Prof. Moran Bercovici dan Dr. Valeri Frumkin telah membangunkan teknologi murah untuk pembuatan kanta optik, dan adalah mungkin untuk menghasilkan cermin mata untuk banyak negara membangun di mana cermin mata tidak tersedia.Kini, NASA berkata ia boleh digunakan untuk membuat teleskop angkasa lepas
Sains biasanya maju dalam langkah-langkah kecil.Sekeping maklumat kecil ditambahkan pada setiap percubaan baharu.Jarang sekali idea mudah yang muncul dalam otak saintis membawa kepada kejayaan besar tanpa menggunakan sebarang teknologi.Tetapi inilah yang berlaku kepada dua jurutera Israel yang membangunkan kaedah baharu untuk menghasilkan kanta optik.
Sistem ini mudah, murah dan tepat, dan boleh memberi impak besar kepada sehingga satu pertiga daripada penduduk dunia.Ia juga mungkin mengubah wajah penyelidikan angkasa lepas.Untuk mereka bentuknya, penyelidik hanya memerlukan papan putih, penanda, pemadam dan sedikit tuah.
Profesor Moran Bercovici dan Dr. Valeri Frumkin dari Jabatan Kejuruteraan Mekanikal Institut Teknologi Technion-Israel di Haifa pakar dalam mekanik bendalir, bukan optik.Tetapi setahun setengah yang lalu, di Forum Pemenang Dunia di Shanghai, Berkovic kebetulan duduk dengan David Ziberman, seorang ahli ekonomi Israel.
Zilberman ialah pemenang Hadiah Serigala, dan kini di University of California, Berkeley, dia bercakap tentang penyelidikannya di negara membangun.Bercovici menerangkan eksperimen cecairnya.Kemudian Ziberman bertanya soalan mudah: "Bolehkah anda menggunakan ini untuk membuat cermin mata?"
"Apabila anda memikirkan negara membangun, anda biasanya memikirkan malaria, perang, kelaparan," kata Berkovic.“Tetapi Ziberman mengatakan sesuatu yang saya tidak tahu sama sekali-2.5 bilion orang di dunia memerlukan cermin mata tetapi tidak boleh mendapatkannya.Ini adalah nombor yang menakjubkan.”
Bercovici pulang ke rumah dan mendapati bahawa laporan dari Forum Ekonomi Dunia mengesahkan jumlah ini.Walaupun hanya memerlukan beberapa dolar untuk membuat sepasang cermin mata yang ringkas, cermin mata murah tidak dikeluarkan atau dijual di kebanyakan bahagian dunia.
Kesannya amat besar, daripada kanak-kanak yang tidak dapat melihat papan hitam di sekolah hinggalah kepada orang dewasa yang penglihatannya merosot sehingga kehilangan pekerjaan.Selain menjejaskan kualiti hidup rakyat, kos ekonomi global dianggarkan setinggi AS$3 trilion setahun.
Selepas perbualan, Berkovic tidak dapat tidur pada waktu malam.Apabila dia tiba di Technion, dia membincangkan isu ini dengan Frumkin, yang merupakan penyelidik pasca doktoral di makmalnya pada masa itu.
"Kami melukis pukulan di papan putih dan melihatnya," katanya."Kami tahu secara naluri bahawa kami tidak boleh mencipta bentuk ini dengan teknologi kawalan bendalir kami, dan kami ingin mengetahui sebabnya."
Bentuk sfera adalah asas optik kerana kanta diperbuat daripada mereka.Secara teori, Bercovici dan Frumkin tahu bahawa mereka boleh membuat kubah bulat daripada polimer (cecair yang telah pepejal) untuk membuat kanta.Tetapi cecair hanya boleh kekal sfera dalam jumlah yang kecil.Apabila mereka lebih besar, graviti akan meremukkannya ke dalam lopak.
"Jadi apa yang perlu kita lakukan ialah menyingkirkan graviti," jelas Bercovici.Dan inilah yang dia dan Frumkin lakukan.Selepas mengkaji papan putih mereka, Frumkin datang dengan idea yang sangat mudah, tetapi tidak jelas mengapa tiada siapa yang memikirkannya sebelum ini-jika kanta diletakkan di dalam ruang cecair, kesan graviti boleh dihapuskan.Apa yang anda perlu lakukan ialah memastikan cecair di dalam ruang (dipanggil cecair apung) mempunyai ketumpatan yang sama dengan polimer dari mana kanta dibuat, dan kemudian polimer akan terapung.
Satu lagi perkara penting ialah menggunakan dua cecair yang tidak bercampur, yang bermaksud ia tidak akan bercampur antara satu sama lain, seperti minyak dan air."Kebanyakan polimer lebih seperti minyak, jadi cecair apungan 'singular' kami ialah air," kata Bercovici.
Tetapi kerana air mempunyai ketumpatan yang lebih rendah daripada polimer, ketumpatannya mesti ditingkatkan sedikit supaya polimer akan terapung.Untuk tujuan ini, para penyelidik juga menggunakan bahan yang kurang eksotik-garam, gula atau gliserin.Bercovici berkata bahawa komponen terakhir proses itu ialah kerangka tegar di mana polimer disuntik supaya bentuknya dapat dikawal.
Apabila polimer mencapai bentuk terakhirnya, ia disembuhkan menggunakan sinaran ultraungu dan menjadi kanta pepejal.Untuk membuat bingkai, para penyelidik menggunakan paip kumbahan mudah, dipotong menjadi cincin, atau hidangan petri yang dipotong dari bawah."Mana-mana kanak-kanak boleh membuatnya di rumah, dan anak perempuan saya dan saya membuatnya di rumah," kata Bercovici.“Selama bertahun-tahun, kami telah melakukan banyak perkara di makmal, beberapa daripadanya sangat rumit, tetapi tidak dinafikan bahawa ini adalah perkara paling mudah dan paling mudah yang kami lakukan.Mungkin yang paling penting.”
Frumkin mencipta pukulan pertamanya pada hari yang sama dia memikirkan penyelesaiannya."Dia menghantar saya gambar di WhatsApp," ingat Berkovic."Sebaliknya, ini adalah kanta yang sangat kecil dan hodoh, tetapi kami sangat gembira."Frumkin terus mengkaji ciptaan baru ini.“Persamaan menunjukkan bahawa sebaik sahaja anda mengeluarkan graviti, tidak kira sama ada bingkai itu satu sentimeter atau satu kilometer;bergantung pada jumlah bahan, anda akan sentiasa mendapat bentuk yang sama.”
Kedua-dua penyelidik terus mencuba bahan rahsia generasi kedua, baldi mop, dan menggunakannya untuk mencipta kanta berdiameter 20 cm yang sesuai untuk teleskop.Kos kanta meningkat secara eksponen dengan diameter, tetapi dengan kaedah baharu ini, tanpa mengira saiz, apa yang anda perlukan hanyalah polimer murah, air, garam (atau gliserin), dan acuan cincin.
Senarai ramuan menandakan peralihan besar dalam kaedah pembuatan kanta tradisional yang kekal hampir tidak berubah selama 300 tahun.Pada peringkat awal proses tradisional, plat kaca atau plastik dikisar secara mekanikal.Sebagai contoh, apabila membuat kanta cermin mata, kira-kira 80% bahan terbuang.Menggunakan kaedah yang direka oleh Bercovici dan Frumkin, bukannya mengisar bahan pepejal, cecair disuntik ke dalam bingkai, supaya kanta boleh dihasilkan dalam proses bebas sisa sepenuhnya.Kaedah ini juga tidak memerlukan penggilap, kerana tegangan permukaan bendalir boleh memastikan permukaan yang sangat licin.
Haaretz melawat makmal Technion, di mana pelajar kedoktoran Mor Elgarisi menunjukkan proses itu.Dia menyuntik polimer ke dalam cincin di dalam ruang cecair kecil, menyinarinya dengan lampu UV, dan menyerahkan saya sepasang sarung tangan pembedahan dua minit kemudian.Saya dengan berhati-hati mencelupkan tangan saya ke dalam air dan menarik keluar kanta."Itu sahaja, pemprosesan telah tamat," jerit Berkovic.
Kanta benar-benar licin untuk disentuh.Ini bukan sekadar perasaan subjektif: Bercovici mengatakan bahawa walaupun tanpa menggilap, kekasaran permukaan kanta yang dibuat menggunakan kaedah polimer adalah kurang daripada satu nanometer (satu bilion meter)."Kuasa alam semula jadi mencipta kualiti yang luar biasa dengan sendirinya, dan mereka bebas," katanya.Sebaliknya, kaca optik digilap hingga 100 nanometer, manakala cermin Teleskop Angkasa James Webb perdana NASA digilap hingga 20 nanometer.
Tetapi tidak semua orang percaya bahawa kaedah elegan ini akan menjadi penyelamat berbilion orang di seluruh dunia.Profesor Ady Arie dari Sekolah Kejuruteraan Elektrik Universiti Tel Aviv menegaskan bahawa kaedah Bercovici dan Frumkin memerlukan acuan bulat di mana polimer cecair disuntik, polimer itu sendiri dan lampu ultraviolet.
"Ini tidak terdapat di perkampungan India," katanya.Isu lain yang dibangkitkan oleh pengasas SPO Precision Optics dan naib presiden R&D Niv Adut dan ketua saintis syarikat Dr. Doron Sturlesi (kedua-duanya biasa dengan kerja Bercovici) ialah menggantikan proses pengisaran dengan tuangan plastik akan menyukarkan untuk menyesuaikan kanta dengan keperluan.rakyatnya.
Berkovic tidak panik."Kritikan adalah bahagian asas sains, dan perkembangan pesat kami sepanjang tahun lalu sebahagian besarnya disebabkan oleh pakar yang mendorong kami ke sudut," katanya.Mengenai kebolehlaksanaan pembuatan di kawasan terpencil, beliau menambah: “Infrastruktur yang diperlukan untuk mengeluarkan cermin mata menggunakan kaedah tradisional adalah besar;anda memerlukan kilang, mesin dan juruteknik, dan kami hanya memerlukan infrastruktur minimum.”
Bercovici menunjukkan kepada kami dua lampu sinaran ultraungu di makmalnya: “Satu ini dari Amazon dan berharga $4, dan satu lagi dari AliExpress dan berharga $1.70.Jika anda tidak memilikinya, anda sentiasa boleh menggunakan Sunshine,” jelasnya.Bagaimana pula dengan polimer?"Sebotol 250 ml dijual pada harga $16 di Amazon.Kanta purata memerlukan 5 hingga 10 ml, jadi kos polimer juga bukan faktor sebenar.
Dia menekankan bahawa kaedahnya tidak memerlukan penggunaan acuan unik untuk setiap nombor kanta, seperti yang didakwa oleh pengkritik.Acuan mudah sesuai untuk setiap nombor kanta, dia menjelaskan: "Perbezaannya ialah jumlah polimer yang disuntik, dan untuk membuat silinder untuk cermin mata, semua yang diperlukan ialah meregangkan sedikit acuan."
Bercovici berkata bahawa satu-satunya bahagian proses yang mahal ialah automasi suntikan polimer, yang mesti dilakukan dengan tepat mengikut bilangan kanta yang diperlukan.
"Impian kami adalah untuk memberi impak dalam negara dengan sumber paling sedikit," kata Bercovici.Walaupun cermin mata murah boleh dibawa ke kampung-kampung miskin-walaupun ini belum selesai-rancangannya jauh lebih besar.“Sama seperti pepatah terkenal itu, saya tidak mahu beri ikan, saya hendak mengajar mereka memancing.Dengan cara ini, orang ramai akan dapat membuat cermin mata mereka sendiri,” katanya.“Adakah ia akan berjaya?Hanya masa yang akan memberikan jawapannya.”
Bercovici dan Frumkin menerangkan proses ini dalam artikel kira-kira enam bulan lalu dalam edisi pertama Flow, jurnal aplikasi mekanik bendalir yang diterbitkan oleh University of Cambridge.Tetapi pasukan itu tidak berhasrat untuk kekal pada kanta optik mudah.Satu lagi kertas kerja yang diterbitkan dalam majalah Optica beberapa minggu lalu menerangkan kaedah baru untuk pembuatan komponen optik kompleks dalam bidang optik bentuk bebas.Komponen optik ini tidak cembung atau cekung, tetapi dibentuk menjadi permukaan topografi, dan cahaya disinari ke permukaan kawasan yang berbeza untuk mencapai kesan yang diingini.Komponen ini boleh didapati dalam cermin mata berbilang fokus, topi keledar juruterbang, sistem projektor termaju, sistem realiti maya dan tambahan, dan tempat lain.
Menghasilkan komponen bentuk bebas menggunakan kaedah mampan adalah rumit dan mahal kerana sukar untuk mengisar dan menggilap kawasan permukaannya.Oleh itu, komponen ini pada masa ini mempunyai kegunaan yang terhad."Terdapat penerbitan akademik mengenai kemungkinan penggunaan permukaan sedemikian, tetapi ini belum lagi dicerminkan dalam aplikasi praktikal," jelas Bercovici.Dalam kertas baru ini, pasukan makmal yang diketuai oleh Elgarisi menunjukkan cara mengawal bentuk permukaan yang dicipta apabila cecair polimer disuntik dengan mengawal bentuk bingkai.Bingkai boleh dibuat menggunakan pencetak 3D."Kami tidak melakukan perkara dengan baldi mop lagi, tetapi ia masih sangat mudah," kata Bercovici.
Omer Luria, seorang jurutera penyelidikan di makmal, menegaskan bahawa teknologi baharu ini boleh dengan cepat menghasilkan kanta licin dengan rupa bumi yang unik."Kami berharap ia dapat mengurangkan kos dan masa pengeluaran komponen optik kompleks dengan ketara," katanya.
Profesor Arie adalah salah seorang editor Optica, tetapi tidak mengambil bahagian dalam semakan artikel itu."Ini adalah kerja yang sangat baik," kata Ali mengenai penyelidikan itu."Untuk menghasilkan permukaan optik asfera, kaedah semasa menggunakan acuan atau cetakan 3D, tetapi kedua-dua kaedah sukar untuk menghasilkan permukaan yang cukup licin dan besar dalam jangka masa yang munasabah."Arie percaya bahawa kaedah baharu itu akan membantu mewujudkan kebebasan Prototaip komponen formal."Untuk pengeluaran perindustrian sejumlah besar bahagian, adalah yang terbaik untuk menyediakan acuan, tetapi untuk menguji idea baharu dengan cepat, ini adalah kaedah yang menarik dan elegan," katanya.
SPO ialah salah satu syarikat terkemuka Israel dalam bidang permukaan bentuk bebas.Menurut Adut dan Sturlesi, kaedah baharu itu mempunyai kebaikan dan keburukan.Mereka mengatakan bahawa penggunaan plastik mengehadkan kemungkinan kerana ia tidak tahan lama pada suhu yang melampau dan keupayaan mereka untuk mencapai kualiti yang mencukupi merentasi keseluruhan julat warna adalah terhad.Bagi kelebihannya, mereka menegaskan bahawa teknologi itu berpotensi mengurangkan kos pengeluaran kanta plastik kompleks dengan ketara, yang digunakan dalam semua telefon bimbit.
Adut dan Sturlesi menambah bahawa dengan kaedah pembuatan tradisional, diameter kanta plastik adalah terhad kerana semakin besar ia, semakin kurang tepat ia.Mereka berkata, mengikut kaedah Bercovici, pembuatan kanta dalam cecair boleh menghalang herotan, yang boleh mencipta komponen optik yang sangat berkuasa-sama ada dalam bidang kanta sfera atau kanta bentuk bebas.
Projek paling tidak dijangka pasukan Technion ialah memilih untuk menghasilkan kanta besar.Di sini, semuanya bermula dengan perbualan yang tidak disengajakan dan soalan naif.“Ini semua tentang orang,” kata Berkovic.Apabila dia bertanya kepada Berkovic, dia memberitahu Dr. Edward Baraban, seorang saintis penyelidikan NASA, bahawa dia mengetahui projeknya di Universiti Stanford, dan dia mengenalinya di Universiti Stanford: "Anda fikir anda boleh Adakah anda membuat lensa sedemikian untuk teleskop angkasa ?”
"Ia kedengaran seperti idea gila," kata Berkovic, "tetapi ia sangat terpahat dalam fikiran saya."Selepas ujian makmal berjaya diselesaikan, penyelidik Israel menyedari bahawa kaedah itu boleh digunakan dalam Ia berfungsi dengan cara yang sama di angkasa.Lagipun, anda boleh mencapai keadaan mikrograviti di sana tanpa memerlukan cecair apung."Saya menghubungi Edward dan saya memberitahunya, ia berfungsi!"
Teleskop angkasa mempunyai kelebihan besar berbanding teleskop berasaskan darat kerana ia tidak terjejas oleh pencemaran atmosfera atau cahaya.Masalah terbesar dengan pembangunan teleskop angkasa ialah saiznya dihadkan oleh saiz pelancar.Di Bumi, teleskop kini mempunyai diameter sehingga 40 meter.Teleskop Angkasa Hubble mempunyai cermin berdiameter 2.4 meter, manakala Teleskop James Webb mempunyai cermin berdiameter 6.5 meter — saintis mengambil masa 25 tahun untuk mencapai pencapaian ini, menelan kos 9 bilion dolar AS, sebahagiannya kerana sistem A perlu dibangunkan yang boleh melancarkan teleskop dalam kedudukan terlipat dan kemudian secara automatik membukanya di angkasa.
Sebaliknya, Cecair sudah berada dalam keadaan "dilipat".Sebagai contoh, anda boleh mengisi pemancar dengan logam cecair, menambah mekanisme suntikan dan cincin pengembangan, dan kemudian membuat cermin di angkasa."Ini adalah ilusi," Berkovic mengakui."Ibu saya bertanya kepada saya, 'Bilakah anda akan bersedia?Saya memberitahunya, 'Mungkin dalam masa 20 tahun.Dia kata dia tak sempat nak tunggu.”
Jika impian ini menjadi kenyataan, ia mungkin mengubah masa depan penyelidikan angkasa lepas.Hari ini, Berkovic menegaskan bahawa manusia tidak mempunyai keupayaan untuk memerhati secara langsung exoplanet-planet di luar sistem suria, kerana berbuat demikian memerlukan teleskop Bumi 10 kali lebih besar daripada teleskop sedia ada-yang sama sekali mustahil dengan teknologi sedia ada.
Sebaliknya, Bercovici menambah bahawa Falcon Heavy, pada masa ini pelancar ruang terbesar SpaceX, boleh membawa 20 meter padu cecair.Dia menjelaskan bahawa secara teori, Falcon Heavy boleh digunakan untuk melancarkan cecair ke titik orbit, di mana cecair itu boleh digunakan untuk membuat cermin berdiameter 75 meter-luas permukaan dan cahaya yang dikumpul akan menjadi 100 kali lebih besar daripada yang terakhir. .teleskop James Webb.
Ini adalah impian, dan ia akan mengambil masa yang lama untuk merealisasikannya.Tetapi NASA menganggapnya serius.Bersama-sama dengan pasukan jurutera dan saintis dari Pusat Penyelidikan Ames NASA, diketuai oleh Balaban, teknologi ini sedang dicuba buat kali pertama.
Pada akhir Disember, sistem yang dibangunkan oleh pasukan makmal Bercovici akan dihantar ke Stesen Angkasa Antarabangsa, di mana satu siri eksperimen akan dijalankan untuk membolehkan angkasawan mengeluarkan dan menyembuhkan kanta di angkasa.Sebelum itu, eksperimen akan dijalankan di Florida hujung minggu ini untuk menguji kebolehlaksanaan menghasilkan kanta berkualiti tinggi di bawah mikrograviti tanpa memerlukan sebarang cecair apung.
Eksperimen Teleskop Bendalir (FLUTE) telah dijalankan pada pesawat graviti berkurangan-semua tempat duduk pesawat ini telah dialihkan untuk melatih angkasawan dan merakam adegan graviti sifar dalam filem.Dengan bergerak dalam bentuk antiparabola-menaik dan kemudian jatuh bebas-keadaan mikrograviti dicipta dalam pesawat untuk jangka masa yang singkat."Ia dipanggil 'komet muntah' untuk alasan yang baik," kata Berkovic sambil tersenyum.Jatuh bebas berlangsung selama kira-kira 20 saat, di mana graviti pesawat hampir kepada sifar.Dalam tempoh ini, penyelidik akan cuba membuat kanta cecair dan membuat pengukuran untuk membuktikan kualiti kanta itu cukup baik, kemudian satah menjadi lurus, graviti dipulihkan sepenuhnya, dan kanta menjadi lopak.
Percubaan dijadualkan untuk dua penerbangan pada hari Khamis dan Jumaat, masing-masing dengan 30 parabola.Bercovici dan kebanyakan ahli pasukan makmal, termasuk Elgarisi dan Luria, dan Frumkin dari Massachusetts Institute of Technology akan hadir.
Semasa lawatan saya ke makmal Technion, keterujaan amat membanggakan.Terdapat 60 kotak kadbod di atas lantai, yang mengandungi 60 kit kecil buatan sendiri untuk eksperimen.Luria sedang membuat penambahbaikan akhir dan saat akhir pada sistem percubaan berkomputer yang dibangunkannya untuk mengukur prestasi kanta.
Pada masa yang sama, pasukan sedang menjalankan latihan masa sebelum detik-detik kritikal.Satu pasukan berdiri di sana dengan jam randik, dan yang lain mempunyai 20 saat untuk membuat pukulan.Pada pesawat itu sendiri, keadaan akan menjadi lebih teruk, terutamanya selepas beberapa kali jatuh bebas dan lif ke atas di bawah peningkatan graviti.
Bukan hanya pasukan Technion yang teruja.Baraban, penyelidik utama Eksperimen Seruling NASA, memberitahu Haaretz, "Kaedah membentuk bendalir mungkin menghasilkan teleskop angkasa yang berkuasa dengan apertur berpuluh atau bahkan ratusan meter.Sebagai contoh, teleskop tersebut boleh memerhati secara langsung persekitaran bintang lain.Planet, memudahkan analisis resolusi tinggi atmosferanya, dan mungkin juga mengenal pasti ciri permukaan berskala besar.Kaedah ini juga boleh membawa kepada aplikasi angkasa lepas yang lain, seperti komponen optik berkualiti tinggi untuk penuaian dan penghantaran tenaga, instrumen saintifik dan peralatan perubatan Pembuatan angkasa lepas-dengan itu memainkan peranan penting dalam ekonomi angkasa yang sedang pesat membangun.”
Sejurus sebelum menaiki pesawat dan memulakan pengembaraan hidupnya, Berkovic berhenti seketika kerana terkejut."Saya terus bertanya kepada diri sendiri mengapa tiada siapa yang memikirkan perkara ini sebelum ini," katanya.“Setiap kali saya pergi ke persidangan, saya takut seseorang akan berdiri dan mengatakan bahawa beberapa penyelidik Rusia melakukan ini 60 tahun lalu.Lagipun, ia adalah kaedah yang mudah.”
Masa siaran: Dis-21-2021