Prof. Moran Bercovici dan Dr. Valeri Frumkin telah mengembangkan teknologi murah untuk pembuatan lensa optik, dan memungkinkan untuk memproduksi kacamata untuk banyak negara berkembang di mana kacamata tidak tersedia.Sekarang, NASA mengatakan itu bisa digunakan untuk membuat teleskop luar angkasa
Sains biasanya maju dalam langkah-langkah kecil.Sepotong kecil informasi ditambahkan ke setiap eksperimen baru.Jarang sekali ide sederhana yang muncul di otak seorang ilmuwan berujung pada terobosan besar tanpa menggunakan teknologi apapun.Tapi inilah yang terjadi pada dua insinyur Israel yang mengembangkan metode baru dalam pembuatan lensa optik.
Sistemnya sederhana, murah dan akurat, dan dapat berdampak besar hingga sepertiga populasi dunia.Ini juga dapat mengubah wajah penelitian luar angkasa.Untuk mendesainnya, peneliti hanya membutuhkan papan tulis, spidol, penghapus dan sedikit keberuntungan.
Profesor Moran Bercovici dan Dr. Valeri Frumkin dari Departemen Teknik Mesin Institut Teknologi Technion-Israel di Haifa mengkhususkan diri dalam mekanika fluida, bukan optik.Tapi satu setengah tahun yang lalu, di Forum Pemenang Dunia di Shanghai, Berkovic kebetulan duduk dengan David Ziberman, seorang ekonom Israel.
Zilberman adalah pemenang Hadiah Serigala, dan sekarang di University of California, Berkeley, dia berbicara tentang penelitiannya di negara-negara berkembang.Bercovici menggambarkan eksperimen cairannya.Kemudian Ziberman mengajukan pertanyaan sederhana: "Bisakah Anda menggunakan ini untuk membuat kacamata?"
“Ketika Anda memikirkan negara berkembang, Anda biasanya memikirkan malaria, perang, kelaparan,” kata Berkovic.“Tapi Ziberman mengatakan sesuatu yang saya tidak tahu sama sekali-2,5 miliar orang di dunia membutuhkan kacamata tetapi tidak bisa mendapatkannya.Ini adalah angka yang luar biasa.”
Bercovici kembali ke rumah dan menemukan bahwa laporan dari Forum Ekonomi Dunia mengkonfirmasi jumlah ini.Meskipun hanya membutuhkan biaya beberapa dolar untuk membuat sepasang kacamata sederhana, kacamata murah tidak diproduksi atau dijual di sebagian besar dunia.
Dampaknya sangat besar, mulai dari anak-anak yang tidak bisa melihat papan tulis di sekolah hingga orang dewasa yang penglihatannya sangat menurun sehingga kehilangan pekerjaan.Selain merugikan kualitas hidup masyarakat, biaya ekonomi global diperkirakan mencapai US$3 triliun per tahun.
Setelah percakapan itu, Berkovic tidak bisa tidur di malam hari.Ketika dia tiba di Technion, dia mendiskusikan masalah ini dengan Frumkin, yang merupakan peneliti postdoctoral di laboratoriumnya saat itu.
“Kami menggambar di papan tulis dan melihatnya,” kenangnya.“Kami tahu secara naluriah bahwa kami tidak dapat membuat bentuk ini dengan teknologi kontrol cairan kami, dan kami ingin mencari tahu alasannya.”
Bentuk bola adalah dasar dari optik karena lensa terbuat dari mereka.Secara teori, Bercovici dan Frumkin tahu bahwa mereka dapat membuat kubah bundar dari polimer (cairan yang telah memadat) untuk membuat lensa.Tapi cairan hanya bisa tetap bulat dalam volume kecil.Ketika mereka lebih besar, gravitasi akan meremasnya menjadi genangan air.
“Jadi yang harus kita lakukan adalah menyingkirkan gravitasi,” jelas Bercovici.Dan inilah yang dia dan Frumkin lakukan.Setelah mempelajari papan tulis mereka, Frumkin datang dengan ide yang sangat sederhana, tetapi tidak jelas mengapa tidak ada yang memikirkannya sebelumnya-jika lensa ditempatkan di ruang cair, efek gravitasi dapat dihilangkan.Yang harus Anda lakukan adalah memastikan bahwa cairan di dalam bilik (disebut cairan apung) memiliki kerapatan yang sama dengan polimer dari mana lensa dibuat, dan kemudian polimer akan mengapung.
Hal penting lainnya adalah menggunakan dua cairan yang tidak dapat bercampur, yang berarti mereka tidak akan bercampur satu sama lain, seperti minyak dan air.“Kebanyakan polimer lebih mirip minyak, jadi cairan apung 'tunggal' kami adalah air,” kata Bercovici.
Tetapi karena air memiliki densitas yang lebih rendah dari polimer, maka densitasnya harus dinaikkan sedikit agar polimer dapat mengapung.Untuk tujuan ini, para peneliti juga menggunakan bahan yang kurang eksotis—garam, gula atau gliserin.Bercovici mengatakan bahwa komponen akhir dari proses ini adalah kerangka kaku di mana polimer disuntikkan sehingga bentuknya dapat dikontrol.
Ketika polimer mencapai bentuk akhirnya, ia disembuhkan menggunakan radiasi ultraviolet dan menjadi lensa padat.Untuk membuat bingkai, peneliti menggunakan pipa limbah sederhana, dipotong menjadi cincin, atau cawan petri yang dipotong dari bawah.“Setiap anak dapat membuatnya di rumah, dan putri saya dan saya membuatnya di rumah,” kata Bercovici.“Selama bertahun-tahun, kami telah melakukan banyak hal di laboratorium, beberapa di antaranya sangat rumit, tetapi tidak ada keraguan bahwa ini adalah hal paling sederhana dan termudah yang telah kami lakukan.Mungkin yang paling penting.”
Frumkin menciptakan tembakan pertamanya pada hari yang sama ketika dia memikirkan solusinya.“Dia mengirimi saya foto di WhatsApp,” kenang Berkovic.“Dalam retrospeksi, ini adalah lensa yang sangat kecil dan jelek, tapi kami sangat senang.”Frumkin terus mempelajari penemuan baru ini.“Persamaan menunjukkan bahwa begitu Anda menghilangkan gravitasi, tidak masalah apakah bingkai itu satu sentimeter atau satu kilometer;tergantung pada jumlah bahan, Anda akan selalu mendapatkan bentuk yang sama. ”
Kedua peneliti terus bereksperimen dengan bahan rahasia generasi kedua, ember pel, dan menggunakannya untuk membuat lensa dengan diameter 20 cm yang cocok untuk teleskop.Biaya lensa meningkat secara eksponensial dengan diameter, tetapi dengan metode baru ini, terlepas dari ukurannya, yang Anda butuhkan hanyalah polimer murah, air, garam (atau gliserin), dan cetakan cincin.
Daftar bahan menandai perubahan besar dalam metode pembuatan lensa tradisional yang hampir tidak berubah selama 300 tahun.Pada tahap awal proses tradisional, pelat kaca atau plastik digiling secara mekanis.Misalnya, saat membuat lensa kacamata, sekitar 80% bahannya terbuang sia-sia.Menggunakan metode yang dirancang oleh Bercovici dan Frumkin, alih-alih menggiling bahan padat, cairan disuntikkan ke dalam bingkai, sehingga lensa dapat diproduksi dalam proses yang benar-benar bebas limbah.Metode ini juga tidak memerlukan pemolesan, karena tegangan permukaan cairan dapat memastikan permukaan yang sangat halus.
Haaretz mengunjungi laboratorium Technion, di mana mahasiswa doktoral Mor Elgarisi mendemonstrasikan prosesnya.Dia menyuntikkan polimer ke dalam cincin di ruang cairan kecil, menyinarinya dengan lampu UV, dan memberi saya sepasang sarung tangan bedah dua menit kemudian.Saya dengan sangat hati-hati mencelupkan tangan saya ke dalam air dan mengeluarkan lensanya."Itu dia, prosesnya sudah selesai," teriak Berkovic.
Lensa benar-benar halus saat disentuh.Ini bukan hanya perasaan subjektif: Bercovici mengatakan bahwa bahkan tanpa pemolesan, kekasaran permukaan lensa yang dibuat menggunakan metode polimer kurang dari satu nanometer (sepersejuta meter).“Kekuatan alam menciptakan kualitas luar biasa dengan sendirinya, dan mereka bebas,” katanya.Sebaliknya, kaca optik dipoles hingga 100 nanometer, sedangkan cermin dari Teleskop Luar Angkasa James Webb andalan NASA dipoles hingga 20 nanometer.
Tetapi tidak semua orang percaya bahwa metode elegan ini akan menjadi penyelamat miliaran orang di seluruh dunia.Profesor Ady Arie dari Fakultas Teknik Elektro Universitas Tel Aviv menunjukkan bahwa metode Bercovici dan Frumkin membutuhkan cetakan melingkar di mana polimer cair disuntikkan, polimer itu sendiri dan lampu ultraviolet.
“Ini tidak tersedia di desa-desa India,” katanya.Masalah lain yang diangkat oleh pendiri SPO Precision Optics dan wakil presiden R&D Niv Adut dan kepala ilmuwan perusahaan Dr. Doron Sturlesi (keduanya akrab dengan pekerjaan Bercovici) adalah bahwa mengganti proses penggilingan dengan coran plastik akan mempersulit penyesuaian lensa dengan kebutuhan.Orang-orangnya.
Berkovic tidak panik.“Kritik adalah bagian mendasar dari sains, dan perkembangan pesat kami selama setahun terakhir sebagian besar disebabkan oleh para ahli yang mendorong kami ke sudut,” katanya.Mengenai kelayakan manufaktur di daerah terpencil, ia menambahkan: “Infrastruktur yang dibutuhkan untuk memproduksi kacamata dengan metode tradisional sangat besar;Anda membutuhkan pabrik, mesin, dan teknisi, dan kami hanya membutuhkan infrastruktur minimum.”
Bercovici menunjukkan kepada kami dua lampu radiasi ultraviolet di laboratoriumnya: “Yang ini dari Amazon dengan harga $4, dan yang lainnya dari AliExpress dengan harga $1.70.Jika Anda tidak memilikinya, Anda selalu dapat menggunakan Sunshine,” jelasnya.Bagaimana dengan polimer?“Sebuah botol 250 ml dijual seharga $16 di Amazon.Lensa rata-rata membutuhkan 5 hingga 10 ml, jadi biaya polimer juga bukan faktor yang nyata.”
Dia menekankan bahwa metodenya tidak memerlukan penggunaan cetakan unik untuk setiap nomor lensa, seperti yang diklaim oleh para kritikus.Cetakan sederhana cocok untuk setiap nomor lensa, ia menjelaskan: “Perbedaannya adalah jumlah polimer yang disuntikkan, dan untuk membuat silinder untuk kacamata, yang diperlukan hanyalah meregangkan cetakan sedikit.”
Bercovici mengatakan bahwa satu-satunya bagian yang mahal dari proses ini adalah otomatisasi injeksi polimer, yang harus dilakukan dengan tepat sesuai dengan jumlah lensa yang dibutuhkan.
“Mimpi kami adalah memberikan dampak di negara dengan sumber daya paling sedikit,” kata Bercovici.Meski kacamata murah bisa dibawa ke desa-desa miskin—meski belum selesai—rencananya jauh lebih besar.“Seperti pepatah terkenal itu, saya tidak ingin memberi mereka ikan, saya ingin mengajari mereka cara memancing.Dengan begitu, masyarakat bisa membuat kacamata sendiri,” ujarnya.“Apakah itu akan berhasil?Hanya waktu yang akan memberikan jawabannya.”
Bercovici dan Frumkin menggambarkan proses ini dalam sebuah artikel sekitar enam bulan lalu di edisi pertama Flow, sebuah jurnal aplikasi mekanika fluida yang diterbitkan oleh University of Cambridge.Tetapi tim tidak bermaksud untuk tetap menggunakan lensa optik sederhana.Makalah lain yang diterbitkan di majalah Optica beberapa minggu lalu menjelaskan metode baru untuk membuat komponen optik kompleks di bidang optik bentuk bebas.Komponen optik ini tidak cembung atau cekung, tetapi dibentuk menjadi permukaan topografi, dan cahaya disinari ke permukaan area yang berbeda untuk mencapai efek yang diinginkan.Komponen-komponen ini dapat ditemukan di kacamata multifokal, helm pilot, sistem proyektor canggih, sistem realitas virtual dan augmented, dan tempat lainnya.
Pembuatan komponen bentuk bebas menggunakan metode berkelanjutan rumit dan mahal karena sulit untuk menggiling dan memoles luas permukaannya.Oleh karena itu, komponen-komponen tersebut saat ini memiliki kegunaan yang terbatas.“Ada publikasi akademis tentang kemungkinan penggunaan permukaan seperti itu, tetapi ini belum tercermin dalam aplikasi praktis,” jelas Bercovici.Dalam makalah baru ini, tim laboratorium yang dipimpin oleh Elgarisi menunjukkan bagaimana mengontrol bentuk permukaan yang dibuat ketika cairan polimer disuntikkan dengan mengontrol bentuk bingkai.Bingkai dapat dibuat menggunakan printer 3D.“Kami tidak melakukan sesuatu dengan ember pel lagi, tetapi masih sangat sederhana,” kata Bercovici.
Omer Luria, seorang insinyur penelitian di laboratorium, menunjukkan bahwa teknologi baru ini dapat dengan cepat menghasilkan lensa yang sangat halus dengan medan yang unik.“Kami berharap dapat mengurangi biaya dan waktu produksi komponen optik yang kompleks secara signifikan,” katanya.
Profesor Arie adalah salah satu editor Optica, tetapi tidak berpartisipasi dalam review artikel.“Ini adalah pekerjaan yang sangat bagus,” kata Ali tentang penelitian tersebut.“Untuk menghasilkan permukaan optik asferis, metode saat ini menggunakan cetakan atau pencetakan 3D, tetapi kedua metode tersebut sulit untuk membuat permukaan yang cukup halus dan besar dalam jangka waktu yang wajar.”Arie percaya bahwa metode baru akan membantu menciptakan Prototipe kebebasan komponen formal.“Untuk produksi industri suku cadang dalam jumlah besar, yang terbaik adalah menyiapkan cetakan, tetapi untuk menguji ide-ide baru dengan cepat, ini adalah metode yang menarik dan elegan,” katanya.
SPO adalah salah satu perusahaan terkemuka Israel di bidang permukaan bentuk bebas.Menurut Adut dan Sturlesi, metode baru ini memiliki kelebihan dan kekurangan.Mereka mengatakan bahwa penggunaan plastik membatasi kemungkinan karena mereka tidak tahan lama pada suhu ekstrim dan kemampuan mereka untuk mencapai kualitas yang cukup di seluruh rentang warna terbatas.Adapun kelebihannya, mereka menunjukkan bahwa teknologi tersebut berpotensi secara signifikan mengurangi biaya produksi lensa plastik kompleks, yang digunakan di semua ponsel.
Adut dan Sturlesi menambahkan bahwa dengan metode manufaktur tradisional, diameter lensa plastik terbatas karena semakin besar, semakin tidak presisi.Mereka mengatakan bahwa, menurut metode Bercovici, pembuatan lensa dalam cairan dapat mencegah distorsi, yang dapat menciptakan komponen optik yang sangat kuat-baik di bidang lensa sferis atau lensa bentuk bebas.
Proyek paling tak terduga dari tim Technion adalah memilih untuk memproduksi lensa besar.Di sini, semuanya dimulai dengan percakapan yang tidak disengaja dan pertanyaan yang naif.“Ini semua tentang orang-orang,” kata Berkovic.Ketika dia bertanya kepada Berkovic, dia memberi tahu Dr. Edward Baraban, seorang ilmuwan riset NASA, bahwa dia mengetahui proyeknya di Universitas Stanford, dan dia mengenalnya di Universitas Stanford: “Anda pikir Anda bisa Apakah Anda membuat lensa seperti itu untuk teleskop luar angkasa? ?”
“Kedengarannya seperti ide yang gila,” kenang Berkovic, “tetapi itu sangat membekas di benak saya.”Setelah uji laboratorium berhasil diselesaikan, para peneliti Israel menyadari bahwa metode ini dapat digunakan dalam cara yang sama di luar angkasa.Lagi pula, Anda dapat mencapai kondisi gayaberat mikro di sana tanpa perlu cairan apung."Saya menelepon Edward dan saya mengatakan kepadanya, itu berhasil!"
Teleskop luar angkasa memiliki keunggulan besar dibandingkan teleskop berbasis darat karena tidak terpengaruh oleh polusi atmosfer atau cahaya.Masalah terbesar dengan pengembangan teleskop luar angkasa adalah ukurannya dibatasi oleh ukuran peluncur.Di Bumi, teleskop saat ini memiliki diameter hingga 40 meter.Teleskop Luar Angkasa Hubble memiliki cermin berdiameter 2,4 meter, sedangkan Teleskop James Webb memiliki cermin berdiameter 6,5 meter — dibutuhkan ilmuwan 25 tahun untuk mencapai pencapaian ini, dengan biaya 9 miliar dolar AS, sebagian karena sistem perlu dikembangkan yang dapat meluncurkan teleskop dalam posisi terlipat dan kemudian secara otomatis membukanya di luar angkasa.
Di sisi lain, Liquid sudah dalam keadaan "terlipat".Misalnya, Anda dapat mengisi pemancar dengan logam cair, menambahkan mekanisme injeksi dan cincin ekspansi, dan kemudian membuat cermin di luar angkasa.“Ini adalah ilusi,” aku Berkovic.“Ibuku bertanya padaku, 'Kapan kamu akan siap?Saya mengatakan kepadanya, 'Mungkin dalam waktu sekitar 20 tahun.Dia bilang dia tidak punya waktu untuk menunggu.”
Jika mimpi ini menjadi kenyataan, itu dapat mengubah masa depan penelitian luar angkasa.Hari ini, Berkovic menunjukkan bahwa manusia tidak memiliki kemampuan untuk mengamati secara langsung exoplanet-planet di luar tata surya, karena untuk itu diperlukan teleskop Bumi 10 kali lebih besar dari teleskop yang ada—yang sama sekali tidak mungkin dilakukan dengan teknologi yang ada.
Di sisi lain, Bercovici menambahkan bahwa Falcon Heavy, yang saat ini menjadi peluncur luar angkasa terbesar SpaceX, dapat membawa 20 meter kubik cairan.Dia menjelaskan bahwa secara teori, Falcon Heavy dapat digunakan untuk meluncurkan cairan ke titik orbit, di mana cairan tersebut dapat digunakan untuk membuat cermin berdiameter 75 meter—luas permukaan dan cahaya yang dikumpulkan akan 100 kali lebih besar daripada yang terakhir. .Teleskop James Webb.
Ini adalah mimpi, dan butuh waktu lama untuk mewujudkannya.Tapi NASA menganggapnya serius.Bersama dengan tim insinyur dan ilmuwan dari Pusat Penelitian Ames NASA yang dipimpin oleh Balaban, teknologi tersebut dicoba untuk pertama kalinya.
Pada akhir Desember, sistem yang dikembangkan oleh tim laboratorium Bercovici akan dikirim ke Stasiun Luar Angkasa Internasional, di mana serangkaian percobaan akan dilakukan untuk memungkinkan astronot membuat dan menyembuhkan lensa di luar angkasa.Sebelum itu, eksperimen akan dilakukan di Florida akhir pekan ini untuk menguji kelayakan memproduksi lensa berkualitas tinggi di bawah gayaberat mikro tanpa memerlukan cairan apung.
Eksperimen Teleskop Cairan (FLUTE) dilakukan pada pesawat dengan gravitasi rendah-semua kursi pesawat ini dilepas untuk melatih astronot dan merekam adegan tanpa gravitasi dalam film.Dengan manuver dalam bentuk antiparabola-naik dan kemudian jatuh bebas-kondisi gravitasi mikro dibuat di pesawat untuk waktu yang singkat."Ini disebut a'muntah komet' untuk alasan yang baik," kata Berkovic sambil tersenyum.Jatuh bebas berlangsung selama sekitar 20 detik, di mana gravitasi pesawat mendekati nol.Selama periode ini, para peneliti akan mencoba membuat lensa cair dan melakukan pengukuran untuk membuktikan bahwa kualitas lensa cukup baik, kemudian bidang menjadi lurus, gravitasi pulih sepenuhnya, dan lensa menjadi genangan air.
Eksperimen dijadwalkan untuk dua penerbangan pada hari Kamis dan Jumat, masing-masing dengan 30 parabola.Bercovici dan sebagian besar anggota tim laboratorium, termasuk Elgarisi dan Luria, dan Frumkin dari Massachusetts Institute of Technology akan hadir.
Selama kunjungan saya ke laboratorium Technion, kegembiraannya luar biasa.Ada 60 kotak kardus di lantai, yang berisi 60 kit kecil buatan sendiri untuk eksperimen.Luria membuat perbaikan terakhir dan menit terakhir pada sistem eksperimental terkomputerisasi yang ia kembangkan untuk mengukur kinerja lensa.
Pada saat yang sama, tim sedang melakukan latihan pengaturan waktu sebelum saat-saat kritis.Satu tim berdiri di sana dengan stopwatch, dan yang lain memiliki waktu 20 detik untuk melakukan tembakan.Di pesawat itu sendiri, kondisinya akan lebih buruk, terutama setelah beberapa kali jatuh bebas dan terangkat ke atas di bawah peningkatan gravitasi.
Bukan hanya tim Technion yang bersemangat.Baraban, peneliti utama Eksperimen Flute NASA, mengatakan kepada Haaretz, “Metode pembentukan cairan dapat menghasilkan teleskop ruang angkasa yang kuat dengan lubang puluhan atau bahkan ratusan meter.Misalnya, teleskop semacam itu dapat secara langsung mengamati lingkungan bintang lain.Planet, memfasilitasi analisis resolusi tinggi dari atmosfernya, dan bahkan dapat mengidentifikasi fitur permukaan skala besar.Metode ini juga dapat mengarah ke aplikasi luar angkasa lainnya, seperti komponen optik berkualitas tinggi untuk pemanenan dan transmisi energi, instrumen ilmiah, dan peralatan medis Manufaktur luar angkasa—sehingga memainkan peran penting dalam ekonomi luar angkasa yang sedang berkembang.”
Sesaat sebelum naik ke pesawat dan memulai petualangan hidupnya, Berkovic berhenti sejenak karena terkejut.“Saya terus bertanya pada diri sendiri mengapa tidak ada yang memikirkan hal ini sebelumnya,” katanya.“Setiap kali saya pergi ke sebuah konferensi, saya takut seseorang akan berdiri dan mengatakan bahwa beberapa peneliti Rusia melakukan ini 60 tahun yang lalu.Bagaimanapun, ini adalah metode yang sangat sederhana. ”
Waktu posting: 21 Des-2021