Прафесар Моран Беркавічы і доктар Валеры Фрумкін распрацавалі танную тэхналогію вытворчасці аптычных лінзаў, і можна вырабляць акуляры для многіх краін, якія развіваюцца, дзе акуляры недаступныя.Цяпер NASA кажа, што яго можна выкарыстоўваць для стварэння касмічных тэлескопаў
Навука звычайна прасоўваецца маленькімі крокамі.Да кожнага новага эксперыменту дадаецца невялікая інфармацыя.Рэдка калі простая ідэя, якая ўзнікае ў галаве вучонага, прыводзіць да сур'ёзнага прарыву без выкарыстання якіх-небудзь тэхналогій.Але так здарылася з двума ізраільскімі інжынерамі, якія распрацавалі новы метад вырабу аптычных лінзаў.
Сістэма простая, танная і дакладная і можа аказаць вялікі ўплыў на траціну насельніцтва свету.Гэта таксама можа змяніць аблічча касмічных даследаванняў.Каб распрацаваць яго, даследчыкам спатрэбіцца толькі белая дошка, маркер, гумка і крыху ўдачы.
Прафесар Моран Беркавічы і доктар Валеры Фрумкін з кафедры машынабудавання Тэхніён-Ізраільскага тэхналагічнага інстытута ў Хайфе спецыялізуюцца на механіцы вадкасці, а не на оптыцы.Але паўтара года таму на Сусветным форуме лаўрэатаў у Шанхаі Беркавіч выпадкова сядзеў з ізраільскім эканамістам Давідам Зіберманам.
Зільберман з'яўляецца лаўрэатам прэміі Вольфа, і цяпер у Каліфарнійскім універсітэце ў Берклі ён распавёў пра свае даследаванні ў краінах, якія развіваюцца.Берковічы апісаў свой эксперымент з вадкасцю.Тады Зіберман задаў простае пытанне: «Ці можна выкарыстоўваць гэта для вырабу акуляраў?»
"Калі вы думаеце пра краіны, якія развіваюцца, вы звычайна думаеце пра малярыю, вайну, голад", - сказаў Беркавіч.«Але Зіберман сказаў нешта, чаго я зусім не ведаю — 2,5 мільярда чалавек у свеце маюць патрэбу ў акулярах, але не могуць іх набыць.Гэта дзіўная лічба».
Беркавічы вярнуўся дадому і выявіў, што справаздача Сусветнага эканамічнага форуму пацвярджае гэтую лічбу.Нягледзячы на тое, што выраб простых акуляраў каштуе ўсяго некалькі долараў, танныя акуляры не вырабляюцца і не прадаюцца ў большасці краін свету.
Уплыў велізарны: ад дзяцей, якія не бачаць дошкі ў школе, да дарослых, чый зрок пагаршаецца настолькі, што яны губляюць працу.У дадатак да шкоды якасці жыцця людзей, кошт сусветнай эканомікі ацэньваецца ў 3 трыльёны долараў ЗША ў год.
Пасля размовы Берковіч начамі не мог заснуць.Калі ён прыбыў у Тэхніён, ён абмеркаваў гэтае пытанне з Фрумкіным, які ў той час быў дактарантам у яго лабараторыі.
«Мы намалявалі здымак на дошцы і паглядзелі на яго», — успамінаў ён.«Мы інстынктыўна ведаем, што мы не можам стварыць такую форму з дапамогай нашай тэхналогіі кантролю вадкасці, і мы хочам высветліць, чаму».
Сферычная форма з'яўляецца асновай оптыкі, таму што з іх складаецца лінза.Тэарэтычна Берковічы і Фрумкін ведалі, што яны могуць зрабіць круглы купал з палімера (вадкасці, якая застыла), каб зрабіць лінзу.Але вадкасці могуць заставацца сферычнымі толькі ў невялікіх аб'ёмах.Калі яны павялічацца, сіла цяжару здушыць іх у лужыны.
"Такім чынам, што мы павінны зрабіць, гэта пазбавіцца ад гравітацыі", - растлумачыў Беркавічы.І менавіта гэта яны з Фрумкіным і зрабілі.Вывучыўшы іх дошку, Фрумкін прыдумаў вельмі простую ідэю, але незразумела, чаму нікому раней гэта не прыйшло ў галаву - калі лінзу змясціць у вадкую камеру, эфект гравітацыі можна ліквідаваць.Усё, што вам трэба зрабіць, гэта пераканацца, што вадкасць у камеры (так званая плавучая вадкасць) мае тую ж шчыльнасць, што і палімер, з якога зроблена лінза, і тады палімер будзе плаваць.
Яшчэ адна важная рэч - выкарыстоўваць дзве вадкасці, якія не змешваюцца, гэта азначае, што яны не будуць змешвацца адна з адной, напрыклад алей і вада.«Большасць палімераў больш падобныя на масла, таму наша адзіная плавучая вадкасць — вада», — сказаў Беркавічы.
Але паколькі вада мае меншую шчыльнасць, чым палімеры, яе шчыльнасць трэба крыху павялічыць, каб палімер плаваў.З гэтай мэтай даследчыкі таксама выкарыстоўвалі менш экзатычныя матэрыялы - соль, цукар або гліцэрына.Берковічы сказаў, што канчатковым кампанентам працэсу з'яўляецца цвёрды каркас, у які ўводзяць палімер, каб можна было кантраляваць яго форму.
Калі палімер дасягае канчатковай формы, ён отверждается ультрафіялетавым выпраменьваннем і становіцца суцэльнай лінзай.Для вырабу каркаса даследчыкі выкарыстоўвалі простую каналізацыйную трубу, разрэзаную на кольца, або чашку Петры, выразаную знізу.«Любое дзіця можа зрабіць іх дома, і мы з дочкамі зрабілі некаторыя дома», — сказаў Беркавічы.«За гэтыя гады мы рабілі шмат рэчаў у лабараторыі, некаторыя з якіх вельмі складаныя, але, несумненна, гэта самае простае і лёгкае, што мы рабілі.Магчыма, самае галоўнае».
Свой першы здымак Фрумкін зрабіў у той жа дзень, калі прыдумаў рашэнне.«Ён даслаў мне фатаграфію ў WhatsApp», — успамінае Берковіч.«У рэтраспектыве гэта быў вельмі маленькі і непрыгожы аб'ектыў, але мы былі вельмі шчаслівыя».Фрумкін працягваў вывучэнне гэтага новага вынаходкі.«Ураўненне паказвае, што пасля таго, як вы выдаліце гравітацыю, не мае значэння, адзін сантыметр або адзін кіламетр складае рамка;у залежнасці ад колькасці матэрыялу вы заўсёды атрымаеце аднолькавую форму».
Два даследчыкі працягвалі эксперыментаваць з сакрэтным інгрэдыентам другога пакалення, вядром для швабры, і выкарысталі яго для стварэння лінзы дыяметрам 20 см, якая падыходзіць для тэлескопаў.Кошт лінзы ўзрастае ў геаметрычнай прагрэсіі з дыяметрам, але з гэтым новым метадам, незалежна ад памеру, усё, што вам спатрэбіцца, гэта танны палімер, вада, соль (або гліцэрына) і кальцавая форма.
Спіс інгрэдыентаў азначае велізарны зрух у традыцыйных метадах вытворчасці лінзаў, якія заставаліся амаль нязменнымі на працягу 300 гадоў.На пачатковым этапе традыцыйнага працэсу шкляная або пластыкавая пласціна механічна шліфуецца.Напрыклад, пры вырабе акулярных лінзаў траціцца каля 80% матэрыялу.Выкарыстоўваючы метад, распрацаваны Беркавічы і Фрумкіным, замест драбнення цвёрдых матэрыялаў у аправу ўпырскваецца вадкасць, так што лінза можа быць выраблена цалкам безадходным працэсам.Гэты метад таксама не патрабуе паліроўкі, таму што павярхоўнае нацяжэнне вадкасці можа забяспечыць надзвычай гладкую паверхню.
Haaretz наведаў лабараторыю Technion, дзе дактарант Мор Элгарысі прадэманстраваў працэс.Ён увёў палімер у кольца ў невялікай вадкаснай камеры, апрамяніў яго УФ-лямпай і праз дзве хвіліны працягнуў мне пару хірургічных пальчатак.Я вельмі асцярожна акунуў руку ў ваду і выцягнуў лінзу.«Вось і ўсё, апрацоўка скончана», - крыкнуў Берковіч.
Навобмацак лінзы абсалютна гладкія.Гэта не проста суб'ектыўнае адчуванне: Берковічы кажа, што нават без паліроўкі шурпатасць паверхні лінзы, зробленай палімерным метадам, складае менш за адзін нанаметр (адну мільярдную долю метра).«Сілы прыроды ствараюць незвычайныя якасці самі па сабе, і яны бясплатныя», - сказаў ён.Наадварот, аптычнае шкло адпаліравана да 100 нанаметраў, у той час як люстэркі флагманскага касмічнага тэлескопа Джэймса Уэба адпаліраваны да 20 нанаметраў.
Але не ўсе вераць, што гэты элегантны метад стане выратаваннем мільярдаў людзей ва ўсім свеце.Прафесар Ады Ар'е з Школы электратэхнікі Тэль-Авіўскага ўніверсітэта адзначыў, што метад Берковічы і Фрумкіна патрабуе круглай формы, у якую ўводзяць вадкі палімер, сам палімер і ўльтрафіялетавую лямпу.
"Яны недаступныя ў індыйскіх вёсках", - адзначыў ён.Яшчэ адно пытанне, узнятае заснавальнікам SPO Precision Optics і віцэ-прэзідэнтам R&D Niv Adut і галоўным навуковым супрацоўнікам кампаніі доктарам Доранам Стурлесі (абодва знаёмыя з працай Беркавічы), заключаецца ў тым, што замена працэсу шліфавання на пластыкавыя адліўкі ўскладніць адаптацыю аб'ектыва да патрэбы.Свае людзі.
Берковіч не панікаваў.«Крытыка з'яўляецца фундаментальнай часткай навукі, і наша хуткае развіццё за апошні год шмат у чым звязана з тым, што эксперты загналі нас у кут», - сказаў ён.Што датычыцца магчымасці вытворчасці ў аддаленых раёнах, ён дадаў: «Інфраструктура, неабходная для вытворчасці акуляраў традыцыйнымі метадамі, велізарная;вам патрэбны заводы, машыны і тэхніка, а нам патрэбна толькі мінімальная інфраструктура».
Беркавічы паказаў нам дзве лямпы ультрафіялетавага выпраменьвання ў сваёй лабараторыі: «Гэта ад Amazon і каштуе 4 даляры, а другая ад AliExpress і каштуе 1,70 даляра.Калі ў вас іх няма, вы заўсёды можаце выкарыстоўваць Sunshine», - растлумачыў ён.Што з палімерамі?«Бутэлька аб'ёмам 250 мл прадаецца на Amazon за 16 долараў.Сярэдняя лінза патрабуе ад 5 да 10 мл, таму кошт палімера таксама не з'яўляецца рэальным фактарам».
Ён падкрэсліў, што яго метад не патрабуе выкарыстання унікальных формаў для кожнага нумара лінзы, як сцвярджаюць крытыкі.Простая форма падыходзіць для кожнага нумара лінзы, патлумачыў ён: «Розніца заключаецца ў колькасці палімера, які ўводзіцца, і каб зрабіць цыліндр для акуляраў, усё, што патрабуецца, гэта трохі расцягнуць форму».
Берковічы сказаў, што адзінай дарагой часткай працэсу з'яўляецца аўтаматызацыя ўпырску палімера, якая павінна выконвацца дакладна ў адпаведнасці з неабходнай колькасцю лінзаў.
«Наша мара - мець уплыў у краіне з найменшымі рэсурсамі», - сказаў Беркавічы.Нягледзячы на тое, што танныя акуляры можна прывезці ў бедныя вёскі - хоць гэта не было завершана - яго план значна большы.«Як у той вядомай прымаўцы, я хачу не даць ім рыбу, я хачу навучыць іх рыбачыць.Такім чынам, людзі змогуць самі вырабляць акуляры», — сказаў ён.«Ці атрымаецца?Толькі час дасць адказ».
Берковічы і Фрумкін апісалі гэты працэс у артыкуле каля шасці месяцаў таму ў першым выданні Flow, часопіса аб прымяненні механікі вадкасці, які выдаецца Кембрыджскім універсітэтам.Але каманда не мае намеру спыняцца на простых аптычных лінзах.Іншы артыкул, апублікаваны ў часопісе Optica некалькі тыдняў таму, апісваў новы метад вытворчасці складаных аптычных кампанентаў у галіне оптыкі свабоднай формы.Гэтыя аптычныя кампаненты не з'яўляюцца ні выпуклымі, ні ўвагнутымі, а адлітыя ў тапаграфічную паверхню, і святло апрамяняецца на паверхню розных абласцей для дасягнення патрэбнага эфекту.Гэтыя кампаненты можна знайсці ў мультыфакальных акулярах, пілотскіх шлемах, сучасных праектарных сістэмах, сістэмах віртуальнай і дапоўненай рэальнасці і ў іншых месцах.
Вытворчасць кампанентаў свабоднай формы з выкарыстаннем экалагічных метадаў складаная і дарагая, таму што іх паверхню цяжка адшліфаваць і паліраваць.Такім чынам, гэтыя кампаненты ў цяперашні час маюць абмежаванае выкарыстанне.«Былі акадэмічныя публікацыі аб магчымым выкарыстанні такіх паверхняў, але гэта яшчэ не знайшло адлюстравання ў практычных прымяненнях», - растлумачыў Беркавічы.У гэтай новай працы лабараторная група пад кіраўніцтвам Элгарысі паказала, як кантраляваць форму паверхні, якая ствараецца пры ўпырскванні палімернай вадкасці, кантралюючы форму каркаса.Рамку можна стварыць з дапамогай 3D-прынтара.«Мы больш не робім рэчы з дапамогай вядра для швабры, але гэта па-ранейшаму вельмі проста», — сказаў Беркавічы.
Омер Лурыя, інжынер-даследчык лабараторыі, адзначыў, што гэтая новая тэхналогія дазваляе хутка вырабляць асабліва гладкія лінзы з унікальным рэльефам.«Мы спадзяемся, што гэта можа значна скараціць кошт і час вытворчасці складаных аптычных кампанентаў», - сказаў ён.
Прафесар Ар'е з'яўляецца адным з рэдактараў Optica, але не ўдзельнічаў у рэцэнзаванні артыкула."Гэта вельмі добрая праца", - сказаў Алі пра даследаванне.«Для таго, каб вырабіць асферычныя аптычныя паверхні, сучасныя метады выкарыстоўваюць прэс-формы або 3D-друк, але абодва метаду цяжка стварыць дастаткова гладкія і вялікія паверхні ў разумныя тэрміны».Ар'е лічыць, што новы метад дапаможа стварыць свабоду прататыпа фармальных кампанентаў.«Для прамысловай вытворчасці вялікай колькасці дэталяў лепш за ўсё рыхтаваць формы, але для таго, каб хутка праверыць новыя ідэі, гэта цікавы і элегантны метад», — сказаў ён.
SPO - адна з вядучых ізраільскіх кампаній у галіне паверхняў свабоднай формы.Па словах Адут і Стурлесі, новы метад мае перавагі і недахопы.Яны кажуць, што выкарыстанне пластмас абмяжоўвае магчымасці, таму што яны не трывалыя пры экстрэмальных тэмпературах і іх здольнасць дасягаць дастатковай якасці ва ўсёй каляровай гаме абмежаваная.Што тычыцца пераваг, яны адзначылі, што тэхналогія можа значна знізіць кошт вытворчасці складаных пластыкавых лінзаў, якія выкарыстоўваюцца ва ўсіх мабільных тэлефонах.
Адут і Стурлесі дадалі, што пры традыцыйных метадах вытворчасці дыяметр пластыкавых лінзаў абмежаваны, таму што чым яны большыя, тым менш дакладнымі становяцца.Яны сказалі, што, згодна з метадам Беркавічы, вытворчасць лінзаў у вадкасці можа прадухіліць скажэнні, якія могуць стварыць вельмі магутныя аптычныя кампаненты - у сферы сферычных лінзаў або лінзаў свабоднай формы.
Самым нечаканым праектам каманды Technion стаў выбар вытворчасці вялікага аб'ектыва.Тут усё пачалося з выпадковай размовы і наіўнага пытання.«Уся справа ў людзях», — сказаў Берковіч.Калі ён спытаўся ў Беркавіча, той сказаў доктару Эдварду Барабану, навуковаму супрацоўніку NASA, што ён ведаў яго праект у Стэнфардскім універсітэце, і ён ведаў яго ў Стэнфардскім універсітэце: «Вы думаеце, што можаце Ці зрабіць вы такую лінзу для касмічнага тэлескопа ?»
«Гэта гучала як вар'яцкая ідэя, - успамінаў Берковіч, - але яна глыбока ўрэзалася ў мой розум».Пасля паспяховага завяршэння лабараторных выпрабаванняў ізраільскія даследчыкі зразумелі, што гэты метад можна выкарыстоўваць у космасе.У рэшце рэшт, вы можаце дасягнуць умоў мікрагравітацыі без патрэбы ў плавучых вадкасцях.«Я патэлефанаваў Эдварду і сказаў яму, што гэта працуе!»
Касмічныя тэлескопы маюць вялікія перавагі перад наземнымі тэлескопамі, таму што на іх не ўплывае атмасфернае і светлавое забруджванне.Самая вялікая праблема пры распрацоўцы касмічных тэлескопаў заключаецца ў тым, што іх памер абмежаваны памерам пускавы ўстаноўкі.На Зямлі ў цяперашні час тэлескопы маюць дыяметр да 40 метраў.Касмічны тэлескоп Хабл мае люстэрка дыяметрам 2,4 метра, у той час як тэлескоп Джэймса Уэба мае люстэрка дыяметрам 6,5 метра — навукоўцам спатрэбілася 25 гадоў, каб дасягнуць гэтага дасягнення і каштавала 9 мільярдаў долараў ЗША, часткова таму, што сістэма павінна быць распрацаваны, які можа запускаць тэлескоп у складзеным становішчы, а затым аўтаматычна раскрываць яго ў космасе.
З іншага боку, Liquid ужо знаходзіцца ў «згорнутым» стане.Напрыклад, вы можаце запоўніць перадатчык вадкім металам, дадаць механізм упырску і пашыральнае кольца, а затым зрабіць люстэрка ў прасторы.«Гэта ілюзія», - прызнаў Берковіч.«Мая маці спытала мяне:« Калі ты будзеш гатовы?Я сказаў ёй: «Магчыма, праз 20 гадоў».Яна сказала, што ў яе няма часу чакаць».
Калі гэтая мара спраўдзіцца, гэта можа змяніць будучыню касмічных даследаванняў.Сёння Беркавіч адзначыў, што людзі не маюць магчымасці непасрэдна назіраць за экзапланетамі - планетамі па-за Сонечнай сістэмай, таму што для гэтага патрабуецца зямны тэлескоп у 10 разоў большы, чым існуючыя тэлескопы - што цалкам немагчыма з існуючай тэхналогіяй.
З іншага боку, Беркавічы дадаў, што Falcon Heavy, на дадзены момант найбуйнейшая касмічная ракета-носьбіт SpaceX, можа перавозіць 20 кубічных метраў вадкасці.Ён растлумачыў, што тэарэтычна Falcon Heavy можа быць выкарыстаны для запуску вадкасці да арбітальнай кропкі, дзе вадкасць можа быць выкарыстана для стварэння люстэрка дыяметрам 75 метраў - плошча паверхні і сабранага святла будуць у 100 разоў больш, чым у апошняга. .Тэлескоп Джэймса Уэба.
Гэта мара, і на яе рэалізацыю спатрэбіцца шмат часу.Але NASA ставіцца да гэтага сур'ёзна.Разам з камандай інжынераў і навукоўцаў з Даследчага цэнтра Эймса НАСА пад кіраўніцтвам Балабана гэтая тэхналогія выпрабоўваецца ўпершыню.
У канцы снежня сістэма, распрацаваная лабараторнай групай Bercovici, будзе адпраўлена на Міжнародную касмічную станцыю, дзе будзе праведзена серыя эксперыментаў, каб астранаўты маглі вырабляць і лячыць лінзы ў космасе.Да гэтага ў гэтыя выхадныя ў Фларыдзе будуць праводзіцца эксперыменты, каб праверыць магчымасць вытворчасці высакаякасных лінзаў ва ўмовах мікрагравітацыі без патрэбы ў плавучай вадкасці.
Эксперымент з вадкасным тэлескопам (FLUTE) праводзіўся на самалёце з паніжанай гравітацыяй - усе сядзенні гэтага самалёта былі знятыя для трэніровак касманаўтаў і здымкі сцэн з нулявой гравітацыяй у фільмах.Манеўраваннем у выглядзе антыпарабалы - уздымам, а затым вольным падзеннем - у лятальным апарате на кароткі час ствараюцца ўмовы мікрагравітацыі.«Яе нездарма называюць ванітавай каметай», — з усмешкай сказаў Берковіч.Свабоднае падзенне доўжыцца каля 20 секунд, пры гэтым гравітацыя лятальнага апарата блізкая да нуля.У гэты перыяд даследчыкі паспрабуюць зрабіць вадкую лінзу і правядуць вымярэнні, каб даказаць, што якасць лінзы дастаткова добрая, потым плоскасць становіцца прамой, гравітацыя цалкам аднаўляецца, і лінза становіцца лужынай.
Эксперымент запланаваны на два палёты ў чацвер і пятніцу, кожны па 30 парабал.Беркавічы і большасць членаў лабараторнай каманды, у тым ліку Элгарысі і Лурыя, і Фрумкін з Масачусецкага тэхналагічнага інстытута, будуць прысутнічаць.
Падчас майго візіту ў лабараторыю Тэхніён хваляванне было ашаламляльным.На падлозе ляжыць 60 кардонных каробак, у якіх ляжыць 60 самаробных набораў для эксперыментаў.Лурыя робіць апошнія і апошнія ўдасканаленні камп'ютэрызаванай эксперыментальнай сістэмы, якую ён распрацаваў для вымярэння характарыстык аб'ектыва.
Паралельна каманда праводзіць адпрацоўкі часу перад крытычнымі момантамі.Адна каманда стаяла з секундамерам, у астатніх было 20 секунд, каб зрабіць кідок.На самім самалёце ўмовы будуць яшчэ горшымі, асабліва пасля некалькіх свабодных падзенняў і ўздымаў уверх ва ўмовах падвышанай гравітацыі.
У захапленні не толькі каманда Technion.Барабан, вядучы даследчык NASA Flute Experiment, сказаў Haaretz: «Метад фармавання вадкасці можа прывесці да стварэння магутных касмічных тэлескопаў з апертурай у дзясяткі ці нават сотні метраў.Напрыклад, такія тэлескопы могуць непасрэдна назіраць наваколле іншых зорак.Планета, палягчае аналіз яе атмасферы з высокай раздзяляльнасцю і можа нават ідэнтыфікаваць буйнамаштабныя асаблівасці паверхні.Гэты метад таксама можа прывесці да іншых прымянення касмічнай прасторы, такіх як высакаякасныя аптычныя кампаненты для збору і перадачы энергіі, навуковыя прыборы і медыцынскае абсталяванне касмічнай вытворчасці, такім чынам адыгрываючы важную ролю ў фарміруецца касмічнай эканоміцы.»
Незадоўга да таго, як сесці ў самалёт і адправіцца ў прыгоду свайго жыцця, Беркавіч на імгненне спыніўся ў здзіўленні.«Я ўвесь час пытаюся ў сябе, чаму ніхто раней не думаў пра гэта», — сказаў ён.«Кожны раз, калі я іду на канферэнцыю, я баюся, што нехта ўстане і скажа, што некаторыя расійскія даследчыкі рабілі гэта 60 гадоў таму.Бо гэта такі просты спосаб».
Час публікацыі: 21 снежня 2021 г