O profesor Moran Bercovici e o doutor Valeri Frumkin desenvolveron tecnoloxía barata para fabricar lentes ópticas, e é posible producir lentes para moitos países en vías de desenvolvemento onde non están dispoñibles.Agora, a NASA di que se pode usar para facer telescopios espaciais
A ciencia adoita avanzar en pequenos pasos.Engádese unha pequena información a cada novo experimento.É raro que unha simple idea que aparece no cerebro dun científico leve a un gran avance sen utilizar ningunha tecnoloxía.Pero isto é o que lles pasou a dous enxeñeiros israelís que desenvolveron un novo método de fabricación de lentes ópticas.
O sistema é sinxelo, barato e preciso, e pode ter un gran impacto en ata un terzo da poboación mundial.Tamén pode cambiar a cara da investigación espacial.Para deseñalo, os investigadores só necesitan unha pizarra branca, un rotulador, un borrador e un pouco de sorte.
O profesor Moran Bercovici e o doutor Valeri Frumkin do Departamento de Enxeñaría Mecánica do Instituto Tecnolóxico de Technion-Israel en Haifa están especializados en mecánica de fluídos, non en óptica.Pero hai ano e medio, no World Laureate Forum de Shanghai, Berkovic pasou a sentar con David Ziberman, un economista israelí.
Zilberman é un gañador do premio Wolf, e agora na Universidade de California, Berkeley, falou sobre as súas investigacións nos países en desenvolvemento.Bercovici describiu o seu experimento fluído.Entón Ziberman fixo unha pregunta sinxela: "Podes usar isto para facer lentes?"
"Cando pensas nos países en desenvolvemento, normalmente pensas na malaria, na guerra, na fame", dixo Berkovic."Pero Ziberman dixo algo que non sei en absoluto: 2.500 millóns de persoas no mundo necesitan lentes pero non as poden conseguir.Este é un número incrible".
Bercovici volveu a casa e comprobou que un informe do Foro Económico Mundial confirmaba este número.Aínda que só custa uns poucos dólares facer un simple par de lentes, as lentes baratas non se fabrican nin se venden na maior parte do mundo.
O impacto é enorme, dende nenos que non ven o encerado na escola ata adultos aos que a vista se deteriora tanto que perden o seu traballo.Ademais de prexudicar a calidade de vida das persoas, estímase que o custo da economía global chega a 3 billóns de dólares ao ano.
Despois da conversa, Berkovic non puido durmir pola noite.Cando chegou a Technion, comentou este asunto con Frumkin, que naquel momento era un investigador posdoutoral no seu laboratorio.
"Debuxamos un plano no encerado e mirámolo", recordou."Sabemos instintivamente que non podemos crear esta forma coa nosa tecnoloxía de control de fluídos e queremos descubrir por que".
A forma esférica é a base da óptica porque a lente está feita delas.En teoría, Bercovici e Frumkin sabían que podían facer unha cúpula redonda a partir dun polímero (un líquido que se solidificara) para facer unha lente.Pero os líquidos só poden permanecer esféricos en pequenos volumes.Cando sexan máis grandes, a gravidade esmagará en pozas.
"Entón o que temos que facer é desfacernos da gravidade", explicou Bercovici.E isto é exactamente o que fixeron el e Frumkin.Despois de estudar o seu encerado, Frumkin tivo unha idea moi sinxela, pero non está claro por que ninguén se lle ocorreu antes: se a lente se coloca nunha cámara de líquido, o efecto da gravidade pódese eliminar.Todo o que tes que facer é asegurarte de que o líquido da cámara (chamado líquido flotante) teña a mesma densidade que o polímero do que está feita a lente, e entón o polímero flotará.
Outra cousa importante é utilizar dous fluídos inmiscibles, o que significa que non se mesturarán entre si, como o aceite e a auga."A maioría dos polímeros son máis parecidos aos aceites, polo que o noso líquido "singular" é a auga", dixo Bercovici.
Pero como a auga ten unha densidade menor que os polímeros, a súa densidade debe aumentarse un pouco para que o polímero flote.Para iso, os investigadores tamén utilizaron materiais menos exóticos: sal, azucre ou glicerina.Bercovici dixo que o compoñente final do proceso é un marco ríxido no que se inxecta polímero para que se poida controlar a súa forma.
Cando o polímero alcanza a súa forma final, cúrase mediante radiación ultravioleta e convértese nunha lente sólida.Para facer o marco, os investigadores utilizaron un simple tubo de sumidoiros, cortado nun anel, ou unha placa de Petri cortada dende o fondo."Calquera neno pode facelos na casa, e as miñas fillas e eu fixemos algúns na casa", dixo Bercovici.“Ao longo destes anos fixemos moitas cousas no laboratorio, algunhas delas moi complicadas, pero non cabe dúbida de que isto é o máis sinxelo e doado que fixemos.Quizais o máis importante".
Frumkin creou o seu primeiro tiro o mesmo día en que pensou na solución."Envioume unha foto por WhatsApp", recordou Berkovic."En retrospectiva, esta era unha lente moi pequena e fea, pero estabamos moi felices".Frumkin continuou estudando este novo invento.“A ecuación mostra que unha vez que eliminas a gravidade, non importa se o cadro é dun centímetro ou dun quilómetro;dependendo da cantidade de material, sempre obterás a mesma forma".
Os dous investigadores continuaron experimentando co ingrediente secreto de segunda xeración, o cubo de fregona, e utilizárono para crear unha lente cun diámetro de 20 cm apta para telescopios.O custo da lente aumenta exponencialmente co diámetro, pero con este novo método, independentemente do tamaño, só necesitas polímero barato, auga, sal (ou glicerina) e un molde de anel.
A lista de ingredientes marca un gran cambio nos métodos tradicionais de fabricación de lentes que permaneceron case sen cambios durante 300 anos.Na fase inicial do proceso tradicional, unha placa de vidro ou de plástico é moída mecánicamente.Por exemplo, cando se fabrican lentes de gafas, preto do 80% do material desperdicia.Mediante o método deseñado por Bercovici e Frumkin, en lugar de moer materiais sólidos, inxéctase líquido no marco, para que a lente poida fabricarse nun proceso totalmente libre de residuos.Este método tampouco require pulido, porque a tensión superficial do fluído pode garantir unha superficie extremadamente lisa.
Haaretz visitou o laboratorio de Technion, onde o estudante de doutoramento Mor Elgarisi demostrou o proceso.Inxectou polímero nun anel nunha pequena cámara de líquido, irradiouna cunha lámpada UV e entregoume un par de luvas cirúrxicas dous minutos despois.Metei a man con moito coidado na auga e saquei a lente."Isto é todo, a tramitación rematou", berrou Berkovic.
As lentes son absolutamente suaves ao tacto.Non se trata só dunha sensación subxectiva: Bercovici di que, aínda sen pulir, a rugosidade da superficie dunha lente feita mediante un método de polímero é inferior a un nanómetro (a mil millonésima parte dun metro)."As forzas da natureza crean calidades extraordinarias por si mesmas, e son libres", dixo.Pola contra, o vidro óptico está pulido ata 100 nanómetros, mentres que os espellos do telescopio espacial James Webb, buque insignia da NASA, están pulidos ata 20 nanómetros.
Pero non todos cren que este elegante método será o salvador de miles de millóns de persoas en todo o mundo.O profesor Ady Arie da Escola de Enxeñaría Eléctrica da Universidade de Tel Aviv sinalou que o método de Bercovici e Frumkin require un molde circular no que se inxecta polímero líquido, o propio polímero e unha lámpada ultravioleta.
"Estes non están dispoñibles nas aldeas indias", apuntou.Outra cuestión suscitada polo fundador e vicepresidente de I+D de SPO Precision Optics, Niv Adut, e o científico xefe da compañía, o doutor Doron Sturlesi (ambos familiarizados co traballo de Bercovici), é que substituír o proceso de rectificado por fundicións de plástico dificultará a adaptación da lente ao necesidades.A súa xente.
Berkovic non entrou en pánico."A crítica é unha parte fundamental da ciencia, e o noso rápido desenvolvemento durante o último ano débese en gran medida a que os expertos nos empurraron ata a esquina", dixo.Sobre a viabilidade da fabricación en zonas remotas, engadiu: “A infraestrutura necesaria para fabricar lentes mediante métodos tradicionais é enorme;necesitas fábricas, máquinas e técnicos, e só necesitamos a mínima infraestrutura”.
Bercovici mostrounos dúas lámpadas de radiación ultravioleta no seu laboratorio: “Esta é de Amazon e custa 4 dólares, e a outra de AliExpress e custa 1,70 dólares.Se non tes, sempre podes usar Sunshine”, explicou.E os polímeros?"Unha botella de 250 ml véndese por 16 dólares en Amazon.A lente media require de 5 a 10 ml, polo que o custo do polímero tampouco é un factor real".
Subliñou que o seu método non require o uso de moldes únicos para cada número de lente, como afirman os críticos.Un molde sinxelo é adecuado para cada número de lente, explicou: "A diferenza é a cantidade de polímero inxectado, e para facer un cilindro para os lentes só se precisa estirar un pouco o molde".
Bercovici dixo que a única parte custosa do proceso é a automatización da inxección de polímeros, que hai que facer precisamente en función do número de lentes necesarios.
"O noso soño é repercutir no país con menos recursos", dixo Bercovici.Aínda que ás aldeas pobres se poden levar vasos baratos -aínda que isto non está rematado-, o seu plan é moito máis grande.“Como ese famoso proverbio, non quero darlles peixe, quero ensinarlles a pescar.Deste xeito, a xente poderá fabricar as súas propias gafas”, afirmou."Tera éxito?Só o tempo dará a resposta".
Bercovici e Frumkin describiron este proceso nun artigo hai uns seis meses na primeira edición de Flow, unha revista de aplicacións de mecánica de fluídos publicada pola Universidade de Cambridge.Pero o equipo non pretende quedarse con simples lentes ópticos.Outro artigo publicado na revista Optica hai unhas semanas describiu un novo método para fabricar compoñentes ópticos complexos no campo da óptica de forma libre.Estes compoñentes ópticos non son nin convexos nin cóncavos, senón que están moldeados nunha superficie topográfica e irradia a luz á superficie de diferentes áreas para conseguir o efecto desexado.Estes compoñentes pódense atopar en lentes multifocais, cascos de piloto, sistemas de proxector avanzados, sistemas de realidade virtual e aumentada e outros lugares.
A fabricación de compoñentes de forma libre utilizando métodos sostibles é complicada e custosa porque é difícil moer e pulir a súa superficie.Polo tanto, estes compoñentes teñen actualmente usos limitados."Houbo publicacións académicas sobre os posibles usos deste tipo de superficies, pero isto aínda non se reflectiu nas aplicacións prácticas", explicou Bercovici.Neste novo traballo, o equipo de laboratorio dirixido por Elgarisi mostrou como controlar a forma da superficie creada cando se inxecta un polímero líquido controlando a forma do cadro.O marco pódese crear usando unha impresora 3D."Xa non facemos cousas cun cubo de fregona, pero aínda así é moi sinxelo", dixo Bercovici.
Omer Luria, enxeñeiro investigador do laboratorio, sinalou que esta nova tecnoloxía pode producir rapidamente lentes particularmente suaves cun terreo único."Esperamos que poida reducir significativamente o custo e o tempo de produción de compoñentes ópticos complexos", dixo.
O profesor Arie é un dos editores de Optica, pero non participou na revisión do artigo."Este é un traballo moi bo", dixo Ali sobre a investigación."Para producir superficies ópticas asféricas, os métodos actuais usan moldes ou impresión 3D, pero ambos métodos son difíciles de crear superficies suficientemente lisas e grandes nun prazo de tempo razoable".Arie cre que o novo método axudará a crear liberdade Prototipo de compoñentes formais."Para a produción industrial de grandes cantidades de pezas, o mellor é preparar moldes, pero para probar novas ideas rapidamente, este é un método interesante e elegante", dixo.
SPO é unha das empresas líderes de Israel no campo das superficies de forma libre.Segundo Adut e Sturlesi, o novo método ten vantaxes e desvantaxes.Din que o uso de plásticos limita as posibilidades porque non son duradeiros a temperaturas extremas e a súa capacidade para acadar unha calidade suficiente en toda a gama de cores é limitada.En canto ás vantaxes, sinalaron que a tecnoloxía ten o potencial de reducir significativamente o custo de produción das complexas lentes de plástico, que se utilizan en todos os teléfonos móbiles.
Adut e Sturlesi engadiron que cos métodos de fabricación tradicionais, o diámetro das lentes de plástico é limitado porque canto máis grandes son, menos precisas.Aseguraron que, segundo o método de Bercovici, a fabricación de lentes en líquido pode evitar a distorsión, o que pode crear compoñentes ópticos moi potentes -xa sexa no campo das lentes esféricas ou das lentes de forma libre-.
O proxecto máis inesperado do equipo de Technion foi optar por producir unha lente grande.Aquí, todo comezou cunha conversación accidental e unha pregunta inxenua."Todo é cuestión de persoas", dixo Berkovic.Cando lle preguntou a Berkovic, dicía ao doutor Edward Baraban, un científico investigador da NASA, que coñecía o seu proxecto na Universidade de Stanford, e que o coñecía na Universidade de Stanford: "Crees que podes facer unha lente deste tipo para un telescopio espacial. ?"
"Parecía unha idea tola", recordou Berkovic, "pero quedou profundamente marcada na miña mente".Despois de que a proba de laboratorio se completase con éxito, os investigadores israelís déronse conta de que o método podería usarse en Funciona do mesmo xeito no espazo.Despois de todo, pode acadar condicións de microgravidade alí sen necesidade de líquidos flotantes."Chamei a Edward e díxenlle que funciona!"
Os telescopios espaciais teñen grandes vantaxes sobre os telescopios terrestres porque non se ven afectados pola contaminación atmosférica ou lumínica.O maior problema co desenvolvemento dos telescopios espaciais é que o seu tamaño está limitado polo tamaño do lanzador.Na Terra, os telescopios teñen actualmente un diámetro de ata 40 metros.O Telescopio Espacial Hubble ten un espello de 2,4 metros de diámetro, mentres que o Telescopio James Webb ten un espello de 6,5 metros de diámetro. desenvolvido que pode lanzar o telescopio nunha posición dobrada e despois abrilo automaticamente no espazo.
Por outra banda, Liquid xa está nun estado "dobrado".Por exemplo, pode encher o transmisor con metal líquido, engadir un mecanismo de inxección e un anel de expansión e despois facer un espello no espazo."Isto é unha ilusión", admitiu Berkovic."A miña nai preguntoume:" Cando estarás listo?Díxenlle: "Quizais nuns 20 anos.Ela dixo que non tiña tempo para esperar".
Se este soño se fai realidade, pode cambiar o futuro da investigación espacial.Hoxe, Berkovic apuntou que os humanos non teñen a capacidade de observar directamente exoplanetas -planetas fóra do sistema solar, porque para facelo require un telescopio terrestre 10 veces maior que os telescopios existentes- o que é completamente imposible coa tecnoloxía existente.
Por outra banda, Bercovici engadiu que o Falcon Heavy, actualmente o maior lanzador espacial SpaceX, pode transportar 20 metros cúbicos de líquido.Explicou que, en teoría, Falcon Heavy podería usarse para lanzar un líquido a un punto orbital, onde o líquido podería usarse para facer un espello de 75 metros de diámetro; a superficie e a luz recollida serían 100 veces máis grandes que este último. .Telescopio James Webb.
Este é un soño, e levará moito tempo realizalo.Pero a NASA tómao en serio.Xunto cun equipo de enxeñeiros e científicos do Centro de Investigación Ames da NASA, dirixido por Balaban, a tecnoloxía está a ser probada por primeira vez.
A finais de decembro, un sistema desenvolvido polo equipo do laboratorio de Bercovici enviarase á Estación Espacial Internacional, onde se realizarán unha serie de experimentos para que os astronautas poidan fabricar e curar lentes no espazo.Antes diso, este fin de semana levaranse a cabo experimentos en Florida para probar a viabilidade de producir lentes de alta calidade baixo microgravidade sen necesidade de ningún líquido flotante.
O experimento Fluid Telescope (FLUTE) realizouse nunha aeronave de gravidade reducida; todos os asentos deste avión foron retirados para adestrar astronautas e filmar escenas de gravidade cero en películas.Ao manobrar en forma de antiparábola, ascendente e despois descendendo libremente créanse condicións de microgravidade no avión durante un curto período de tempo."Chámase "cometa de vómito" por unha boa razón", dixo Berkovic cun sorriso.A caída libre dura uns 20 segundos, nos que a gravidade do avión está preto de cero.Durante este período, os investigadores tentarán facer unha lente líquida e realizar medicións para demostrar que a calidade da lente é o suficientemente boa, entón o avión faise recto, a gravidade restablece completamente e a lente convértese nun charco.
O experimento está programado para dous voos o xoves e o venres, cada un con 30 parábolas.Bercovici e a maioría dos membros do equipo de laboratorio, incluídos Elgarisi e Luria, e Frumkin do Instituto Tecnolóxico de Massachusetts estarán presentes.
Durante a miña visita ao laboratorio Technion, a emoción foi esmagadora.Hai 60 caixas de cartón no chan, que conteñen 60 pequenos kits de elaboración propia para experimentos.Luria está a facer melloras finais e de última hora no sistema experimental informatizado que desenvolveu para medir o rendemento das lentes.
Ao mesmo tempo, o equipo está a realizar exercicios de cronometraxe antes dos momentos críticos.Un equipo quedou alí cun cronómetro, e os outros tiveron 20 segundos para facer un tiro.No propio avión, as condicións serán aínda peores, especialmente despois de varias caídas libres e elevacións ascendentes baixo unha maior gravidade.
Non só o equipo Technion está entusiasmado.Baraban, o investigador principal do Experimento Flauta da NASA, díxolle a Haaretz: "O método de conformación do fluído pode producir telescopios espaciais poderosos con aperturas de decenas ou mesmo centos de metros.Por exemplo, estes telescopios poden observar directamente a contorna doutras estrelas.Planeta, facilita a análise de alta resolución da súa atmosfera e mesmo pode identificar características da superficie a gran escala.Este método tamén pode levar a outras aplicacións espaciais, como compoñentes ópticos de alta calidade para a recollida e transmisión de enerxía, instrumentos científicos e equipos médicos. Fabricación espacial, xogando así un papel importante na economía espacial emerxente.
Pouco antes de subir ao avión e embarcarse na aventura da súa vida, Berkovic detívose un momento sorprendido."Sigo preguntándome por que ninguén pensaba nisto antes", dixo."Cada vez que vou a unha conferencia, teño medo de que alguén se poña de pé e diga que algúns investigadores rusos fixeron isto hai 60 anos.Despois de todo, é un método tan sinxelo".
Hora de publicación: 21-12-2021