پروفسور موران برکوویسی و دکتر والری فرومکین فناوری ارزان قیمتی را برای تولید لنزهای نوری توسعه داده اند و امکان تولید عینک برای بسیاری از کشورهای در حال توسعه که در آن عینک در دسترس نیست، وجود دارد.اکنون، ناسا می گوید که می توان از آن برای ساخت تلسکوپ های فضایی استفاده کرد
علم معمولاً در مراحل کوچک پیشرفت می کند.بخش کوچکی از اطلاعات به هر آزمایش جدید اضافه می شود.به ندرت اتفاق می افتد که یک ایده ساده که در مغز یک دانشمند ظاهر می شود بدون استفاده از هیچ فناوری منجر به پیشرفت بزرگی شود.اما این همان اتفاقی است که برای دو مهندس اسرائیلی رخ داد که روش جدیدی برای ساخت لنزهای نوری ابداع کردند.
این سیستم ساده، ارزان و دقیق است و می‌تواند تأثیر زیادی بر یک سوم جمعیت جهان داشته باشد.همچنین ممکن است چهره تحقیقات فضایی را تغییر دهد.برای طراحی آن، محققان تنها به یک تخته سفید، یک نشانگر، یک پاک کن و کمی شانس نیاز دارند.
پروفسور موران برکوویسی و دکتر والری فرومکین از گروه مهندسی مکانیک موسسه فناوری Technion-Israel در حیفا در مکانیک سیالات تخصص دارند نه اپتیک.اما یک سال و نیم پیش، در مجمع جهانی برندگان در شانگهای، برکوویچ به طور اتفاقی با دیوید زیبرمن، اقتصاددان اسرائیلی نشست.
زیلبرمن برنده جایزه ولف است و اکنون در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، درباره تحقیقات خود در کشورهای در حال توسعه صحبت کرده است.برکوویچی آزمایش مایع خود را شرح داد.سپس زیبرمن یک سوال ساده پرسید: "آیا می توانید از آن برای ساخت عینک استفاده کنید؟"
برکوویچ گفت: «وقتی به کشورهای در حال توسعه فکر می کنید، معمولاً به مالاریا، جنگ، گرسنگی فکر می کنید.اما زیبرمن چیزی گفت که من اصلاً نمی‌دانم - 2.5 میلیارد نفر در جهان به عینک نیاز دارند اما نمی‌توانند عینک را تهیه کنند.این یک عدد شگفت انگیز است.»
برکوویچی به خانه بازگشت و متوجه شد که گزارش مجمع جهانی اقتصاد این عدد را تایید می کند.اگرچه ساخت یک عینک ساده فقط چند دلار هزینه دارد، اما عینک های ارزان قیمت در بیشتر نقاط جهان نه تولید می شوند و نه فروخته می شوند.
این تأثیر بسیار زیاد است، از کودکانی که نمی توانند تخته سیاه را در مدرسه ببینند تا بزرگسالانی که بینایی آنها به قدری بدتر می شود که شغل خود را از دست می دهند.علاوه بر آسیب رساندن به کیفیت زندگی مردم، هزینه اقتصاد جهانی تا 3 تریلیون دلار در سال تخمین زده می شود.
پس از گفتگو، برکوویچ شب نتوانست بخوابد.وقتی به تکنیون رسید، این موضوع را با فرومکین که در آن زمان محقق فوق دکترا در آزمایشگاهش بود، در میان گذاشت.
او به یاد می آورد: «ما یک عکس روی تخته سفید کشیدیم و به آن نگاه کردیم.ما به طور غریزی می دانیم که نمی توانیم این شکل را با فناوری کنترل سیال خود ایجاد کنیم و می خواهیم دلیل آن را پیدا کنیم.
شکل کروی اساس اپتیک است زیرا عدسی از آنها ساخته شده است.در تئوری، برکوویسی و فرومکین می‌دانستند که می‌توانند یک گنبد گرد از یک پلیمر (مایع جامد شده) برای ساختن عدسی بسازند.اما مایعات فقط در حجم های کوچک می توانند کروی باقی بمانند.وقتی بزرگتر می شوند، گرانش آنها را به گودال هایی تبدیل می کند.
برکوویچی توضیح داد: «پس کاری که باید انجام دهیم این است که از گرانش خلاص شویم.و این دقیقاً همان کاری است که او و فرومکین انجام دادند.فرومکین پس از مطالعه تخته سفید خود، ایده بسیار ساده ای را ارائه کرد، اما مشخص نیست که چرا هیچ کس قبلاً به آن فکر نکرده بود - اگر لنز در یک محفظه مایع قرار گیرد، اثر گرانش را می توان از بین برد.تنها کاری که باید انجام دهید این است که اطمینان حاصل کنید که مایع موجود در محفظه (به نام مایع شناور) دارای چگالی مشابه پلیمری است که عدسی از آن ساخته شده است و سپس پلیمر شناور می شود.
نکته مهم دیگر استفاده از دو مایع غیر قابل اختلاط است که به این معنی است که با یکدیگر مخلوط نمی شوند مانند روغن و آب.برکوویسی گفت: "بیشتر پلیمرها بیشتر شبیه روغن هستند، بنابراین مایع شناور منحصر به فرد ما آب است."
اما چون آب نسبت به پلیمرها چگالی کمتری دارد، باید چگالی آن را کمی افزایش داد تا پلیمر شناور شود.برای این منظور، محققان همچنین از مواد عجیب و غریب کمتری مانند نمک، شکر یا گلیسیرین استفاده کردند.برکوویچی گفت: جزء نهایی فرآیند یک قاب سفت و سخت است که پلیمر به داخل آن تزریق می شود تا بتوان فرم آن را کنترل کرد.
هنگامی که پلیمر به شکل نهایی خود می رسد، با استفاده از اشعه ماوراء بنفش پخته شده و به یک عدسی جامد تبدیل می شود.برای ساخت این قاب، محققان از یک لوله فاضلاب ساده که به صورت حلقه ای بریده شده بود یا یک ظرف پتری که از پایین بریده شده بود، استفاده کردند.برکوویچی گفت: "هر کودکی می تواند آنها را در خانه درست کند، و من و دخترانم برخی از آنها را در خانه درست کردیم."«در طول سال‌ها، ما کارهای زیادی را در آزمایشگاه انجام داده‌ایم که برخی از آنها بسیار پیچیده هستند، اما شکی نیست که این ساده‌ترین و آسان‌ترین کاری است که انجام داده‌ایم.شاید مهمترین.»
فرومکین اولین شات خود را در همان روزی که به راه حل فکر کرد ساخت.برکوویچ به یاد می آورد: «او برای من عکسی در واتس اپ فرستاد.در نگاهی به گذشته، این یک لنز بسیار کوچک و زشت بود، اما ما بسیار خوشحال بودیم.فرومکین به مطالعه این اختراع جدید ادامه داد.«معادله نشان می‌دهد که وقتی گرانش را حذف می‌کنید، فرقی نمی‌کند که فریم یک سانتی‌متر باشد یا یک کیلومتر.بسته به مقدار مواد، شما همیشه همان شکل را خواهید داشت.
این دو محقق به آزمایش نسل دوم ماده محرمانه، سطل پاک کن، ادامه دادند و از آن برای ایجاد عدسی با قطر 20 سانتی متر استفاده کردند که برای تلسکوپ ها مناسب است.هزینه لنز به صورت تصاعدی با قطر افزایش می یابد، اما با این روش جدید، صرف نظر از اندازه، تنها چیزی که نیاز دارید پلیمر ارزان قیمت، آب، نمک (یا گلیسیرین) و یک قالب حلقه است.
فهرست مواد تشکیل دهنده تغییر بزرگی را در روش های سنتی تولید لنز نشان می دهد که تقریباً برای 300 سال بدون تغییر باقی مانده است.در مرحله اولیه فرآیند سنتی، یک صفحه شیشه ای یا پلاستیکی به صورت مکانیکی آسیاب می شود.به عنوان مثال، هنگام ساخت عدسی های عینک، حدود 80 درصد از مواد هدر می رود.با استفاده از روش طراحی شده توسط برکوویسی و فرومکین، به جای آسیاب کردن مواد جامد، مایعی به قاب تزریق می‌شود تا لنز در فرآیندی کاملاً بدون ضایعات ساخته شود.این روش همچنین نیازی به پولیش ندارد، زیرا کشش سطحی سیال می تواند سطح فوق العاده صاف را تضمین کند.
هاآرتص از آزمایشگاه تکنیون بازدید کرد، جایی که دانشجوی دکترا مور الگاریسی این روند را به نمایش گذاشت.او پلیمر را به یک حلقه در یک محفظه مایع کوچک تزریق کرد، آن را با یک لامپ UV تابش کرد و دو دقیقه بعد یک جفت دستکش جراحی به من داد.با احتیاط دستم را در آب فرو کردم و لنز را بیرون آوردم.برکوویچ فریاد زد: "همین است، پردازش تمام شده است."
لنزها در لمس کاملا صاف هستند.این فقط یک احساس ذهنی نیست: برکوویچی می گوید که حتی بدون پرداخت، زبری سطح عدسی ساخته شده با روش پلیمری کمتر از یک نانومتر (یک میلیاردم متر) است.او گفت: «نیروهای طبیعت به تنهایی ویژگی‌های خارق‌العاده‌ای ایجاد می‌کنند و آزاد هستند.در مقابل، شیشه های نوری تا 100 نانومتر صیقل داده می شوند، در حالی که آینه های تلسکوپ فضایی جیمز وب پرچمدار ناسا تا 20 نانومتر صیقل داده شده اند.
اما همه باور ندارند که این روش زیبا، نجات دهنده میلیاردها نفر در سراسر جهان باشد.پروفسور آدی آری از دانشکده مهندسی برق دانشگاه تل آویو خاطرنشان کرد که روش برکوویسی و فرومکین به یک قالب دایره ای نیاز دارد که پلیمر مایع در آن تزریق می شود، خود پلیمر و یک لامپ فرابنفش.
او خاطرنشان کرد: «اینها در روستاهای هندی موجود نیست.موضوع دیگری که توسط بنیانگذار SPO Precision Optics و نایب رئیس R&D Niv Adut و دانشمند ارشد شرکت دکتر Doron Sturlesi (هر دو با کار برکوویچی آشنا هستند) مطرح شد این است که جایگزینی فرآیند آسیاب با ریخته‌گری‌های پلاستیکی، تطبیق لنز با لنز را دشوار می‌کند. نیاز دارد.مردم آن.
برکوویچ وحشت نکرد.او گفت: «انتقاد بخش اساسی علم است و پیشرفت سریع ما در سال گذشته عمدتاً به دلیل این است که کارشناسان ما را به گوشه ای سوق می دهند.وی در خصوص امکان سنجی ساخت در مناطق دورافتاده افزود: زیرساخت های مورد نیاز برای ساخت شیشه با روش های سنتی بسیار زیاد است.شما به کارخانه ها، ماشین آلات و تکنسین ها نیاز دارید و ما فقط به حداقل زیرساخت ها نیاز داریم.»
برکوویچی دو لامپ پرتو فرابنفش را در آزمایشگاه خود به ما نشان داد: «این یکی از آمازون است و قیمت آن 4 دلار است و دیگری از AliExpress و قیمت آن 1.70 دلار است.اگر آنها را ندارید، همیشه می توانید از Sunshine استفاده کنید.در مورد پلیمرها چطور؟یک بطری 250 میلی لیتری به قیمت 16 دلار در آمازون به فروش می رسد.یک لنز متوسط به 5 تا 10 میلی لیتر نیاز دارد، بنابراین هزینه پلیمر نیز یک عامل واقعی نیست.
او تاکید کرد که روش او همانطور که منتقدان ادعا می کنند نیازی به استفاده از قالب های منحصر به فرد برای هر شماره لنز ندارد.برای هر عدد عدسی یک قالب ساده مناسب است، وی تصریح کرد: تفاوت در مقدار پلیمر تزریقی است و برای ساخت استوانه ای برای لیوان کافی است قالب را کمی کشیده شود.
برکوویچی گفت: تنها بخش گران قیمت این فرآیند، اتوماسیون تزریق پلیمر است که باید دقیقاً با توجه به تعداد لنزهای مورد نیاز انجام شود.
برکوویچی گفت: «رویای ما این است که با کمترین منابع در کشور تأثیر بگذاریم.اگرچه می توان عینک های ارزان قیمت را به روستاهای فقیر آورد - اگرچه این کار کامل نشده است - نقشه او بسیار بزرگتر است."درست مثل آن ضرب المثل معروف، من نمی خواهم به آنها ماهی بدهم، می خواهم ماهیگیری را به آنها یاد بدهم.به این ترتیب مردم می‌توانند عینک خود را بسازند.»"آیا موفق خواهد شد؟فقط زمان جواب می دهد.»
برکوویسی و فرومکین این فرآیند را حدود شش ماه پیش در مقاله‌ای در اولین ویرایش Flow، مجله کاربردهای مکانیک سیالات منتشر شده توسط دانشگاه کمبریج، توضیح دادند.اما این تیم قصد ندارد روی لنزهای نوری ساده بماند.مقاله دیگری که چند هفته پیش در مجله Optica منتشر شد، روش جدیدی را برای ساخت قطعات نوری پیچیده در زمینه اپتیک آزاد توضیح داد.این اجزای نوری نه محدب هستند و نه مقعر، بلکه در یک سطح توپوگرافی قالب گیری می شوند و نور به سطح نواحی مختلف تابش می شود تا اثر مورد نظر حاصل شود.این اجزا را می توان در عینک های چند کانونی، کلاه خلبانی، سیستم های پروژکتور پیشرفته، سیستم های واقعیت مجازی و واقعیت افزوده و جاهای دیگر یافت.
ساخت قطعات آزاد با استفاده از روش های پایدار پیچیده و پرهزینه است زیرا آسیاب و صیقل دادن سطح آنها دشوار است.بنابراین، این قطعات در حال حاضر کاربرد محدودی دارند.برکوویسی توضیح داد: «مقالات آکادمیک در مورد کاربردهای احتمالی چنین سطوحی وجود داشته است، اما این هنوز در کاربردهای عملی منعکس نشده است.در این مقاله جدید، تیم آزمایشگاهی به رهبری الگاریسی نحوه کنترل فرم سطح ایجاد شده هنگام تزریق مایع پلیمری را با کنترل فرم قاب نشان دادند.این قاب را می توان با استفاده از چاپگر سه بعدی ایجاد کرد.برکوویچی گفت: "ما دیگر کارها را با سطل پاک کن انجام نمی دهیم، اما هنوز هم بسیار ساده است."
عمر لوریا، مهندس محقق در آزمایشگاه، خاطرنشان کرد که این فناوری جدید می تواند به سرعت لنزهای صافی با زمین منحصر به فرد تولید کند.او گفت: "ما امیدواریم که بتواند هزینه و زمان تولید قطعات پیچیده نوری را به میزان قابل توجهی کاهش دهد."
پروفسور آری یکی از ویراستاران اپتیکا است، اما در بررسی مقاله شرکت نکرد.علی درباره این تحقیق گفت: «این کار بسیار خوبی است.برای تولید سطوح نوری کروی، روش‌های فعلی از قالب‌ها یا پرینت سه بعدی استفاده می‌کنند، اما هر دو روش برای ایجاد سطوح به اندازه کافی صاف و بزرگ در یک بازه زمانی معقول دشوار است.آری معتقد است که روش جدید به ایجاد آزادی نمونه اولیه از اجزای رسمی کمک خواهد کرد.وی گفت: برای تولید صنعتی قطعات زیاد، بهتر است قالب تهیه شود، اما برای آزمایش سریع ایده های جدید، این روش جالب و شیک است.
SPO یکی از شرکت های پیشرو اسرائیل در زمینه سطوح آزاد است.به گفته Adut و Sturlesi، روش جدید مزایا و معایبی دارد.آنها می گویند که استفاده از پلاستیک امکانات را محدود می کند زیرا آنها در دماهای شدید دوام ندارند و توانایی آنها برای دستیابی به کیفیت کافی در کل طیف رنگ محدود است.در مورد مزایا، آنها اشاره کردند که این فناوری پتانسیل کاهش قابل توجه هزینه تولید لنزهای پلاستیکی پیچیده را دارد که در همه تلفن های همراه استفاده می شود.
Adut و Sturlesi افزودند که با روش‌های سنتی ساخت، قطر لنزهای پلاستیکی محدود می‌شود، زیرا هرچه بزرگتر باشند، دقت کمتری دارند.آنها گفتند که طبق روش برکوویسی، ساخت عدسی‌ها در مایع می‌تواند از اعوجاج جلوگیری کند که می‌تواند اجزای نوری بسیار قدرتمندی را ایجاد کند - چه در زمینه لنزهای کروی و چه در لنزهای آزاد.
غیرمنتظره ترین پروژه تیم Technion انتخاب تولید یک لنز بزرگ بود.اینجا همه چیز با یک مکالمه تصادفی و یک سوال ساده لوحانه شروع شد.برکوویچ گفت: «همه چیز مربوط به مردم است.وقتی از برکوویچ پرسید، داشت به دکتر ادوارد بارابان، دانشمند تحقیقاتی ناسا می‌گفت که پروژه‌اش را در دانشگاه استنفورد می‌دانست، و او را در دانشگاه استنفورد می‌شناخت: «شما فکر می‌کنید می‌توانید چنین عدسی را برای تلسکوپ فضایی بسازید. ؟"
برکوویچ به یاد می آورد: «این ایده دیوانه کننده ای به نظر می رسید، اما عمیقاً در ذهن من نقش بسته بود.»پس از انجام موفقیت آمیز آزمایش آزمایشگاهی، محققان اسرائیلی دریافتند که این روش می تواند در فضا نیز به همین شکل عمل کند.به هر حال، شما می توانید در آنجا بدون نیاز به مایعات شناور به شرایط ریزگرانشی دست پیدا کنید."من به ادوارد زنگ زدم و به او گفتم کار می کند!"
تلسکوپ های فضایی مزایای زیادی نسبت به تلسکوپ های زمینی دارند زیرا تحت تأثیر آلودگی جوی یا نوری قرار نمی گیرند.بزرگترین مشکل توسعه تلسکوپ های فضایی این است که اندازه آنها به اندازه پرتابگر محدود شده است.در زمین، تلسکوپ ها در حال حاضر تا 40 متر قطر دارند.تلسکوپ فضایی هابل دارای آینه ای به قطر 2.4 متر است، در حالی که تلسکوپ جیمز وب دارای آینه ای به قطر 6.5 متر است - دانشمندان 25 سال طول کشید تا به این دستاورد دست یابند، هزینه ای بالغ بر 9 میلیارد دلار آمریکا، تا حدی به این دلیل که یک سیستم باید ساخته شود. توسعه یافته است که می تواند تلسکوپ را در حالت تا شده پرتاب کند و سپس به طور خودکار آن را در فضا باز کند.
از سوی دیگر، مایع در حال حاضر در حالت "تاخورده" است.به عنوان مثال، می توانید فرستنده را با فلز مایع پر کنید، مکانیزم تزریق و حلقه انبساط را اضافه کنید و سپس یک آینه در فضا بسازید.برکوویچ اعتراف کرد: «این یک توهم است.مادرم از من پرسید، چه زمانی آماده خواهی شد؟به او گفتم، شاید حدود 20 سال دیگر.او گفت که وقت صبر کردن ندارد.»
اگر این رویا محقق شود، ممکن است آینده تحقیقات فضایی را تغییر دهد.امروز، برکوویچ اشاره کرد که انسان‌ها توانایی رصد مستقیم سیارات فراخورشیدی خارج از منظومه شمسی را ندارند، زیرا برای انجام این کار نیاز به تلسکوپ زمینی 10 برابر بزرگتر از تلسکوپ‌های موجود است - که با فناوری موجود کاملاً غیرممکن است.
از سوی دیگر، برکوویچی اضافه کرد که فالکون هوی که در حال حاضر بزرگترین پرتابگر فضایی اسپیس ایکس است، می تواند 20 متر مکعب مایع را حمل کند.او توضیح داد که در تئوری، فالکون هوی می تواند برای پرتاب مایع به نقطه مداری استفاده شود، جایی که مایع می تواند برای ساختن آینه ای به قطر 75 متر استفاده شود - مساحت سطح و نور جمع آوری شده 100 برابر بزرگتر از دومی است. .تلسکوپ جیمز وب
این یک رویا است و تحقق آن زمان زیادی طول خواهد کشید.اما ناسا آن را جدی می گیرد.به همراه تیمی از مهندسان و دانشمندان مرکز تحقیقات ایمز ناسا به رهبری بالابان، این فناوری برای اولین بار آزمایش می شود.
در اواخر دسامبر، سیستمی که توسط تیم آزمایشگاهی برکوویسی توسعه یافته بود، به ایستگاه فضایی بین‌المللی فرستاده می‌شود، جایی که مجموعه‌ای از آزمایش‌ها برای توانمندسازی فضانوردان برای ساخت و درمان عدسی‌ها در فضا انجام می‌شود.قبل از آن، آزمایش‌هایی در فلوریدا انجام می‌شود تا امکان‌سنجی تولید لنزهای باکیفیت تحت ریزگرانش بدون نیاز به مایع شناور را آزمایش کند.
آزمایش تلسکوپ سیالات (FLUTE) بر روی یک هواپیمای گرانشی کاهش یافته انجام شد - تمام صندلی های این هواپیما برای آموزش فضانوردان و تصویربرداری صحنه های گرانش صفر در فیلم ها حذف شدند.با مانور دادن به شکل یک ضدپارابولا صعودی و سپس سقوط آزاد، شرایط ریزگرانش برای مدت کوتاهی در هواپیما ایجاد می شود.برکوویچ با لبخند گفت: "به دلیل خوبی به آن "دنباله دار استفراغ" می گویند.سقوط آزاد حدود 20 ثانیه طول می کشد که در آن گرانش هواپیما نزدیک به صفر است.در این مدت، محققان سعی خواهند کرد یک عدسی مایع بسازند و اندازه گیری هایی را انجام دهند تا ثابت کنند که کیفیت لنز به اندازه کافی خوب است، سپس هواپیما صاف می شود، گرانش به طور کامل بازیابی می شود و عدسی به یک گودال تبدیل می شود.
این آزمایش برای دو پرواز در روزهای پنجشنبه و جمعه برنامه ریزی شده است که هر کدام 30 سهمی دارند.برکوویسی و اکثر اعضای تیم آزمایشگاهی از جمله الگاریسی و لوریا و فرومکین از موسسه فناوری ماساچوست حضور خواهند داشت.
در بازدید من از آزمایشگاه تکنیون، هیجان بسیار زیاد بود.60 جعبه مقوایی روی زمین وجود دارد که حاوی 60 کیت کوچک خود ساخته برای آزمایش است.لوریا آخرین و آخرین لحظات را در سیستم آزمایشی کامپیوتری که برای اندازه‌گیری عملکرد لنز توسعه داده است، بهبود می‌دهد.
در عین حال، تیم در حال انجام تمرینات زمان بندی قبل از لحظات حساس است.یک تیم با یک کرونومتر در آنجا ایستاده بود و بقیه 20 ثانیه فرصت داشتند تا شلیک کنند.در خود هواپیما، شرایط حتی بدتر خواهد بود، به خصوص پس از چندین سقوط آزاد و بالابر رو به بالا تحت افزایش جاذبه.
این فقط تیم Technion نیست که هیجان زده است.بارابان، محقق اصلی آزمایش فلوت ناسا، به هاآرتص گفت: «روش شکل دهی سیال ممکن است به تلسکوپ های فضایی قدرتمند با دهانه های ده ها یا حتی صدها متر منجر شود.به عنوان مثال، چنین تلسکوپ هایی می توانند مستقیماً اطراف ستارگان دیگر را رصد کنند.سیاره، تجزیه و تحلیل با وضوح بالا اتمسفر خود را تسهیل می کند و حتی ممکن است ویژگی های سطح در مقیاس بزرگ را شناسایی کند.این روش همچنین ممکن است منجر به کاربردهای فضایی دیگری مانند اجزای نوری با کیفیت بالا برای برداشت و انتقال انرژی، ابزارهای علمی و تجهیزات پزشکی در ساخت فضا شود، بنابراین نقش مهمی در اقتصاد فضایی در حال ظهور ایفا می‌کند.
برکوویچ مدتی قبل از سوار شدن به هواپیما و شروع ماجراجویی زندگی خود، با تعجب لحظه ای مکث کرد.او گفت: «من مدام از خودم می‌پرسم که چرا هیچ‌کس قبلاً به این موضوع فکر نکرده بود.هر بار که به یک کنفرانس می روم، می ترسم که کسی بلند شود و بگوید که برخی از محققان روسی 60 سال پیش این کار را انجام داده اند.به هر حال، این یک روش بسیار ساده است.»
زمان ارسال: دسامبر-21-2021