавил: «Инфраструктура, необходимая для производства очков с использованием традиционных методов, огромна;вам нужны фабрики, машины и техники, а нам нужна только минимальная инфраструктура».
Берковичи показал нам две лампы ультрафиолетового излучения в своей лаборатории: «Эта от Amazon и стоит 4 доллара, а другая от AliExpress и стоит 1,70 доллара.Если у вас их нет, вы всегда можете использовать Sunshine», — пояснил он.А полимеры?«Флакон объемом 250 мл продается на Amazon за 16 долларов.Для средней линзы требуется от 5 до 10 мл, поэтому стоимость полимера также не имеет значения».
Он подчеркнул, что его метод не требует использования уникальных форм для каждого номера объектива, как утверждают критики.Он пояснил, что для каждого номера линз подходит простая форма: «Разница заключается в количестве впрыснутого полимера, а чтобы сделать цилиндр для очков, все, что требуется, — это немного растянуть форму».
Берковичи сказал, что единственной дорогостоящей частью процесса является автоматизация впрыска полимера, которая должна выполняться точно в соответствии с количеством требуемых линз.
«Наша мечта — оказать влияние на страну с наименьшими ресурсами», — сказал Берковичи.Хотя в бедные деревни можно привозить дешевые очки — хотя это и не завершено — его план гораздо шире.«Как в известной пословице, я не хочу давать им рыбу, я хочу научить их ловить рыбу.Таким образом, люди смогут делать свои собственные очки», — сказал он.«Успеет ли?Только время даст ответ».
Берковичи и Фрумкин описали этот процесс в статье около полугода назад в первом выпуске Flow, журнала приложений гидромеханики, издаваемого Кембриджским университетом.Но команда не намерена останавливаться на простых оптических линзах.В другой статье, опубликованной в журнале Optica несколько недель назад, описан новый метод изготовления сложных оптических компонентов в области оптики произвольной формы.Эти оптические компоненты не являются ни выпуклыми, ни вогнутыми, а встраиваются в топографическую поверхность, и свет излучается на поверхности различных областей для достижения желаемого эффекта.Эти компоненты можно найти в мультифокальных очках, шлемах пилотов, передовых проекционных системах, системах виртуальной и дополненной реальности и в других местах.
Изготовление компонентов произвольной формы с использованием устойчивых методов сложно и дорого, поскольку их поверхность трудно шлифовать и полировать.Таким образом, эти компоненты в настоящее время имеют ограниченное применение.«Были академические публикации о возможном использовании таких поверхностей, но это еще не нашло отражения в практических приложениях», — пояснил Берковичи.В этой новой работе лабораторная группа во главе с Элгариси показала, как контролировать форму поверхности, создаваемую при впрыскивании полимерной жидкости, путем управления формой рамы.Каркас можно создать с помощью 3D-принтера.«Мы больше не работаем с ведром для швабры, но это по-прежнему очень просто», — сказал Берковичи.
Омер Лурия, инженер-исследователь лаборатории, отметил, что эта новая технология позволяет быстро производить особенно гладкие линзы с уникальным рельефом.«Мы надеемся, что это может значительно снизить стоимость и время производства сложных оптических компонентов», — сказал он.
Профессор Арье является одним из редакторов «Оптики», но не участвовал в рецензировании статьи.«Это очень хорошая работа, — сказал Али об исследовании.«Для производства асферических оптических поверхностей в современных методах используются формы или 3D-печать, но оба метода сложны для создания достаточно гладких и больших поверхностей в разумные сроки».Арье считает, что новый метод поможет создать прототип свободы формальных компонентов.«Для промышленного производства большого количества деталей лучше всего подготовить пресс-формы, но для быстрой проверки новых идей это интересный и элегантный метод», — сказал он.
SPO — одна из ведущих израильских компаний в области поверхностей произвольной формы.По словам Адута и Стурлеси, у нового метода есть как преимущества, так и недостатки.Они говорят, что использование пластмасс ограничивает возможности, потому что они не долговечны при экстремальных температурах, а их способность достигать достаточного качества во всем цветовом диапазоне ограничена.Что касается преимуществ, они отметили, что технология может значительно снизить стоимость производства сложных пластиковых линз, которые используются во всех мобильных телефонах.
Адут и Стурлеси добавили, что при традиционных методах изготовления диаметр пластиковых линз ограничен, потому что чем они больше, тем менее точными они становятся.Они сказали, что, согласно методу Берковичи, изготовление линз в жидкости может предотвратить искажение, которое может создать очень мощные оптические компоненты — будь то сферические линзы или линзы произвольной формы.
Самым неожиданным проектом команды Техниона стал выбор производства большого объектива.Здесь все началось со случайного разговора и наивного вопроса.«Все дело в людях, — сказал Беркович.Когда он спросил Берковича, тот сказал доктору Эдварду Барабану, ученому-исследователю НАСА, что он знал его проект в Стэнфордском университете и знал его в Стэнфордском университете: «Вы думаете, что можете сделать такую линзу для космического телескопа? ?»
«Это звучало как сумасшедшая идея, — вспоминал Беркович, — но она глубоко отпечаталась в моей голове».После того, как лабораторные испытания были успешно завершены, израильские исследователи поняли, что метод можно использовать в космосе.Ведь там можно добиться условий микрогравитации без плавучих жидкостей.«Я позвонил Эдварду и сказал ему, что это работает!»
Космические телескопы имеют большие преимущества перед наземными телескопами, поскольку на них не влияет атмосферное или световое загрязнение.Самая большая проблема с разработкой космических телескопов заключается в том, что их размер ограничен размером пусковой установки.На Земле телескопы в настоящее время имеют диаметр до 40 метров.Космический телескоп Хаббла имеет зеркало диаметром 2,4 метра, а телескоп Джеймса Уэбба имеет зеркало диаметром 6,5 метра — ученым потребовалось 25 лет, чтобы достичь этого достижения, что обошлось в 9 миллиардов долларов США, отчасти потому, что система должна быть Разработано, что может запускать телескоп в сложенном положении, а затем автоматически раскрывать его в космосе.
С другой стороны, Liquid уже находится в «свернутом» состоянии.Например, вы можете заполнить передатчик жидким металлом, добавить механизм впрыска и расширительное кольцо, а затем сделать зеркало в космосе.«Это иллюзия», — признал Беркович.«Моя мать спросила меня: «Когда ты будешь готов?Я сказал ей: «Может быть, лет через 20.Она сказала, что у нее нет времени ждать.
Если эта мечта сбудется, она может изменить будущее космических исследований.Сегодня Беркович указал, что у людей нет возможности напрямую наблюдать за экзопланетами — планетами за пределами Солнечной системы, потому что для этого требуется земной телескоп в 10 раз больше, чем существующие телескопы, что совершенно невозможно при существующих технологиях.
С другой стороны, Берковичи добавил, что Falcon Heavy, в настоящее время крупнейшая космическая ракета-носитель SpaceX, может нести 20 кубометров жидкости.Он объяснил, что теоретически Falcon Heavy можно использовать для запуска жидкости на орбитальную точку, где из жидкости можно сделать зеркало диаметром 75 метров — площадь поверхности и собранный свет будут в 100 раз больше, чем у последнего. .Телескоп Джеймса Уэбба.
Это мечта, и на ее реализацию уйдет много времени.Но НАСА относится к этому серьезно.Вместе с командой инженеров и ученых из Исследовательского центра Эймса НАСА во главе с Балабаном технология впервые опробуется.
В конце декабря система, разработанная лабораторией Берковичи, будет отправлена на Международную космическую станцию, где будет проведена серия экспериментов, позволяющих астронавтам производить и отверждать линзы в космосе.Перед этим в эти выходные во Флориде будут проведены эксперименты, чтобы проверить возможность производства высококачественных линз в условиях микрогравитации без использования какой-либо плавучей жидкости.
Эксперимент с жидкостным телескопом (FLUTE) проводился на самолете с пониженной гравитацией - все сиденья этого самолета были сняты для обучения космонавтов и съемок сцен в кино в невесомости.Маневрированием в виде антипараболы - подъемом, а затем свободным падением - в самолете на короткое время создаются условия микрогравитации.«Его не зря называют рвотной кометой, — с улыбкой сказал Беркович.Свободное падение длится около 20 секунд, в течение которых гравитация самолета близка к нулю.В течение этого периода исследователи попытаются изготовить жидкую линзу и провести измерения, чтобы доказать, что качество линзы достаточно хорошее, затем плоскость становится прямой, гравитация полностью восстанавливается, и линза превращается в лужицу.
Эксперимент запланирован на два полета в четверг и пятницу по 30 парабол в каждом.Присутствуют Берковичи и большинство членов команды лаборатории, в том числе Эльгариси и Лурия, а также Фрумкин из Массачусетского технологического института.
Во время моего визита в лабораторию Технион волнение было ошеломляющим.На полу стоят 60 картонных коробок, в которых лежат 60 самодельных наборов для экспериментов.Лурия вносит последние и последние улучшения в компьютеризированную экспериментальную систему, которую он разработал для измерения характеристик линз.
В то же время команда проводит хронометраж перед критическими моментами.Одна команда стояла с секундомером, а у остальных было 20 секунд, чтобы сделать выстрел.На самом самолете условия будут еще хуже, особенно после нескольких свободных падений и подъемов вверх в условиях повышенной силы тяжести.
Волнуется не только команда Техниона.Барабан, ведущий исследователь NASA Flute Experiment, сказал Haaretz: «Метод формирования жидкости может привести к созданию мощных космических телескопов с апертурой в десятки или даже сотни метров.Например, такие телескопы могут напрямую наблюдать за окружением других звезд.Планета, облегчает анализ ее атмосферы с высоким разрешением и может даже идентифицировать крупномасштабные особенности поверхности.Этот метод может также привести к другим космическим применениям, таким как высококачественные оптические компоненты для сбора и передачи энергии, научные инструменты и медицинское оборудование. Космическое производство — таким образом, играя важную роль в развивающейся космической экономике».
Незадолго до того, как сесть в самолет и отправиться в приключение всей своей жизни, Беркович на мгновение замер в удивлении.«Я все время спрашиваю себя, почему никто не подумал об этом раньше», — сказал он.«Каждый раз, когда я еду на конференцию, я боюсь, что кто-то встанет и скажет, что это сделали какие-то российские исследователи 60 лет назад.В конце концов, это такой простой метод».
Время публикации: 21 декабря 2021 г.