Il Prof. Moran Bercovici e il Dr. Valeri Frumkin hanno sviluppato una tecnologia economica per la produzione di lenti ottiche ed è possibile produrre occhiali per molti paesi in via di sviluppo dove gli occhiali non sono disponibili.Ora, la NASA afferma che può essere utilizzato per realizzare telescopi spaziali
La scienza di solito avanza a piccoli passi.Una piccola informazione viene aggiunta a ogni nuovo esperimento.È raro che una semplice idea che appare nel cervello di uno scienziato porti a una svolta importante senza utilizzare alcuna tecnologia.Ma questo è ciò che è successo a due ingegneri israeliani che hanno sviluppato un nuovo metodo di produzione di lenti ottiche.
Il sistema è semplice, economico e preciso e potrebbe avere un enorme impatto su fino a un terzo della popolazione mondiale.Potrebbe anche cambiare il volto della ricerca spaziale.Per progettarlo, i ricercatori hanno bisogno solo di una lavagna bianca, un pennarello, una gomma e un po' di fortuna.
Il professor Moran Bercovici e il dottor Valeri Frumkin del dipartimento di ingegneria meccanica del Technion-Israel Institute of Technology di Haifa sono specializzati in meccanica dei fluidi, non in ottica.Ma un anno e mezzo fa, al World Laureate Forum di Shanghai, Berkovic sedeva con David Ziberman, un economista israeliano.
Zilberman è un vincitore del Premio Wolf e ora all'Università della California, a Berkeley, ha parlato della sua ricerca nei paesi in via di sviluppo.Bercovici ha descritto il suo esperimento sui fluidi.Quindi Ziberman ha posto una semplice domanda: "Puoi usarlo per fare gli occhiali?"
"Quando pensi ai paesi in via di sviluppo, di solito pensi alla malaria, alla guerra, alla fame", ha detto Berkovic.“Ma Ziberman ha detto qualcosa che non so affatto: 2,5 miliardi di persone nel mondo hanno bisogno di occhiali ma non possono averli.Questo è un numero incredibile".
Bercovici è tornato a casa e ha scoperto che un rapporto del World Economic Forum ha confermato questo numero.Sebbene la produzione di un semplice paio di occhiali costi solo pochi dollari, gli occhiali economici non vengono né prodotti né venduti nella maggior parte del mondo.
L'impatto è enorme, dai bambini che non riescono a vedere la lavagna a scuola agli adulti la cui vista si deteriora così tanto da perdere il lavoro.Oltre a danneggiare la qualità della vita delle persone, si stima che il costo dell'economia globale raggiunga i 3 trilioni di dollari USA all'anno.
Dopo la conversazione, Berkovic non riusciva a dormire la notte.Quando è arrivato al Technion, ha discusso di questo problema con Frumkin, che all'epoca era un ricercatore post-dottorato nel suo laboratorio.
"Abbiamo disegnato un colpo sulla lavagna e l'abbiamo guardato", ha ricordato."Sappiamo istintivamente che non possiamo creare questa forma con la nostra tecnologia di controllo dei fluidi e vogliamo scoprire perché".
La forma sferica è la base dell'ottica perché la lente ne è fatta.In teoria, Bercovici e Frumkin sapevano che avrebbero potuto realizzare una cupola rotonda da un polimero (un liquido che si era solidificato) per fare una lente.Ma i liquidi possono rimanere sferici solo in piccoli volumi.Quando saranno più grandi, la gravità li ridurrà in pozzanghere.
"Quindi quello che dobbiamo fare è sbarazzarci della gravità", ha spiegato Bercovici.Ed è esattamente quello che hanno fatto lui e Frumkin.Dopo aver studiato la loro lavagna, Frumkin ha avuto un'idea molto semplice, ma non è chiaro perché nessuno ci avesse pensato prima: se l'obiettivo è posto in una camera liquida, l'effetto della gravità può essere eliminato.Tutto quello che devi fare è assicurarti che il liquido nella camera (chiamato liquido galleggiante) abbia la stessa densità del polimero da cui è composta la lente, e quindi il polimero galleggerà.
Un'altra cosa importante è usare due fluidi immiscibili, il che significa che non si mescoleranno tra loro, come olio e acqua."La maggior parte dei polimeri sono più simili agli oli, quindi il nostro liquido galleggiante 'singolare' è l'acqua", ha detto Bercovici.
Ma poiché l'acqua ha una densità inferiore rispetto ai polimeri, la sua densità deve essere leggermente aumentata in modo che il polimero galleggi.A tal fine, i ricercatori hanno utilizzato anche materiali meno esotici: sale, zucchero o glicerina.Bercovici ha affermato che il componente finale del processo è un telaio rigido in cui viene iniettato il polimero in modo che la sua forma possa essere controllata.
Quando il polimero raggiunge la sua forma finale, viene polimerizzato utilizzando la radiazione ultravioletta e diventa una lente solida.Per realizzare il telaio, i ricercatori hanno utilizzato un semplice tubo di scarico, tagliato ad anello, o una capsula di Petri tagliata dal fondo."Qualsiasi bambino può farli a casa, e io e le mie figlie ne abbiamo fatti alcuni a casa", ha detto Bercovici.“Negli anni abbiamo fatto molte cose in laboratorio, alcune delle quali molto complicate, ma non c'è dubbio che questa sia la cosa più semplice e facile che abbiamo fatto.Forse il più importante".
Frumkin ha creato il suo primo scatto lo stesso giorno in cui ha pensato alla soluzione."Mi ha inviato una foto su WhatsApp", ha ricordato Berkovic."In retrospettiva, questo era un obiettivo molto piccolo e brutto, ma eravamo molto felici".Frumkin ha continuato a studiare questa nuova invenzione.“L'equazione mostra che una volta rimossa la gravità, non importa se il telaio è di un centimetro o di un chilometro;a seconda della quantità di materiale, otterrai sempre la stessa forma.
I due ricercatori hanno continuato a sperimentare con l'ingrediente segreto di seconda generazione, il secchio per mocio, e lo hanno utilizzato per creare una lente con un diametro di 20 cm adatta ai telescopi.Il costo della lente aumenta esponenzialmente con il diametro, ma con questo nuovo metodo, indipendentemente dalle dimensioni, tutto ciò che serve è polimero economico, acqua, sale (o glicerina) e uno stampo ad anello.
L'elenco degli ingredienti segna un enorme cambiamento nei metodi tradizionali di produzione delle lenti che sono rimasti quasi invariati per 300 anni.Nella fase iniziale del processo tradizionale, una lastra di vetro o plastica viene rettificata meccanicamente.Ad esempio, quando si producono lenti per occhiali, si spreca circa l'80% del materiale.Utilizzando il metodo ideato da Bercovici e Frumkin, invece di macinare materiali solidi, viene iniettato del liquido nella montatura, in modo che l'obiettivo possa essere prodotto in un processo completamente privo di sprechi.Anche questo metodo non richiede lucidatura, perché la tensione superficiale del fluido può garantire una superficie estremamente liscia.
Haaretz ha visitato il laboratorio di Technion, dove lo studente di dottorato Mor Elgarisi ha dimostrato il processo.Ha iniettato del polimero in un anello in una piccola camera liquida, l'ha irradiato con una lampada UV e due minuti dopo mi ha consegnato un paio di guanti chirurgici.Ho immerso con molta attenzione la mia mano nell'acqua e ho tirato fuori l'obiettivo."Ecco fatto, l'elaborazione è finita", gridò Berkovic.
Le lenti sono assolutamente lisce al tatto.Questa non è solo una sensazione soggettiva: Bercovici afferma che anche senza lucidatura, la rugosità superficiale di una lente realizzata con un metodo polimerico è inferiore al nanometro (un miliardesimo di metro)."Le forze della natura creano da sole qualità straordinarie e sono libere", ha affermato.Al contrario, il vetro ottico è lucidato a 100 nanometri, mentre gli specchi dell'ammiraglia del telescopio spaziale James Webb della NASA sono lucidati a 20 nanometri.
Ma non tutti credono che questo metodo elegante sarà il salvatore di miliardi di persone in tutto il mondo.Il professor Ady Arie della Scuola di ingegneria elettrica dell'Università di Tel Aviv ha sottolineato che il metodo di Bercovici e Frumkin richiede uno stampo circolare in cui viene iniettato polimero liquido, il polimero stesso e una lampada a raggi ultravioletti.
"Questi non sono disponibili nei villaggi indiani", ha sottolineato.Un'altra questione sollevata dal fondatore di SPO Precision Optics e vicepresidente della ricerca e sviluppo Niv Adut e dal capo scienziato dell'azienda, il dott. Doron Sturlesi (entrambi familiari con il lavoro di Bercovici) è che la sostituzione del processo di rettifica con getti di plastica renderà difficile adattare l'obiettivo al necessità.La sua gente.
Berkovic non si è fatto prendere dal panico."La critica è una parte fondamentale della scienza e il nostro rapido sviluppo nell'ultimo anno è in gran parte dovuto agli esperti che ci spingono all'angolo", ha affermato.Per quanto riguarda la fattibilità della produzione in aree remote, ha aggiunto: “L'infrastruttura necessaria per produrre occhiali con metodi tradizionali è enorme;hai bisogno di fabbriche, macchine e tecnici e abbiamo solo bisogno di un'infrastruttura minima".
Bercovici ci ha mostrato due lampade a raggi ultravioletti nel suo laboratorio: “Questa è di Amazon e costa $ 4, e l'altra è di AliExpress e costa $ 1,70.Se non li hai, puoi sempre usare Sunshine”, ha spiegato.E i polimeri?“Una bottiglia da 250 ml viene venduta a $ 16 su Amazon.L'obiettivo medio richiede da 5 a 10 ml, quindi anche il costo del polimero non è un fattore reale".
Ha sottolineato che il suo metodo non richiede l'uso di stampi unici per ogni numero di lente, come affermano i critici.Un semplice stampo è adatto per ogni numero di lente, ha spiegato: "La differenza è la quantità di polimero iniettato e per fare un cilindro per gli occhiali, tutto ciò che serve è allungare un po' lo stampo".
Bercovici ha affermato che l'unica parte costosa del processo è l'automazione dell'iniezione del polimero, che deve essere eseguita esattamente in base al numero di lenti richieste.
"Il nostro sogno è avere un impatto nel Paese con il minor numero di risorse", ha affermato Bercovici.Sebbene gli occhiali economici possano essere portati nei villaggi poveri, anche se questo non è stato completato, il suo piano è molto più grande.“Proprio come quel famoso proverbio, non voglio dare loro il pesce, voglio insegnargli a pescare.In questo modo, le persone saranno in grado di creare i propri occhiali", ha affermato.“Riuscirà?Solo il tempo darà la risposta”.
Bercovici e Frumkin hanno descritto questo processo in un articolo circa sei mesi fa nella prima edizione di Flow, una rivista di applicazioni di meccanica dei fluidi pubblicata dall'Università di Cambridge.Ma il team non intende rimanere su semplici lenti ottiche.Un altro articolo pubblicato sulla rivista Optica qualche settimana fa descriveva un nuovo metodo per la produzione di componenti ottici complessi nel campo dell'ottica a forma libera.Questi componenti ottici non sono né convessi né concavi, ma sono modellati in una superficie topografica e la luce viene irradiata sulla superficie di diverse aree per ottenere l'effetto desiderato.Questi componenti possono essere trovati in occhiali multifocali, caschi da pilota, sistemi di proiettori avanzati, sistemi di realtà virtuale e aumentata e altri luoghi.
La produzione di componenti a forma libera utilizzando metodi sostenibili è complicata e costosa perché è difficile rettificare e lucidare la loro superficie.Pertanto, questi componenti attualmente hanno usi limitati."Ci sono state pubblicazioni accademiche sui possibili usi di tali superfici, ma questo non si è ancora riflesso nelle applicazioni pratiche", ha spiegato Bercovici.In questo nuovo articolo, il team di laboratorio guidato da Elgarisi ha mostrato come controllare la forma della superficie creata quando il liquido polimerico viene iniettato controllando la forma del telaio.La cornice può essere creata utilizzando una stampante 3D."Non facciamo più cose con un secchio per mocio, ma è ancora molto semplice", ha detto Bercovici.
Omer Luria, un ingegnere ricercatore del laboratorio, ha sottolineato che questa nuova tecnologia può produrre rapidamente lenti particolarmente lisce con un terreno unico."Ci auguriamo che possa ridurre significativamente i costi e i tempi di produzione di componenti ottici complessi", ha affermato.
Il professor Arie è uno dei redattori di Optica, ma non ha partecipato alla revisione dell'articolo."Questo è un ottimo lavoro", ha detto Ali della ricerca."Per produrre superfici ottiche asferiche, i metodi attuali utilizzano stampi o stampa 3D, ma entrambi i metodi sono difficili da creare superfici sufficientemente lisce e grandi in un lasso di tempo ragionevole".Arie crede che il nuovo metodo contribuirà a creare libertà Prototipo di componenti formali."Per la produzione industriale di un gran numero di parti, è meglio preparare gli stampi, ma per testare rapidamente nuove idee, questo è un metodo interessante ed elegante", ha affermato.
SPO è una delle aziende leader in Israele nel campo delle superfici a forma libera.Secondo Adut e Sturlesi, il nuovo metodo presenta vantaggi e svantaggi.Dicono che l'uso della plastica limita le possibilità perché non sono durevoli a temperature estreme e la loro capacità di ottenere una qualità sufficiente sull'intera gamma di colori è limitata.Per quanto riguarda i vantaggi, hanno sottolineato che la tecnologia ha il potenziale per ridurre significativamente i costi di produzione di lenti in plastica complesse, che sono utilizzate in tutti i telefoni cellulari.
Adut e Sturlesi hanno aggiunto che con i metodi di produzione tradizionali, il diametro delle lenti in plastica è limitato perché più grandi sono, meno precise diventano.Hanno affermato che, secondo il metodo di Bercovici, la produzione di lenti in liquido può prevenire la distorsione, che può creare componenti ottici molto potenti, sia nel campo delle lenti sferiche che delle lenti a forma libera.
Il progetto più inaspettato del team Technion è stato la scelta di produrre un obiettivo di grandi dimensioni.Qui, tutto è iniziato con una conversazione accidentale e una domanda ingenua."Si tratta di persone", ha detto Berkovic.Quando ha chiesto a Berkovic, stava dicendo al dottor Edward Baraban, uno scienziato ricercatore della NASA, che conosceva il suo progetto alla Stanford University e lo conosceva alla Stanford University: "Pensi di poterlo fare, fai una lente del genere per un telescopio spaziale ?"
"Sembrava un'idea pazza", ha ricordato Berkovic, "ma era profondamente impressa nella mia mente".Dopo che il test di laboratorio è stato completato con successo, i ricercatori israeliani si sono resi conto che il metodo poteva essere utilizzato in Funziona allo stesso modo nello spazio.Dopotutto, puoi raggiungere condizioni di microgravità lì senza la necessità di liquidi galleggianti."Ho chiamato Edward e gli ho detto che funziona!"
I telescopi spaziali hanno grandi vantaggi rispetto ai telescopi terrestri perché non sono influenzati dall'inquinamento atmosferico o luminoso.Il problema più grande con lo sviluppo dei telescopi spaziali è che le loro dimensioni sono limitate dalle dimensioni del lanciatore.Sulla Terra, i telescopi hanno attualmente un diametro fino a 40 metri.Il telescopio spaziale Hubble ha uno specchio di 2,4 metri di diametro, mentre il telescopio James Webb ha uno specchio di 6,5 metri di diametro: gli scienziati hanno impiegato 25 anni per raggiungere questo risultato, costando 9 miliardi di dollari USA, in parte perché un sistema deve essere sviluppato in grado di lanciare il telescopio in posizione ripiegata e quindi aprirlo automaticamente nello spazio.
D'altra parte, Liquid è già in uno stato "piegato".Ad esempio, puoi riempire il trasmettitore con metallo liquido, aggiungere un meccanismo di iniezione e un anello di espansione, quindi creare uno specchio nello spazio."Questa è un'illusione", ha ammesso Berkovic.“Mia madre mi ha chiesto: 'Quando sarai pronto?Le ho detto: 'Forse tra circa 20 anni.Ha detto che non aveva tempo per aspettare".
Se questo sogno si avvererà, potrebbe cambiare il futuro della ricerca spaziale.Oggi, Berkovic ha sottolineato che gli esseri umani non hanno la capacità di osservare direttamente gli esopianeti - pianeti al di fuori del sistema solare, perché per farlo richiede un telescopio terrestre 10 volte più grande dei telescopi esistenti - il che è completamente impossibile con la tecnologia esistente.
Bercovici ha invece aggiunto che il Falcon Heavy, attualmente il più grande lanciatore spaziale SpaceX, può trasportare 20 metri cubi di liquido.Ha spiegato che in teoria, Falcon Heavy potrebbe essere utilizzato per lanciare un liquido in un punto orbitale, dove il liquido potrebbe essere utilizzato per creare uno specchio di 75 metri di diametro: la superficie e la luce raccolta sarebbero 100 volte più grandi di quest'ultimo .Telescopio James Webb.
Questo è un sogno e ci vorrà molto tempo per realizzarlo.Ma la NASA lo sta prendendo sul serio.Insieme a un team di ingegneri e scienziati dell'Ames Research Center della NASA, guidato da Balaban, la tecnologia viene provata per la prima volta.
A fine dicembre, un sistema sviluppato dal team del laboratorio Bercovici sarà inviato alla Stazione Spaziale Internazionale, dove sarà condotta una serie di esperimenti per consentire agli astronauti di produrre e curare lenti nello spazio.Prima di ciò, questo fine settimana saranno condotti esperimenti in Florida per testare la fattibilità della produzione di lenti di alta qualità in condizioni di microgravità senza la necessità di liquidi galleggianti.
Il Fluid Telescope Experiment (FLUTE) è stato condotto su un velivolo a gravità ridotta: tutti i sedili di questo velivolo sono stati rimossi per addestrare gli astronauti e girare scene a gravità zero nei film.Manovrando sotto forma di un'antiparabola, in salita e poi in discesa libera, si creano condizioni di microgravità nell'aeromobile per un breve periodo di tempo."Si chiama 'cometa del vomito' per una buona ragione", ha detto Berkovic con un sorriso.La caduta libera dura circa 20 secondi, in cui la gravità del velivolo è prossima allo zero.Durante questo periodo, i ricercatori cercheranno di realizzare una lente liquida ed effettuare misurazioni per dimostrare che la qualità della lente è abbastanza buona, quindi l'aereo diventa dritto, la gravità viene completamente ripristinata e la lente diventa una pozzanghera.
L'esperimento è previsto per due voli giovedì e venerdì, ciascuno con 30 parabole.Saranno presenti Bercovici e la maggior parte dei membri del team di laboratorio, tra cui Elgarisi e Luria, e Frumkin del Massachusetts Institute of Technology.
Durante la mia visita al laboratorio Technion, l'eccitazione è stata travolgente.Ci sono 60 scatole di cartone sul pavimento, che contengono 60 piccoli kit per esperimenti fatti da sé.Luria sta apportando miglioramenti finali e dell'ultimo minuto al sistema sperimentale computerizzato che ha sviluppato per misurare le prestazioni delle lenti.
Allo stesso tempo, il team sta conducendo esercizi di cronometraggio prima dei momenti critici.Una squadra era lì con un cronometro e le altre avevano 20 secondi per tirare.Sul velivolo stesso, le condizioni saranno ancora peggiori, soprattutto dopo diverse cadute libere e sollevamenti verso l'alto sotto maggiore gravità.
Non è solo il team Technion ad essere entusiasta.Baraban, il ricercatore capo del Flute Experiment della NASA, ha detto ad Haaretz: “Il metodo di modellatura del fluido può portare a potenti telescopi spaziali con aperture di decine o addirittura centinaia di metri.Ad esempio, tali telescopi possono osservare direttamente i dintorni di altre stelle.Planet, facilita l'analisi ad alta risoluzione della sua atmosfera e può persino identificare caratteristiche di superficie su larga scala.Questo metodo può anche portare ad altre applicazioni spaziali, come componenti ottici di alta qualità per la raccolta e la trasmissione di energia, strumenti scientifici e apparecchiature mediche Produzione spaziale, svolgendo così un ruolo importante nell'economia spaziale emergente".
Poco prima di salire sull'aereo e intraprendere l'avventura della sua vita, Berkovic si fermò per un momento sorpreso."Continuo a chiedermi perché nessuno ci ha pensato prima", ha detto.“Ogni volta che vado a una conferenza, temo che qualcuno si alzerà e dirà che alcuni ricercatori russi lo hanno fatto 60 anni fa.Dopotutto, è un metodo così semplice”.
Tempo di pubblicazione: 21-dic-2021