Prof. Moran Bercovici und Dr. Valeri Frumkin haben eine kostengünstige Technologie zur Herstellung optischer Linsen entwickelt, und es ist möglich, Brillen für viele Entwicklungsländer herzustellen, in denen Brillen nicht erhältlich sind.Jetzt sagt die NASA, dass es zur Herstellung von Weltraumteleskopen verwendet werden kann
Die Wissenschaft schreitet normalerweise in kleinen Schritten voran.Jedem neuen Experiment wird eine kleine Information hinzugefügt.Es ist selten, dass eine einfache Idee, die im Gehirn eines Wissenschaftlers auftaucht, ohne den Einsatz von Technologie zu einem großen Durchbruch führt.Aber genau das passierte zwei israelischen Ingenieuren, die eine neue Methode zur Herstellung optischer Linsen entwickelten.
Das System ist einfach, billig und genau und könnte einen enormen Einfluss auf bis zu einem Drittel der Weltbevölkerung haben.Es kann auch das Gesicht der Weltraumforschung verändern.Um es zu gestalten, brauchen die Forscher nur eine weiße Tafel, einen Marker, einen Radiergummi und etwas Glück.
Professor Moran Bercovici und Dr. Valeri Frumkin von der Fakultät für Maschinenbau des Technion-Israel Institute of Technology in Haifa sind auf Strömungsmechanik und nicht auf Optik spezialisiert.Aber vor anderthalb Jahren saß Berkovic beim World Laureate Forum in Shanghai zufällig mit David Ziberman zusammen, einem israelischen Ökonomen.
Zilberman ist Gewinner des Wolf-Preises und sprach jetzt an der University of California, Berkeley, über seine Forschung in Entwicklungsländern.Bercovici beschrieb sein Flüssigkeitsexperiment.Dann stellte Ziberman eine einfache Frage: „Können Sie damit eine Brille herstellen?“
„Wenn Sie an Entwicklungsländer denken, denken Sie normalerweise an Malaria, Krieg, Hunger“, sagte Berkovic.„Aber Ziberman sagte etwas, was ich überhaupt nicht weiß – 2,5 Milliarden Menschen auf der Welt brauchen eine Brille, können sie aber nicht bekommen.Das ist eine erstaunliche Zahl.“
Bercovici kehrte nach Hause zurück und stellte fest, dass ein Bericht des Weltwirtschaftsforums diese Zahl bestätigte.Obwohl die Herstellung einer einfachen Brille nur ein paar Dollar kostet, werden billige Brillen in den meisten Teilen der Welt weder hergestellt noch verkauft.
Die Auswirkungen sind enorm und reichen von Kindern, die die Tafel in der Schule nicht sehen können, bis hin zu Erwachsenen, deren Sehvermögen so stark nachlässt, dass sie ihre Arbeit verlieren.Neben der Beeinträchtigung der Lebensqualität der Menschen werden die Kosten für die Weltwirtschaft auf bis zu 3 Billionen US-Dollar pro Jahr geschätzt.
Nach dem Gespräch konnte Berkovic nachts nicht schlafen.Als er am Technion ankam, diskutierte er dieses Thema mit Frumkin, der zu dieser Zeit Postdoktorand in seinem Labor war.
„Wir haben eine Aufnahme auf das Whiteboard gemalt und sie uns angesehen“, erinnert er sich.„Wir wissen instinktiv, dass wir diese Form mit unserer Fluid-Control-Technologie nicht erzeugen können, und wir wollen herausfinden, warum.“
Die Kugelform ist die Grundlage der Optik, weil die Linse daraus besteht.Theoretisch wussten Bercovici und Frumkin, dass sie aus einem Polymer (einer erstarrten Flüssigkeit) eine runde Kuppel herstellen konnten, um eine Linse herzustellen.Aber Flüssigkeiten können nur in kleinen Volumina kugelförmig bleiben.Wenn sie größer sind, zerquetscht die Schwerkraft sie zu Pfützen.
„Was wir also tun müssen, ist die Schwerkraft loszuwerden“, erklärte Bercovici.Und genau das taten er und Frumkin.Nach dem Studium ihres Whiteboards kam Frumkin auf eine sehr einfache Idee, aber es ist nicht klar, warum vorher niemand darauf gekommen war – wenn die Linse in eine Flüssigkeitskammer gestellt wird, kann die Wirkung der Schwerkraft eliminiert werden.Alles, was Sie tun müssen, ist sicherzustellen, dass die Flüssigkeit in der Kammer (Schwimmflüssigkeit genannt) die gleiche Dichte wie das Polymer hat, aus dem die Linse besteht, und dann schwimmt das Polymer.
Eine weitere wichtige Sache ist, zwei nicht mischbare Flüssigkeiten zu verwenden, was bedeutet, dass sie sich nicht miteinander vermischen, wie z. B. Öl und Wasser.„Die meisten Polymere ähneln eher Ölen, also ist unsere ‚einzigartige‘ schwimmende Flüssigkeit Wasser“, sagte Bercovici.
Da Wasser aber eine geringere Dichte als Polymere hat, muss seine Dichte etwas erhöht werden, damit das Polymer schwimmt.Dazu verwendeten die Forscher auch weniger exotische Materialien – Salz, Zucker oder Glycerin.Bercovici sagte, dass die letzte Komponente des Prozesses ein starrer Rahmen ist, in den Polymer eingespritzt wird, damit seine Form kontrolliert werden kann.
Wenn das Polymer seine endgültige Form erreicht, wird es mit ultravioletter Strahlung ausgehärtet und wird zu einer festen Linse.Um den Rahmen herzustellen, verwendeten die Forscher ein einfaches, in einen Ring geschnittenes Abwasserrohr oder eine Petrischale, die von unten geschnitten wurde.„Jedes Kind kann sie zu Hause machen, und meine Töchter und ich haben einige zu Hause gemacht“, sagte Bercovici.„Im Laufe der Jahre haben wir viele Dinge im Labor gemacht, von denen einige sehr kompliziert waren, aber es besteht kein Zweifel, dass dies das Einfachste und Leichteste ist, was wir getan haben.Vielleicht das Wichtigste.“
Frumkin erstellte seine erste Aufnahme am selben Tag, an dem er an die Lösung dachte.„Er hat mir ein Foto auf WhatsApp geschickt“, erinnerte sich Berkovic.„Im Nachhinein war das ein sehr kleines und hässliches Objektiv, aber wir waren sehr zufrieden.“Frumkin studierte diese neue Erfindung weiter.„Die Gleichung zeigt, dass es nach dem Entfernen der Schwerkraft keine Rolle spielt, ob der Rahmen einen Zentimeter oder einen Kilometer misst;Je nach Materialmenge erhält man immer die gleiche Form.“
Mit der Geheimzutat der zweiten Generation, dem Wischeimer, experimentierten die beiden Forscher weiter und schufen daraus eine Linse mit 20 cm Durchmesser, die für Teleskope geeignet ist.Die Kosten der Linse steigen exponentiell mit dem Durchmesser, aber mit dieser neuen Methode brauchen Sie unabhängig von der Größe nur billiges Polymer, Wasser, Salz (oder Glycerin) und eine Ringform.
Die Zutatenliste markiert eine enorme Veränderung in den traditionellen Herstellungsmethoden von Linsen, die seit 300 Jahren nahezu unverändert geblieben sind.In der Anfangsphase des traditionellen Verfahrens wird eine Glas- oder Kunststoffplatte mechanisch geschliffen.Beispielsweise werden bei der Herstellung von Brillengläsern etwa 80 % des Materials verschwendet.Bei dem von Bercovici und Frumkin entwickelten Verfahren wird anstelle des Schleifens fester Materialien Flüssigkeit in die Fassung gespritzt, sodass die Linse in einem völlig abfallfreien Prozess hergestellt werden kann.Auch dieses Verfahren erfordert kein Polieren, da die Oberflächenspannung der Flüssigkeit für eine extrem glatte Oberfläche sorgen kann.
Haaretz besuchte das Labor des Technion, wo der Doktorand Mor Elgarisi den Prozess demonstrierte.Er injizierte Polymer in einen Ring in einer kleinen Flüssigkeitskammer, bestrahlte ihn mit einer UV-Lampe und überreichte mir zwei Minuten später ein Paar OP-Handschuhe.Ich tauchte meine Hand sehr vorsichtig in das Wasser und zog die Linse heraus.„Das ist es, die Bearbeitung ist beendet“, rief Berkovic.
Die Linsen fühlen sich absolut glatt an.Das ist nicht nur ein subjektives Empfinden: Bercovici sagt, dass die Oberflächenrauheit einer im Polymerverfahren hergestellten Linse auch ohne Polieren weniger als einen Nanometer (ein Milliardstel Meter) beträgt.„Die Kräfte der Natur schaffen von sich aus außergewöhnliche Qualitäten, und sie sind frei“, sagte er.Im Gegensatz dazu wird optisches Glas auf 100 Nanometer poliert, während die Spiegel des NASA-Flaggschiffs James Webb Space Telescope auf 20 Nanometer poliert werden.
Aber nicht jeder glaubt, dass diese elegante Methode der Retter von Milliarden von Menschen auf der ganzen Welt sein wird.Professor Ady Arie von der Fakultät für Elektrotechnik der Universität Tel Aviv wies darauf hin, dass die Methode von Bercovici und Frumkin eine kreisförmige Form erfordert, in die flüssiges Polymer eingespritzt wird, das Polymer selbst und eine UV-Lampe.
„Diese sind in Indianerdörfern nicht erhältlich“, betonte er.Ein weiteres Problem, das Niv Adut, Gründer und Vizepräsident für Forschung und Entwicklung von SPO Precision Optics, und Dr. Doron Sturlesi, Chefwissenschaftler des Unternehmens (beide mit Bercovicis Arbeit vertraut), angesprochen haben, ist, dass das Ersetzen des Schleifprozesses durch Kunststoffgussteile die Anpassung der Linse an die Linse erschweren wird braucht.Seine Leute.
Berkovic geriet nicht in Panik.„Kritik ist ein grundlegender Bestandteil der Wissenschaft, und unsere rasante Entwicklung im vergangenen Jahr ist größtenteils darauf zurückzuführen, dass Experten uns in die Ecke gedrängt haben“, sagte er.In Bezug auf die Machbarkeit der Herstellung in abgelegenen Gebieten fügte er hinzu: „Die Infrastruktur, die erforderlich ist, um Brillen mit traditionellen Methoden herzustellen, ist riesig;Sie brauchen Fabriken, Maschinen und Techniker, und wir brauchen nur die minimale Infrastruktur.“
Bercovici zeigte uns in seinem Labor zwei UV-Strahlungslampen: „Diese ist von Amazon und kostet 4 $, die andere von AliExpress und kostet 1,70 $.Wenn Sie sie nicht haben, können Sie Sunshine immer verwenden“, erklärte er.Was ist mit Polymeren?„Eine 250-ml-Flasche kostet bei Amazon 16 US-Dollar.Eine durchschnittliche Linse benötigt 5 bis 10 ml, sodass die Kosten des Polymers auch keine wirkliche Rolle spielen.“
Er betonte, dass seine Methode nicht die Verwendung einzigartiger Formen für jede Linsennummer erfordert, wie Kritiker behaupten.Für jede Glasnummer sei eine einfache Form geeignet, erklärte er: „Der Unterschied liegt in der Menge des eingespritzten Polymers, und um einen Zylinder für die Brille herzustellen, muss die Form lediglich ein wenig gedehnt werden.“
Bercovici sagte, dass der einzige teure Teil des Prozesses die Automatisierung der Polymerinjektion ist, die genau entsprechend der Anzahl der erforderlichen Linsen erfolgen muss.
„Unser Traum ist es, in dem Land mit den wenigsten Ressourcen etwas zu bewirken“, sagte Bercovici.Obwohl billige Brillen in arme Dörfer gebracht werden können - obwohl dies noch nicht abgeschlossen ist -, ist sein Plan viel größer.„Genau wie dieses berühmte Sprichwort: Ich möchte ihnen keinen Fisch geben, ich möchte ihnen das Fischen beibringen.Auf diese Weise können die Menschen ihre eigene Brille herstellen“, sagte er.„Wird es gelingen?Nur die Zeit wird die Antwort geben.“
Bercovici und Frumkin beschrieben diesen Prozess vor etwa sechs Monaten in einem Artikel in der ersten Ausgabe von Flow, einer von der University of Cambridge herausgegebenen Zeitschrift für Anwendungen der Strömungsmechanik.Doch bei einfachen optischen Linsen will das Team nicht bleiben.Ein weiterer Artikel, der vor wenigen Wochen im Optica-Magazin veröffentlicht wurde, beschrieb ein neues Verfahren zur Herstellung komplexer optischer Komponenten im Bereich der Freiformoptik.Diese optischen Komponenten sind weder konvex noch konkav, sondern in eine topographische Oberfläche eingeformt, und Licht wird auf die Oberfläche verschiedener Bereiche eingestrahlt, um den gewünschten Effekt zu erzielen.Diese Komponenten finden sich in multifokalen Brillen, Pilotenhelmen, fortschrittlichen Projektorsystemen, Virtual- und Augmented-Reality-Systemen und an anderen Orten.
Die nachhaltige Herstellung von Freiformbauteilen ist aufwändig und teuer, da sich deren Oberfläche nur schwer schleifen und polieren lässt.Daher haben diese Komponenten derzeit begrenzte Verwendungsmöglichkeiten.„Es gibt wissenschaftliche Veröffentlichungen zu den Einsatzmöglichkeiten solcher Oberflächen, aber das hat sich noch nicht in der praktischen Anwendung niedergeschlagen“, erklärt Bercovici.In diesem neuen Artikel zeigte das von Elgarisi geleitete Laborteam, wie die Oberflächenform, die beim Einspritzen von Polymerflüssigkeit entsteht, durch Steuern der Form des Rahmens gesteuert werden kann.Der Rahmen kann mit einem 3D-Drucker erstellt werden.„Wir machen keine Dinge mehr mit einem Wischeimer, aber es ist immer noch sehr einfach“, sagte Bercovici.
Omer Luria, ein Forschungsingenieur im Labor, wies darauf hin, dass diese neue Technologie schnell besonders glatte Linsen mit einzigartigem Terrain herstellen kann.„Wir hoffen, dass es die Kosten und die Produktionszeit komplexer optischer Komponenten erheblich reduzieren kann“, sagte er.
Professor Arie ist einer der Redakteure von Optica, hat sich aber nicht an der Überprüfung des Artikels beteiligt.„Das ist eine sehr gute Arbeit“, sagte Ali über die Forschung.„Um asphärische optische Oberflächen herzustellen, verwenden aktuelle Methoden Formen oder 3D-Druck, aber beide Methoden sind schwierig, ausreichend glatte und große Oberflächen innerhalb eines angemessenen Zeitrahmens zu erzeugen.“Arie glaubt, dass die neue Methode dazu beitragen wird, Freiheitsprototypen von formalen Komponenten zu schaffen.„Für die industrielle Produktion großer Stückzahlen ist es am besten, Formen vorzubereiten, aber um neue Ideen schnell zu testen, ist dies eine interessante und elegante Methode“, sagte er.
SPO ist eines der führenden Unternehmen Israels im Bereich Freiformflächen.Laut Adut und Sturlesi hat die neue Methode Vor- und Nachteile.Sie sagen, dass die Verwendung von Kunststoffen die Möglichkeiten einschränkt, weil sie bei extremen Temperaturen nicht haltbar sind und ihre Fähigkeit, über die gesamte Farbpalette eine ausreichende Qualität zu erreichen, begrenzt ist.Was die Vorteile betrifft, wiesen sie darauf hin, dass die Technologie das Potenzial hat, die Produktionskosten von komplexen Kunststofflinsen, die in allen Mobiltelefonen verwendet werden, erheblich zu senken.
Adut und Sturlesi fügten hinzu, dass bei herkömmlichen Herstellungsverfahren der Durchmesser von Kunststofflinsen begrenzt ist, da sie umso ungenauer werden, je größer sie sind.Sie sagten, dass nach Bercovicis Verfahren durch die Herstellung von Linsen in Flüssigkeit Verzerrungen verhindert werden können, wodurch sehr leistungsfähige optische Komponenten entstehen können – sei es im Bereich der sphärischen Linsen oder der Freiformlinsen.
Das unerwartetste Projekt des Technion-Teams war die Entscheidung, ein großes Objektiv herzustellen.Hier fing alles mit einem zufälligen Gespräch und einer naiven Frage an.„Es dreht sich alles um Menschen“, sagte Berkovic.Als er Berkovic fragte, sagte er Dr. Edward Baraban, einem NASA-Forscher, dass er sein Projekt an der Stanford University kannte und ihn an der Stanford University kannte: „Sie denken, Sie können eine solche Linse für ein Weltraumteleskop herstellen ?”
„Es klang wie eine verrückte Idee“, erinnerte sich Berkovic, „aber es war tief in meinem Kopf verankert.“Nachdem der Labortest erfolgreich abgeschlossen war, erkannten israelische Forscher, dass die Methode im Weltraum eingesetzt werden könnte.Schließlich kann man dort Mikrogravitationsbedingungen erreichen, ohne auf schwimmfähige Flüssigkeiten angewiesen zu sein.„Ich habe Edward angerufen und ihm gesagt, es funktioniert!“
Weltraumteleskope haben große Vorteile gegenüber bodengestützten Teleskopen, da sie nicht durch atmosphärische oder Lichtverschmutzung beeinträchtigt werden.Das größte Problem bei der Entwicklung von Weltraumteleskopen ist, dass ihre Größe durch die Größe der Trägerrakete begrenzt ist.Auf der Erde haben Teleskope derzeit einen Durchmesser von bis zu 40 Metern.Das Hubble-Weltraumteleskop hat einen Spiegel mit einem Durchmesser von 2,4 Metern, während das James-Webb-Teleskop einen Spiegel mit einem Durchmesser von 6,5 Metern hat – es dauerte 25 Jahre, bis Wissenschaftler diese Errungenschaft erreichten, die 9 Milliarden US-Dollar kostete, teilweise weil ein System sein muss entwickelt, das das Teleskop in zusammengeklappter Position starten und dann automatisch im Weltraum öffnen kann.
Auf der anderen Seite befindet sich Liquid bereits in einem „gefalteten“ Zustand.Sie können beispielsweise den Sender mit flüssigem Metall füllen, einen Injektionsmechanismus und einen Expansionsring hinzufügen und dann einen Spiegel im Weltraum erstellen.„Das ist eine Illusion“, gab Berkovic zu.„Meine Mutter fragte mich: ‚Wann bist du bereit?Ich sagte ihr: ‚Vielleicht in etwa 20 Jahren.Sie sagte, sie habe keine Zeit zu warten.“
Wenn dieser Traum wahr wird, kann er die Zukunft der Weltraumforschung verändern.Heute wies Berkovic darauf hin, dass Menschen nicht in der Lage sind, Exoplaneten – Planeten außerhalb des Sonnensystems – direkt zu beobachten, weil dazu ein Erdteleskop erforderlich ist, das zehnmal größer ist als bestehende Teleskope – was mit der bestehenden Technologie völlig unmöglich ist.
Andererseits fügte Bercovici hinzu, dass die Falcon Heavy, die derzeit größte Weltraumrakete von SpaceX, 20 Kubikmeter Flüssigkeit transportieren könne.Er erklärte, dass Falcon Heavy theoretisch verwendet werden könnte, um eine Flüssigkeit zu einem Orbitalpunkt zu bringen, wo die Flüssigkeit zur Herstellung eines Spiegels mit 75 Metern Durchmesser verwendet werden könnte – die Oberfläche und das gesammelte Licht wären 100-mal größer als letzterer .James-Webb-Teleskop.
Dies ist ein Traum, und es wird lange dauern, ihn zu verwirklichen.Aber die NASA nimmt es ernst.Zusammen mit einem Team von Ingenieuren und Wissenschaftlern des Ames Research Center der NASA unter der Leitung von Balaban wird die Technologie zum ersten Mal erprobt.
Ende Dezember wird ein vom Bercovici-Laborteam entwickeltes System zur Internationalen Raumstation geschickt, wo eine Reihe von Experimenten durchgeführt werden, damit Astronauten Linsen im Weltraum herstellen und aushärten können.Zuvor werden an diesem Wochenende in Florida Experimente durchgeführt, um zu testen, ob es möglich ist, hochwertige Linsen unter Mikrogravitation herzustellen, ohne dass eine schwimmfähige Flüssigkeit benötigt wird.
Das Fluid Telescope Experiment (FLUTE) wurde in einem Flugzeug mit reduzierter Schwerkraft durchgeführt – alle Sitze dieses Flugzeugs wurden entfernt, um Astronauten zu trainieren und Schwerelosigkeitsszenen in Filmen zu drehen.Durch Manövrieren in Form einer Antiparabel – aufsteigend und dann frei fallend – werden im Flugzeug für kurze Zeit Mikrogravitationsbedingungen erzeugt.„Er wird aus gutem Grund ‚Kotzkomet' genannt“, sagte Berkovic mit einem Lächeln.Der freie Fall dauert etwa 20 Sekunden, in denen die Schwerkraft des Flugzeugs nahe Null ist.Während dieser Zeit werden die Forscher versuchen, eine Flüssiglinse herzustellen und Messungen durchzuführen, um zu beweisen, dass die Qualität der Linse gut genug ist, dann wird die Ebene gerade, die Schwerkraft vollständig wiederhergestellt und die Linse wird zu einer Pfütze.
Das Experiment ist für zwei Flüge am Donnerstag und Freitag mit jeweils 30 Parabeln vorgesehen.Bercovici und die meisten Mitglieder des Laborteams, darunter Elgarisi und Luria, sowie Frumkin vom Massachusetts Institute of Technology werden anwesend sein.
Bei meinem Besuch im Technion-Labor war die Aufregung überwältigend.Auf dem Boden liegen 60 Kartons, die 60 selbstgebaute kleine Bausätze zum Experimentieren enthalten.Luria nimmt letzte und letzte Verbesserungen an dem computergestützten experimentellen System vor, das er entwickelt hat, um die Linsenleistung zu messen.
Gleichzeitig führt das Team Timing-Übungen vor kritischen Momenten durch.Ein Team stand mit einer Stoppuhr da, die anderen hatten 20 Sekunden Zeit, um einen Schuss abzugeben.Auf dem Flugzeug selbst werden die Bedingungen noch schlechter sein, insbesondere nach mehreren freien Stürzen und Aufzügen unter erhöhter Schwerkraft.
Nicht nur das Technion-Team ist begeistert.Baraban, der leitende Forscher des Flute Experiments der NASA, sagte gegenüber Haaretz: „Die Methode der Fluidformung kann zu leistungsstarken Weltraumteleskopen mit Öffnungen von mehreren zehn oder sogar hundert Metern führen.Solche Teleskope können zum Beispiel die Umgebung anderer Sterne direkt beobachten.Planet, erleichtert die hochauflösende Analyse seiner Atmosphäre und kann sogar großräumige Oberflächenmerkmale identifizieren.Diese Methode kann auch zu anderen Weltraumanwendungen führen, wie z. B. hochwertigen optischen Komponenten für die Energiegewinnung und -übertragung, wissenschaftlichen Instrumenten und medizinischer Ausrüstung für die Raumfahrt, und spielt somit eine wichtige Rolle in der aufstrebenden Weltraumwirtschaft.“
Kurz bevor er ins Flugzeug stieg und sich auf das Abenteuer seines Lebens begab, hielt Berkovic einen Moment überrascht inne.„Ich frage mich immer wieder, warum niemand vorher daran gedacht hat“, sagte er.„Jedes Mal, wenn ich zu einer Konferenz gehe, habe ich Angst, dass jemand aufsteht und sagt, dass einige russische Forscher dies vor 60 Jahren getan haben.Schließlich ist es eine so einfache Methode.“
Postzeit: 21. Dezember 2021