Prof. Moran Bercovici en Dr. Valeri Frumkin hebben goedkope technologie ontwikkeld voor het vervaardigen van optische lenzen, en het is mogelijk om brillen te produceren voor veel ontwikkelingslanden waar geen bril beschikbaar is.Nu zegt NASA dat het kan worden gebruikt om ruimtetelescopen te maken
Wetenschap gaat meestal in kleine stapjes vooruit.Aan elk nieuw experiment wordt een klein stukje informatie toegevoegd.Het komt zelden voor dat een eenvoudig idee dat in het brein van een wetenschapper verschijnt, zonder enige technologie tot een grote doorbraak leidt.Maar dit is wat er gebeurde met twee Israëlische ingenieurs die een nieuwe methode ontwikkelden voor het vervaardigen van optische lenzen.
Het systeem is eenvoudig, goedkoop en nauwkeurig, en zou een enorme impact kunnen hebben op wel een derde van de wereldbevolking.Het kan ook het aanzien van ruimteonderzoek veranderen.Om het te ontwerpen hebben de onderzoekers alleen een whiteboard, een stift, een gum en een beetje geluk nodig.
Professor Moran Bercovici en Dr. Valeri Frumkin van de afdeling Werktuigbouwkunde van het Technion-Israel Institute of Technology in Haifa zijn gespecialiseerd in vloeistofmechanica, niet in optica.Maar anderhalf jaar geleden, op het World Laureate Forum in Shanghai, zat Berkovic toevallig samen met David Ziberman, een Israëlische econoom.
Zilberman is een Wolf Prize-winnaar en nu aan de University of California, Berkeley, vertelde hij over zijn onderzoek in ontwikkelingslanden.Bercovici beschreef zijn vloeistofexperiment.Toen stelde Ziberman een simpele vraag: "Kun je hier een bril van maken?"
"Als je aan ontwikkelingslanden denkt, denk je meestal aan malaria, oorlog, honger," zei Berkovic.'Maar Ziberman zei iets dat ik helemaal niet weet: 2,5 miljard mensen in de wereld hebben een bril nodig, maar kunnen ze niet krijgen.Dit is een geweldig aantal.”
Bercovici keerde terug naar huis en ontdekte dat een rapport van het World Economic Forum dit aantal bevestigde.Hoewel het maar een paar dollar kost om een eenvoudige bril te maken, worden goedkope brillen in de meeste delen van de wereld niet geproduceerd of verkocht.
De impact is enorm, van kinderen die het schoolbord niet kunnen zien op school tot volwassenen die zo slecht zien dat ze hun baan verliezen.Naast het schaden van de levenskwaliteit van mensen, worden de kosten van de wereldeconomie geschat op zo'n 3 biljoen dollar per jaar.
Na het gesprek kon Berkovic 's nachts niet slapen.Toen hij bij Technion aankwam, besprak hij deze kwestie met Frumkin, die toen postdoctoraal onderzoeker was in zijn laboratorium.
"We hebben een foto gemaakt op het whiteboard en ernaar gekeken", herinnert hij zich."We weten instinctief dat we deze vorm niet kunnen creëren met onze fluid control-technologie, en we willen weten waarom."
De bolvorm is de basis van optica omdat de lens ervan is gemaakt.In theorie wisten Bercovici en Frumkin dat ze een ronde koepel konden maken van een polymeer (een vloeistof die was gestold) om een lens te maken.Maar vloeistoffen kunnen alleen bolvormig blijven in kleine volumes.Als ze groter zijn, zal de zwaartekracht ze in plassen pletten.
"Dus wat we moeten doen is de zwaartekracht kwijtraken", legde Bercovici uit.En dit is precies wat hij en Frumkin deden.Na het bestuderen van hun whiteboard kwam Frumkin met een heel eenvoudig idee, maar het is niet duidelijk waarom niemand er eerder aan had gedacht: als de lens in een vloeistofkamer wordt geplaatst, kan het effect van de zwaartekracht worden geëlimineerd.Het enige wat u hoeft te doen is ervoor te zorgen dat de vloeistof in de kamer (de zogenaamde drijvende vloeistof) dezelfde dichtheid heeft als het polymeer waaruit de lens is gemaakt, en dan zal het polymeer drijven.
Een ander belangrijk ding is om twee niet-mengbare vloeistoffen te gebruiken, wat betekent dat ze niet met elkaar vermengen, zoals olie en water."De meeste polymeren lijken meer op oliën, dus onze 'enkelvoud' drijvende vloeistof is water," zei Bercovici.
Maar omdat water een lagere dichtheid heeft dan polymeren, moet de dichtheid een beetje worden verhoogd, zodat het polymeer gaat drijven.Hiervoor gebruikten de onderzoekers ook minder exotische materialen: zout, suiker of glycerine.Bercovici zei dat het laatste onderdeel van het proces een stijf frame is waarin polymeer wordt geïnjecteerd, zodat de vorm ervan kan worden gecontroleerd.
Wanneer het polymeer zijn uiteindelijke vorm bereikt, wordt het uitgehard met behulp van ultraviolette straling en wordt het een vaste lens.Om het frame te maken, gebruikten de onderzoekers een eenvoudige rioolbuis, in een ring gesneden, of een petrischaal die van de bodem was gesneden."Elk kind kan ze thuis maken, en mijn dochters en ik maakten er enkele thuis", zei Bercovici.“In de loop der jaren hebben we veel dingen in het laboratorium gedaan, waarvan sommige erg ingewikkeld zijn, maar het lijdt geen twijfel dat dit het eenvoudigste en gemakkelijkste is dat we hebben gedaan.Misschien wel de belangrijkste.”
Frumkin maakte zijn eerste opname op dezelfde dag dat hij de oplossing bedacht."Hij stuurde me een foto op WhatsApp", herinnert Berkovic zich."Achteraf gezien was dit een heel klein en lelijk objectief, maar we waren erg blij."Frumkin bleef deze nieuwe uitvinding bestuderen.“De vergelijking laat zien dat als je de zwaartekracht eenmaal weghaalt, het niet uitmaakt of het frame één centimeter of één kilometer is;afhankelijk van de hoeveelheid materiaal krijg je altijd dezelfde vorm.”
De twee onderzoekers experimenteerden verder met het geheime ingrediënt van de tweede generatie, de zwabberemmer, en maakten er een lens van met een diameter van 20 cm die geschikt is voor telescopen.De kosten van de lens nemen exponentieel toe met de diameter, maar met deze nieuwe methode, ongeacht de grootte, heb je alleen goedkoop polymeer, water, zout (of glycerine) en een ringvorm nodig.
De ingrediëntenlijst markeert een enorme verschuiving in de traditionele productiemethoden voor lenzen die al 300 jaar vrijwel onveranderd zijn gebleven.In de beginfase van het traditionele proces wordt een glazen of kunststof plaat mechanisch geslepen.Bij het vervaardigen van brillenglazen gaat bijvoorbeeld ongeveer 80% van het materiaal verloren.Met behulp van de door Bercovici en Frumkin ontworpen methode wordt in plaats van vaste materialen te slijpen vloeistof in het frame geïnjecteerd, zodat de lens in een volledig afvalvrij proces kan worden vervaardigd.Deze methode vereist ook geen polijsten, omdat de oppervlaktespanning van de vloeistof kan zorgen voor een extreem glad oppervlak.
Haaretz bezocht het laboratorium van Technion, waar promovendus Mor Elgarisi het proces demonstreerde.Hij injecteerde polymeer in een ring in een kleine vloeistofkamer, bestraalde het met een UV-lamp en overhandigde me twee minuten later een paar chirurgische handschoenen.Ik doopte heel voorzichtig mijn hand in het water en trok de lens eruit."Dat is het, de verwerking is voorbij", schreeuwde Berkovic.
De lenzen voelen absoluut glad aan.Dit is niet alleen een subjectief gevoel: Bercovici zegt dat zelfs zonder polijsten de oppervlakteruwheid van een lens die is gemaakt met een polymeermethode minder is dan één nanometer (een miljardste van een meter)."De krachten van de natuur creëren op zichzelf buitengewone kwaliteiten en ze zijn vrij", zei hij.Optisch glas daarentegen is gepolijst tot 100 nanometer, terwijl de spiegels van NASA's vlaggenschip James Webb Space Telescope zijn gepolijst tot 20 nanometer.
Maar niet iedereen gelooft dat deze elegante methode de redder zal zijn van miljarden mensen over de hele wereld.Professor Ady Arie van de School of Electrical Engineering van de Universiteit van Tel Aviv wees erop dat de methode van Bercovici en Frumkin een cirkelvormige mal vereist waarin vloeibaar polymeer wordt geïnjecteerd, het polymeer zelf en een ultraviolette lamp.
"Deze zijn niet beschikbaar in Indiase dorpen," merkte hij op.Een ander probleem dat door de oprichter van SPO Precision Optics en vice-president van R&D Niv Adut en de hoofdwetenschapper van het bedrijf, dr. Doron Sturlesi (beiden bekend met het werk van Bercovici), naar voren is gebracht, is dat het vervangen van het slijpproces door plastic gietstukken het moeilijk zal maken om de lens aan te passen aan de behoeften.Zijn mensen.
Berkovic raakte niet in paniek."Kritiek is een fundamenteel onderdeel van de wetenschap, en onze snelle ontwikkeling in het afgelopen jaar is grotendeels te danken aan experts die ons naar de hoek duwen", zei hij.Met betrekking tot de haalbaarheid van productie in afgelegen gebieden, voegde hij eraan toe: “De infrastructuur die nodig is om glazen te vervaardigen met behulp van traditionele methoden is enorm;je hebt fabrieken, machines en technici nodig, en we hebben alleen de minimale infrastructuur nodig.”
Bercovici liet ons twee ultraviolette stralingslampen zien in zijn laboratorium: "Deze is van Amazon en kost $ 4, en de andere is van AliExpress en kost $ 1,70.Als je ze niet hebt, kun je altijd Sunshine gebruiken,' legde hij uit.Hoe zit het met polymeren?"Een fles van 250 ml verkoopt voor $ 16 op Amazon.De gemiddelde lens heeft 5 tot 10 ml nodig, dus de kosten van het polymeer spelen ook geen rol.”
Hij benadrukte dat zijn methode niet het gebruik van unieke mallen voor elk lensnummer vereist, zoals critici beweren.Voor elk lensnummer is een eenvoudige mal geschikt, legt hij uit: "Het verschil is de hoeveelheid polymeer die wordt geïnjecteerd, en om een cilinder voor de bril te maken, hoef je alleen maar de mal een beetje uit te rekken."
Bercovici zei dat het enige dure onderdeel van het proces de automatisering van polymeerinjectie is, die precies moet gebeuren volgens het aantal benodigde lenzen.
"Onze droom is om met zo min mogelijk middelen impact te hebben in het land", zei Bercovici.Hoewel goedkope brillen naar arme dorpen kunnen worden gebracht - hoewel dit niet is voltooid - is zijn plan veel groter.“Net als dat beroemde spreekwoord: ik wil ze geen vis geven, ik wil ze leren vissen.Op deze manier kunnen mensen hun eigen bril maken', zei hij.“Zal het lukken?Alleen de tijd zal het antwoord geven.”
Bercovici en Frumkin beschreven dit proces ongeveer zes maanden geleden in een artikel in de eerste editie van Flow, een tijdschrift over toepassingen van vloeistofmechanica, gepubliceerd door de Universiteit van Cambridge.Maar het team is niet van plan om bij eenvoudige optische lenzen te blijven.Een ander artikel dat een paar weken geleden in het tijdschrift Optica werd gepubliceerd, beschreef een nieuwe methode voor het vervaardigen van complexe optische componenten op het gebied van optica met vrije vorm.Deze optische componenten zijn noch convex noch concaaf, maar zijn in een topografisch oppervlak gegoten en licht wordt naar het oppervlak van verschillende gebieden gestraald om het gewenste effect te bereiken.Deze componenten zijn te vinden in multifocale brillen, piloothelmen, geavanceerde projectorsystemen, virtual en augmented reality-systemen en andere plaatsen.
Het vervaardigen van vrije-vormcomponenten met behulp van duurzame methoden is ingewikkeld en duur omdat het moeilijk is om hun oppervlak te slijpen en te polijsten.Daarom hebben deze componenten momenteel een beperkt gebruik."Er zijn academische publicaties geweest over het mogelijke gebruik van dergelijke oppervlakken, maar dit is nog niet weerspiegeld in praktische toepassingen", legt Bercovici uit.In dit nieuwe artikel liet het laboratoriumteam onder leiding van Elgarisi zien hoe de oppervlaktevorm die ontstaat wanneer polymeervloeistof wordt geïnjecteerd, kan worden gecontroleerd door de vorm van het frame te regelen.Het frame kan worden gemaakt met behulp van een 3D-printer.“We doen geen dingen meer met een mopemmer, maar het is nog steeds heel eenvoudig”, zegt Bercovici.
Omer Luria, een onderzoeksingenieur in het laboratorium, wees erop dat deze nieuwe technologie snel bijzonder gladde lenzen met uniek terrein kan produceren."We hopen dat het de kosten en productietijd van complexe optische componenten aanzienlijk kan verminderen", zei hij.
Professor Arie is een van de redacteuren van Optica, maar heeft niet meegewerkt aan de recensie van het artikel."Dit is een zeer goede baan", zei Ali over het onderzoek."Om asferische optische oppervlakken te produceren, gebruiken de huidige methoden mallen of 3D-printen, maar beide methoden zijn moeilijk om binnen een redelijke tijd voldoende gladde en grote oppervlakken te creëren."Arie gelooft dat de nieuwe methode zal bijdragen aan het creëren van vrijheid Prototype van formele componenten."Voor industriële productie van grote aantallen onderdelen is het het beste om mallen te maken, maar om nieuwe ideeën snel te testen, is dit een interessante en elegante methode", zei hij.
SPO is een van Israëls toonaangevende bedrijven op het gebied van vrije vorm oppervlakken.Volgens Adut en Sturlesi heeft de nieuwe methode voor- en nadelen.Ze zeggen dat het gebruik van kunststoffen de mogelijkheden beperkt omdat ze niet duurzaam zijn bij extreme temperaturen en hun vermogen om over het hele kleurengamma voldoende kwaliteit te bereiken beperkt is.Wat de voordelen betreft, wezen ze erop dat de technologie het potentieel heeft om de productiekosten van complexe plastic lenzen, die in alle mobiele telefoons worden gebruikt, aanzienlijk te verlagen.
Adut en Sturlesi voegden eraan toe dat met traditionele productiemethoden de diameter van plastic lenzen beperkt is, omdat hoe groter ze zijn, hoe minder nauwkeurig ze worden.Ze zeiden dat, volgens de methode van Bercovici, het vervaardigen van lenzen in vloeistof vervorming kan voorkomen, wat zeer krachtige optische componenten kan creëren, zowel op het gebied van sferische lenzen als vrije-vorm lenzen.
Het meest onverwachte project van het Technion-team was de keuze om een grote lens te produceren.Hier begon het allemaal met een toevallig gesprek en een naïeve vraag."Het draait allemaal om mensen," zei Berkovic.Toen hij Berkovic vroeg, vertelde hij Dr. Edward Baraban, een NASA-onderzoeker, dat hij zijn project aan de Stanford University kende, en hij kende hem aan de Stanford University: "Je denkt dat je het kunt. Doe je zo'n lens voor een ruimtetelescoop ?”
"Het klonk als een gek idee," herinnerde Berkovic zich, "maar het was diep in mijn gedachten gegrift."Nadat de laboratoriumtest met succes was afgerond, realiseerden Israëlische onderzoekers zich dat de methode in de ruimte zou kunnen worden gebruikt. Het werkt op dezelfde manier in de ruimte.U kunt daar immers microzwaartekrachtomstandigheden bereiken zonder dat u drijvende vloeistoffen nodig heeft."Ik heb Edward gebeld en ik heb hem gezegd dat het werkt!"
Ruimtetelescopen hebben grote voordelen ten opzichte van telescopen op de grond omdat ze niet worden beïnvloed door atmosferische of lichtvervuiling.Het grootste probleem met de ontwikkeling van ruimtetelescopen is dat hun grootte wordt beperkt door de grootte van de draagraket.Op aarde hebben telescopen momenteel een diameter tot 40 meter.De Hubble-ruimtetelescoop heeft een spiegel met een diameter van 2,4 meter, terwijl de James Webb-telescoop een spiegel met een diameter van 6,5 meter heeft. ontwikkeld die de telescoop in een opgevouwen positie kan lanceren en vervolgens automatisch in de ruimte kan openen.
Aan de andere kant bevindt Liquid zich al in een "gevouwen" staat.Je kunt de zender bijvoorbeeld vullen met vloeibaar metaal, een injectiemechanisme en expansiering toevoegen en vervolgens een spiegel in de ruimte maken."Dit is een illusie", gaf Berkovic toe."Mijn moeder vroeg me: 'Wanneer ben je klaar?Ik zei tegen haar: 'Misschien over 20 jaar.Ze zei dat ze geen tijd had om te wachten.”
Als deze droom uitkomt, kan dit de toekomst van ruimteonderzoek veranderen.Vandaag wees Berkovic erop dat mensen niet in staat zijn om exoplaneten - planeten buiten het zonnestelsel - rechtstreeks te observeren, omdat daarvoor een aardtelescoop nodig is die 10 keer groter is dan bestaande telescopen - wat met de bestaande technologie volkomen onmogelijk is.
Aan de andere kant voegde Bercovici eraan toe dat de Falcon Heavy, momenteel de grootste ruimtelanceerder SpaceX, 20 kubieke meter vloeistof kan vervoeren.Hij legde uit dat Falcon Heavy in theorie zou kunnen worden gebruikt om een vloeistof naar een baanpunt te lanceren, waar de vloeistof zou kunnen worden gebruikt om een spiegel met een diameter van 75 meter te maken - het oppervlak en het verzamelde licht zouden 100 keer groter zijn dan de laatste .James Webb-telescoop.
Dit is een droom, en het zal lang duren om het te realiseren.Maar NASA neemt het serieus.Samen met een team van ingenieurs en wetenschappers van NASA's Ames Research Center, onder leiding van Balaban, wordt de technologie voor het eerst uitgeprobeerd.
Eind december wordt een door het laboratoriumteam van Bercovici ontwikkeld systeem naar het internationale ruimtestation ISS gestuurd, waar een reeks experimenten zal worden uitgevoerd om astronauten in staat te stellen lenzen in de ruimte te vervaardigen en te genezen.Daarvoor zullen dit weekend experimenten worden uitgevoerd in Florida om de haalbaarheid te testen van het produceren van hoogwaardige lenzen onder microzwaartekracht zonder dat er drijvende vloeistof nodig is.
Het Fluid Telescope Experiment (FLUTE) werd uitgevoerd op een vliegtuig met verminderde zwaartekracht - alle stoelen van dit vliegtuig werden verwijderd voor het trainen van astronauten en het opnemen van zwaartekrachtscènes in films.Door te manoeuvreren in de vorm van een antiparabool, oplopend en vervolgens vrij te vallen, worden microzwaartekrachtcondities voor een korte tijd in het vliegtuig gecreëerd."Het wordt niet voor niets een 'braakselkomeet' genoemd," zei Berkovic met een glimlach.De vrije val duurt ongeveer 20 seconden, waarbij de zwaartekracht van het vliegtuig bijna nul is.In deze periode zullen de onderzoekers proberen een vloeibare lens te maken en metingen te doen om te bewijzen dat de kwaliteit van de lens goed genoeg is, dan wordt het vlak recht, wordt de zwaartekracht volledig hersteld en wordt de lens een plas.
Het experiment staat gepland voor twee vluchten op donderdag en vrijdag, elk met 30 parabolen.Bercovici en de meeste leden van het laboratoriumteam, waaronder Elgarisi en Luria, en Frumkin van het Massachusetts Institute of Technology zullen aanwezig zijn.
Tijdens mijn bezoek aan het Technion laboratorium was de opwinding overweldigend.Op de vloer liggen 60 kartonnen dozen, met daarin 60 zelfgemaakte kleine bouwpakketten voor experimenten.Luria brengt laatste en last-minute verbeteringen aan in het geautomatiseerde experimentele systeem dat hij heeft ontwikkeld om lensprestaties te meten.
Tegelijkertijd voert het team timingoefeningen uit vóór kritieke momenten.Eén team stond daar met een stopwatch en de anderen hadden 20 seconden om een schot te maken.Op het vliegtuig zelf zullen de omstandigheden nog slechter zijn, vooral na verschillende vrije valpartijen en opwaartse liften onder verhoogde zwaartekracht.
Niet alleen het Technion-team is enthousiast.Baraban, de hoofdonderzoeker van NASA's Flute Experiment, vertelde Haaretz: "De vloeibare vormmethode kan resulteren in krachtige ruimtetelescopen met openingen van tientallen of zelfs honderden meters.Dergelijke telescopen kunnen bijvoorbeeld direct de omgeving van andere sterren waarnemen.Planet, maakt analyse met hoge resolutie van zijn atmosfeer mogelijk en kan zelfs grootschalige oppervlaktekenmerken identificeren.Deze methode kan ook leiden tot andere toepassingen in de ruimte, zoals hoogwaardige optische componenten voor het oogsten en doorgeven van energie, wetenschappelijke instrumenten en medische apparatuur. Ruimtevaartindustrie speelt dus een belangrijke rol in de opkomende ruimteeconomie.”
Kort voordat hij aan boord van het vliegtuig stapte en aan het avontuur van zijn leven begon, pauzeerde Berkovic een moment van verbazing."Ik blijf mezelf afvragen waarom niemand hier eerder aan heeft gedacht", zei hij.“Elke keer als ik naar een conferentie ga, ben ik bang dat iemand zal opstaan en zeggen dat sommige Russische onderzoekers dit 60 jaar geleden hebben gedaan.Het is tenslotte zo'n simpele methode.”
Posttijd: 21 december 2021