طور البروفيسور موران بيركوفيتشي والدكتور فاليري فرومكين تقنية رخيصة لتصنيع العدسات البصرية ، ومن الممكن إنتاج نظارات للعديد من البلدان النامية حيث لا تتوفر النظارات.الآن ، تقول ناسا إنه يمكن استخدامها لصنع تلسكوبات فضائية
يتقدم العلم عادة بخطوات صغيرة.تتم إضافة جزء صغير من المعلومات إلى كل تجربة جديدة.من النادر أن تؤدي فكرة بسيطة تظهر في دماغ عالم إلى اختراق كبير دون استخدام أي تقنية.لكن هذا ما حدث لمهندسين إسرائيليين طورا طريقة جديدة لتصنيع العدسات البصرية.
النظام بسيط ورخيص ودقيق ويمكن أن يكون له تأثير كبير على ما يصل إلى ثلث سكان العالم.قد يغير أيضًا وجه أبحاث الفضاء.من أجل تصميمه ، يحتاج الباحثون فقط إلى لوحة بيضاء وعلامة وممحاة وقليل من الحظ.
البروفيسور موران بيركوفيتشي والدكتور فاليري فرومكين من قسم الهندسة الميكانيكية في معهد التخنيون الإسرائيلي للتكنولوجيا في حيفا متخصصان في ميكانيكا الموائع وليس البصريات.لكن قبل عام ونصف ، في منتدى الحائزين على جائزة العالم في شنغهاي ، صادف أن بركوفيتش كان يجلس مع ديفيد زبرمان ، الاقتصادي الإسرائيلي.
Zilberman هو الفائز بجائزة Wolf ، والآن في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، تحدث عن أبحاثه في البلدان النامية.وصف بيركوفيتشي تجربته السلسة.ثم طرح زيبرمان سؤالًا بسيطًا: "هل يمكنك استخدام هذا لصنع النظارات؟"
قال بيركوفيتش: "عندما تفكر في البلدان النامية ، عادة ما تفكر في الملاريا والحرب والجوع"."لكن زبرمان قال شيئًا لا أعرفه على الإطلاق - 2.5 مليار شخص في العالم يحتاجون إلى نظارات ولكن لا يمكنهم الحصول عليها.هذا رقم مذهل ".
عاد بيركوفيتشي إلى وطنه ووجد أن تقريرًا من المنتدى الاقتصادي العالمي أكد هذا الرقم.على الرغم من أن صنع زوج بسيط من النظارات يكلف بضعة دولارات فقط ، إلا أن النظارات الرخيصة لا تُصنع ولا تُباع في معظم أنحاء العالم.
كان التأثير هائلاً ، بدءًا من الأطفال الذين لا يستطيعون رؤية السبورة في المدرسة إلى البالغين الذين تتدهور بصرهم لدرجة أنهم يفقدون وظائفهم.بالإضافة إلى الإضرار بنوعية حياة الناس ، تقدر تكلفة الاقتصاد العالمي بما يصل إلى 3 تريليون دولار أمريكي سنويًا.
بعد المحادثة ، لم يستطع بيركوفيتش النوم ليلا.عندما وصل إلى التخنيون ، ناقش هذه المسألة مع فرومكين ، الذي كان باحثًا ما بعد الدكتوراه في مختبره في ذلك الوقت.
يتذكر قائلاً: "رسمنا رصاصة على السبورة ونظرنا إليها"."نعلم غريزيًا أنه لا يمكننا إنشاء هذا الشكل باستخدام تقنية التحكم في السوائل لدينا ، ونريد معرفة السبب."
الشكل الكروي هو أساس البصريات لأن العدسة مصنوعة منها.من الناحية النظرية ، عرف Bercovici و Frumkin أنهما يمكنهما صنع قبة مستديرة من بوليمر (سائل متصلب) لصنع عدسة.لكن السوائل يمكن أن تظل كروية بأحجام صغيرة فقط.عندما تكون أكبر ، سوف تسحقهم الجاذبية في برك.
وأوضح بيركوفيتشي "إذن ما يتعين علينا القيام به هو التخلص من الجاذبية الأرضية".وهذا بالضبط ما فعله هو وفرومكين.بعد دراسة السبورة البيضاء ، توصل Frumkin إلى فكرة بسيطة للغاية ، ولكن ليس من الواضح سبب عدم تفكير أحد بها من قبل - إذا تم وضع العدسة في حجرة سائلة ، فيمكن القضاء على تأثير الجاذبية.كل ما عليك فعله هو التأكد من أن السائل الموجود في الحجرة (يسمى السائل الطافي) له نفس كثافة البوليمر الذي صنعت منه العدسة ، ومن ثم يطفو البوليمر.
شيء مهم آخر هو استخدام سائلين غير قابلين للامتزاج ، مما يعني أنهما لن يختلطا مع بعضهما البعض ، مثل الزيت والماء.قال بيركوفيتشي: "معظم البوليمرات أشبه بالزيوت ، لذا فإن السائل المنعش لدينا هو الماء".
ولكن نظرًا لأن كثافة الماء أقل من كثافة البوليمرات ، يجب زيادة كثافته قليلاً حتى يطفو البوليمر.ولهذه الغاية ، استخدم الباحثون أيضًا مواد أقل غرابة مثل الملح أو السكر أو الجلسرين.قال بيركوفيتشي إن المكون الأخير للعملية هو إطار صلب يتم حقن البوليمر فيه بحيث يمكن التحكم في شكله.
عندما يصل البوليمر إلى شكله النهائي ، يتم علاجه باستخدام الأشعة فوق البنفسجية ويصبح عدسة صلبة.لصنع الإطار ، استخدم الباحثون أنبوبًا بسيطًا للصرف الصحي ، مقطوعًا إلى حلقة ، أو طبق بتري مقطوع من الأسفل.قال بيركوفيتشي: "يمكن لأي طفل أن يصنعها في المنزل ، وقد صنعت أنا وبناتي بعضها في المنزل"."على مر السنين ، قمنا بالعديد من الأشياء في المختبر ، بعضها معقد للغاية ، ولكن لا شك في أن هذا هو أبسط وأسهل شيء قمنا به.ربما الأهم ".
ابتكر Frumkin أول لقطة له في نفس اليوم الذي فكر فيه في الحل.يتذكر بيركوفيتش: "لقد أرسل لي صورة عبر WhatsApp"."بالنظر إلى الماضي ، كانت هذه عدسة صغيرة جدًا وقبيحة ، لكننا كنا سعداء للغاية."واصل Frumkin دراسة هذا الاختراع الجديد."تُظهر المعادلة أنه بمجرد إزالة الجاذبية ، لا يهم ما إذا كان الإطار سنتيمترًا واحدًا أو كيلومترًا واحدًا ؛اعتمادًا على كمية المادة ، ستحصل دائمًا على نفس الشكل ".
واصل الباحثان تجربة المكون السري من الجيل الثاني ، دلو الممسحة ، واستخدموه لإنشاء عدسة بقطر 20 سم مناسبة للتلسكوبات.تزداد تكلفة العدسة أضعافًا مضاعفة مع القطر ، ولكن مع هذه الطريقة الجديدة ، بغض النظر عن الحجم ، كل ما تحتاجه هو بوليمر رخيص وماء وملح (أو جلسرين) وعفن حلقي.
تمثل قائمة المكونات تحولًا كبيرًا في طرق تصنيع العدسات التقليدية التي ظلت دون تغيير تقريبًا لمدة 300 عام.في المرحلة الأولى من العملية التقليدية ، يتم طحن لوح زجاجي أو بلاستيكي ميكانيكيًا.على سبيل المثال ، عند تصنيع عدسات النظارات ، يتم إهدار حوالي 80٪ من المواد.باستخدام الطريقة التي صممها Bercovici و Frumkin ، بدلاً من طحن المواد الصلبة ، يتم حقن السائل في الإطار ، بحيث يمكن تصنيع العدسة في عملية خالية تمامًا من النفايات.لا تتطلب هذه الطريقة أيضًا تلميعًا ، لأن التوتر السطحي للسائل يمكن أن يضمن سطحًا أملسًا للغاية.
زارت "هآرتس" مختبر التخنيون ، حيث قام طالب الدكتوراه مور القريسي بعرض العملية.قام بحقن بوليمر في حلقة في حجرة سائلة صغيرة ، وأشعها بمصباح الأشعة فوق البنفسجية ، وسلمني زوجًا من القفازات الجراحية بعد دقيقتين.غمست يدي بحذر شديد في الماء وأخرجت العدسة.وصرخ بيركوفيتش "هذا كل شيء ، المعالجة انتهت".
العدسات ناعمة الملمس تمامًا.هذا ليس مجرد شعور شخصي: يقول بيركوفيتشي إنه حتى بدون التلميع ، فإن خشونة سطح العدسة المصنوعة باستخدام طريقة البوليمر أقل من نانومتر واحد (جزء من المليار من المتر).قال: "تخلق قوى الطبيعة صفات غير عادية من تلقاء نفسها ، وهي أحرار".في المقابل ، يتم صقل الزجاج البصري حتى 100 نانومتر ، بينما يتم صقل مرايا تلسكوب جيمس ويب الفضائي الرائد في ناسا حتى 20 نانومتر.
لكن لا يعتقد الجميع أن هذه الطريقة الأنيقة ستكون المنقذ لمليارات الأشخاص حول العالم.وأشار البروفيسور آدي آري من كلية الهندسة الكهربائية بجامعة تل أبيب إلى أن طريقة بيركوفيتشي وفرومكين تتطلب قالبًا دائريًا يتم فيه حقن البوليمر السائل والبوليمر نفسه ومصباحًا فوق بنفسجي.
وأشار إلى أن "هذه ليست متوفرة في القرى الهندية".هناك قضية أخرى أثارها مؤسس SPO Precision Optics ونائب رئيس R&D Niv Adut وكبير العلماء في الشركة الدكتور Doron Sturlesi (وكلاهما على دراية بعمل Bercovici) وهي أن استبدال عملية الطحن بمسبوكات بلاستيكية سيجعل من الصعب تكييف العدسة مع الاحتياجات.شعبها.
لم يصاب بيركوفيتش بالذعر.قال: "النقد جزء أساسي من العلم ، وتطورنا السريع خلال العام الماضي يرجع إلى حد كبير إلى الخبراء الذين دفعونا إلى الزاوية".وعن جدوى التصنيع في المناطق النائية ، أضاف: "البنية التحتية اللازمة لتصنيع الزجاج بالطرق التقليدية ضخمة ، وهي لا تزال بحاجة إلى حلول.أنت بحاجة إلى مصانع وآلات وفنيين ، ونحتاج فقط إلى الحد الأدنى من البنية التحتية ".
أظهر لنا بيركوفيتشي مصباحين من الأشعة فوق البنفسجية في مختبره: "هذا المصباح من أمازون ويكلف 4 دولارات ، والآخر من AliExpress ويكلف 1.70 دولارًا.إذا لم يكن لديك ، يمكنك دائمًا استخدام Sunshine.ماذا عن البوليمرات؟زجاجة 250 مل تباع مقابل 16 دولارًا على أمازون.يتطلب متوسط العدسة من 5 إلى 10 مل ، وبالتالي فإن تكلفة البوليمر ليست عاملاً حقيقيًا أيضًا ".
وأكد أن طريقته لا تتطلب استخدام قوالب فريدة لكل رقم عدسة ، كما يدعي النقاد.وأوضح أن هناك قالبًا بسيطًا مناسبًا لكل رقم عدسة: "الفرق هو كمية البوليمر المحقون ، ولصنع أسطوانة للنظارات ، كل ما هو مطلوب هو شد القالب قليلاً."
قال بيركوفيتشي إن الجزء المكلف الوحيد من العملية هو أتمتة حقن البوليمر ، والذي يجب أن يتم بدقة وفقًا لعدد العدسات المطلوبة.
قال بيركوفيتشي: "حلمنا هو أن يكون لنا تأثير في البلاد بأقل الموارد".على الرغم من أنه يمكن إحضار النظارات الرخيصة إلى القرى الفقيرة - على الرغم من أن هذا لم يكتمل - إلا أن خطته أكبر من ذلك بكثير."تمامًا مثل هذا المثل الشهير ، لا أريد أن أعطيهم السمك ، أريد أن أعلمهم كيف يصطادون السمك.وبهذه الطريقة ، سيتمكن الناس من صنع نظاراتهم بأنفسهم."هل ستنجح؟فقط الوقت كفيل بإعطاء الجواب ".
وصف Bercovici و Frumkin هذه العملية في مقال قبل حوالي ستة أشهر في الطبعة الأولى من Flow ، وهي مجلة لتطبيقات ميكانيكا الموائع تنشرها جامعة كامبريدج.لكن الفريق لا ينوي البقاء على عدسات بصرية بسيطة.وصفت ورقة بحثية أخرى نُشرت في مجلة Optica قبل بضعة أسابيع طريقة جديدة لتصنيع مكونات بصرية معقدة في مجال البصريات ذات الشكل الحر.هذه المكونات الضوئية ليست محدبة ولا مقعرة ، ولكنها مصبوبة في سطح طبوغرافي ، ويتم تشعيع الضوء على سطح مناطق مختلفة لتحقيق التأثير المطلوب.يمكن العثور على هذه المكونات في النظارات متعددة البؤر ، والخوذات التجريبية ، وأنظمة البروجيكتور المتقدمة ، وأنظمة الواقع الافتراضي والواقع المعزز ، وغيرها من الأماكن.
يعد تصنيع المكونات ذات الشكل الحر باستخدام طرق مستدامة أمرًا معقدًا ومكلفًا لأنه من الصعب طحن وتلميع مساحة سطحها.لذلك ، هذه المكونات لها استخدامات محدودة حاليًا.وأوضح بيركوفيتشي: "كانت هناك منشورات أكاديمية حول الاستخدامات المحتملة لمثل هذه الأسطح ، لكن هذا لم ينعكس بعد في التطبيقات العملية".في هذه الورقة الجديدة ، أظهر فريق المختبر بقيادة القريسي كيفية التحكم في شكل السطح الناتج عن حقن سائل البوليمر عن طريق التحكم في شكل الإطار.يمكن إنشاء الإطار باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد.قال بيركوفيتشي: "لم نعد نقوم بالأشياء باستخدام دلو ممسحة ، لكنها لا تزال بسيطة للغاية".
أشار عمر لوريا ، مهندس الأبحاث في المختبر ، إلى أن هذه التكنولوجيا الجديدة يمكنها بسرعة إنتاج عدسات ناعمة بشكل خاص مع تضاريس فريدة.وقال: "نأمل أن تتمكن من تقليل تكلفة ووقت إنتاج المكونات البصرية المعقدة بشكل كبير".
الأستاذ آري هو أحد محرري Optica ، لكنه لم يشارك في مراجعة المقال.قال علي عن البحث: "هذا عمل جيد للغاية"."من أجل إنتاج أسطح بصرية شبه كروية ، تستخدم الطرق الحالية القوالب أو الطباعة ثلاثية الأبعاد ، ولكن من الصعب إنشاء أسطح كبيرة وناعمة بشكل كافٍ في إطار زمني معقول."يعتقد Arie أن الطريقة الجديدة ستساعد في إنشاء نموذج أولي للحرية للمكونات الرسمية.قال: "بالنسبة للإنتاج الصناعي لعدد كبير من الأجزاء ، من الأفضل تحضير القوالب ، ولكن من أجل اختبار الأفكار الجديدة بسرعة ، فهذه طريقة مثيرة للاهتمام وأنيقة".
SPO هي إحدى الشركات الإسرائيلية الرائدة في مجال الأسطح ذات الشكل الحر.وفقًا لـ Adut و Sturlesi ، فإن الطريقة الجديدة لها مزايا وعيوب.يقولون أن استخدام البلاستيك يحد من الاحتمالات لأنها ليست دائمة في درجات الحرارة القصوى وقدرتها على تحقيق جودة كافية عبر نطاق الألوان بأكمله محدودة.وفيما يتعلق بالمزايا ، أشاروا إلى أن التكنولوجيا لديها القدرة على الحد بشكل كبير من تكلفة إنتاج العدسات البلاستيكية المعقدة ، والتي تستخدم في جميع الهواتف المحمولة.
أضاف Adut و Sturlesi أنه مع طرق التصنيع التقليدية ، يكون قطر العدسات البلاستيكية محدودًا لأنه كلما زاد حجمها ، أصبحت أقل دقة.قالوا إنه وفقًا لطريقة Bercovici ، فإن تصنيع العدسات في السائل يمكن أن يمنع التشويه ، والذي يمكن أن يخلق مكونات بصرية قوية للغاية - سواء في مجال العدسات الكروية أو العدسات ذات الشكل الحر.
كان المشروع غير المتوقع لفريق التخنيون هو اختيار إنتاج عدسة كبيرة.هنا ، بدأ كل شيء بمحادثة عرضية وسؤال ساذج.قال بيركوفيتش: "الأمر كله يتعلق بالناس".عندما سأل بيركوفيتش ، كان يخبر الدكتور إدوارد بارابان ، عالم أبحاث ناسا ، أنه يعرف مشروعه في جامعة ستانفورد ، وكان يعرفه في جامعة ستانفورد: "تعتقد أنه يمكنك صنع مثل هذه العدسة لتلسكوب فضائي ؟ "
يتذكر بيركوفيتش: "بدت فكرة مجنونة ، لكنها كانت متأصلة بعمق في ذهني".بعد اكتمال الاختبار المعملي بنجاح ، أدرك الباحثون الإسرائيليون أنه يمكن استخدام الطريقة في الفضاء بنفس الطريقة.بعد كل شيء ، يمكنك تحقيق ظروف الجاذبية الصغرى هناك دون الحاجة إلى السوائل الطافية."اتصلت بإدوارد وقلت له ، إنه يعمل!"
تتمتع التلسكوبات الفضائية بمزايا كبيرة على التلسكوبات الأرضية لأنها لا تتأثر بالتلوث الجوي أو الضوء.أكبر مشكلة في تطوير التلسكوبات الفضائية هي أن حجمها محدود بحجم قاذفة.على الأرض ، يصل قطر التلسكوبات حاليًا إلى 40 مترًا.يحتوي تلسكوب هابل الفضائي على مرآة قطرها 2.4 متر ، بينما يمتلك تلسكوب جيمس ويب مرآة قطرها 6.5 متر - استغرق العلماء 25 عامًا لتحقيق هذا الإنجاز ، بتكلفة 9 مليارات دولار أمريكي ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن النظام يحتاج إلى مطور يمكنه إطلاق التلسكوب في وضع مطوي ثم فتحه تلقائيًا في الفضاء.
من ناحية أخرى ، السائل في حالة "مطوية" بالفعل.على سبيل المثال ، يمكنك ملء جهاز الإرسال بمعدن سائل ، وإضافة آلية الحقن وحلقة التمدد ، ثم عمل مرآة في الفضاء.اعترف بركوفيتش "هذا وهم".سألتني والدتي: متى ستكون مستعدًا؟قلت لها: ربما بعد حوالي 20 عامًا.قالت إنه ليس لديها وقت للانتظار ".
إذا تحقق هذا الحلم ، فقد يغير مستقبل أبحاث الفضاء.أشار بيركوفيتش اليوم إلى أن البشر لا يملكون القدرة على رصد الكواكب الخارجية خارج المجموعة الشمسية بشكل مباشر ، لأن القيام بذلك يتطلب تلسكوبًا أرضيًا أكبر بعشر مرات من التلسكوبات الموجودة - وهو أمر مستحيل تمامًا مع التكنولوجيا الحالية.
من ناحية أخرى ، أضاف Bercovici أن Falcon Heavy ، أكبر قاذفة فضائية حاليًا SpaceX ، يمكنها حمل 20 مترًا مكعبًا من السائل.أوضح أنه من الناحية النظرية ، يمكن استخدام Falcon Heavy لإطلاق سائل إلى نقطة مدارية ، حيث يمكن استخدام السائل لصنع مرآة بقطر 75 مترًا - مساحة السطح والضوء المجمع سيكونان أكبر 100 مرة من الأخير. .تلسكوب جيمس ويب.
هذا حلم وسيستغرق وقتًا طويلاً لتحقيقه.لكن ناسا تأخذ الأمر على محمل الجد.جنبا إلى جنب مع فريق من المهندسين والعلماء من مركز أبحاث أميس التابع لناسا ، بقيادة بالابان ، يتم تجربة التكنولوجيا لأول مرة.
في أواخر ديسمبر ، سيتم إرسال نظام طوره فريق مختبر بيركوفيتشي إلى محطة الفضاء الدولية ، حيث سيتم إجراء سلسلة من التجارب لتمكين رواد الفضاء من تصنيع العدسات في الفضاء ومعالجتها.قبل ذلك ، سيتم إجراء تجارب في فلوريدا في نهاية هذا الأسبوع لاختبار جدوى إنتاج عدسات عالية الجودة في ظل الجاذبية الصغرى دون الحاجة إلى أي سائل طفو.
تم إجراء تجربة تلسكوب السوائل (FLUTE) على طائرة منخفضة الجاذبية - تمت إزالة جميع مقاعد هذه الطائرة لتدريب رواد الفضاء وتصوير مشاهد انعدام الجاذبية في الأفلام.عن طريق المناورة في شكل تصاعد مضاد للبارابولا ثم هبوطه بحرية ، يتم إنشاء ظروف الجاذبية الصغرى في الطائرة لفترة قصيرة من الزمن.قال بركوفيتش مبتسما: "إنه يطلق عليه اسم" مذنب القيء "لسبب وجيه".يستمر السقوط الحر حوالي 20 ثانية ، حيث تقترب جاذبية الطائرة من الصفر.خلال هذه الفترة ، سيحاول الباحثون عمل عدسة سائلة وإجراء قياسات لإثبات أن جودة العدسة جيدة بما يكفي ، ثم تصبح الطائرة مستقيمة ، ويتم استعادة الجاذبية بالكامل ، وتصبح العدسة بركة.
ومن المقرر إجراء التجربة على رحلتين يومي الخميس والجمعة ، كل منهما به 30 قطبًا مكافئًا.سيكون Bercovici ومعظم أعضاء فريق المختبر ، بما في ذلك Elgarisi و Luria ، و Frumkin من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا حاضرين.
خلال زيارتي لمختبر التخنيون ، كانت الإثارة غامرة.يوجد 60 صندوقًا من الورق المقوى على الأرض ، والتي تحتوي على 60 مجموعة صغيرة ذاتية الصنع للتجارب.يقوم Luria بإجراء تحسينات في اللحظة الأخيرة والأخيرة على النظام التجريبي المحوسب الذي طوره لقياس أداء العدسة.
في الوقت نفسه ، يقوم الفريق بإجراء تمارين التوقيت قبل اللحظات الحرجة.وقف أحد الفريقين هناك بساعة توقيت ، وكان لدى الآخرين 20 ثانية ليقوموا بالتصويب.على متن الطائرة نفسها ، ستكون الظروف أكثر سوءًا ، خاصة بعد السقوط الحر عدة مرات والرفع لأعلى تحت الجاذبية المتزايدة.
ليس فريق التخنيون فقط هو المتحمس.قال بارابان ، الباحث الرئيسي في تجربة الفلوت التابعة لوكالة ناسا ، لصحيفة هآرتس: "قد ينتج عن طريقة تشكيل السوائل تلسكوبات فضائية قوية بفتحات تصل إلى عشرات أو حتى مئات الأمتار.على سبيل المثال ، يمكن لمثل هذه التلسكوبات أن تراقب مباشرة محيط النجوم الأخرى.الكوكب ، يسهل التحليل عالي الدقة لغلافه الجوي ، وقد يحدد أيضًا ميزات السطح على نطاق واسع.قد تؤدي هذه الطريقة أيضًا إلى تطبيقات فضائية أخرى ، مثل المكونات البصرية عالية الجودة لتجميع الطاقة ونقلها ، والأدوات العلمية ، والمعدات الطبية.
قبل فترة وجيزة من صعوده إلى الطائرة والشروع في مغامرة حياته ، توقف بيركوفيتش للحظة مفاجأة.قال: "ما زلت أسأل نفسي لماذا لم يفكر أحد في هذا من قبل"."في كل مرة أذهب فيها إلى مؤتمر ، أخشى أن يقف شخص ما ويقول إن بعض الباحثين الروس فعلوا ذلك قبل 60 عامًا.بعد كل شيء ، إنها طريقة بسيطة ".
الوقت ما بعد: 21 ديسمبر - 2021