O Prof. Moran Bercovici e o Dr. Valeri Frumkin desenvolveram tecnologia barata para a fabricação de lentes ópticas, e é possível produzir óculos para muitos países em desenvolvimento onde não há óculos disponíveis.Agora, NASA diz que pode ser usado para fazer telescópios espaciais
A ciência geralmente avança em pequenos passos.Um pequeno pedaço de informação é adicionado a cada novo experimento.É raro que uma ideia simples que aparece no cérebro de um cientista leve a um grande avanço sem usar nenhuma tecnologia.Mas foi isso que aconteceu com dois engenheiros israelenses que desenvolveram um novo método de fabricação de lentes ópticas.
O sistema é simples, barato e preciso, e pode ter um enorme impacto em até um terço da população mundial.Também pode mudar a cara da pesquisa espacial.Para projetá-lo, os pesquisadores precisam apenas de um quadro branco, um marcador, uma borracha e um pouco de sorte.
O Professor Moran Bercovici e o Dr. Valeri Frumkin do Departamento de Engenharia Mecânica do Technion-Israel Institute of Technology em Haifa são especializados em mecânica dos fluidos, não em óptica.Mas há um ano e meio, no World Laureate Forum em Xangai, Berkovic sentou-se com David Ziberman, um economista israelense.
Zilberman é um vencedor do Wolf Prize, e agora na Universidade da Califórnia, Berkeley, ele falou sobre sua pesquisa em países em desenvolvimento.Bercovici descreveu seu experimento com fluidos.Então Ziberman fez uma pergunta simples: “Você pode usar isso para fazer óculos?”
“Quando você pensa em países em desenvolvimento, geralmente pensa em malária, guerra, fome”, disse Berkovic.“Mas Ziberman disse algo que eu não sei – 2,5 bilhões de pessoas no mundo precisam de óculos, mas não podem obtê-los.Este é um número incrível.”
Bercovici voltou para casa e descobriu que um relatório do Fórum Econômico Mundial confirmava esse número.Embora custe apenas alguns dólares para fazer um simples par de óculos, óculos baratos não são fabricados nem vendidos na maior parte do mundo.
O impacto é enorme, desde crianças que não conseguem ver o quadro-negro na escola até adultos cuja visão se deteriora tanto que perdem o emprego.Além de prejudicar a qualidade de vida das pessoas, estima-se que o custo da economia global chegue a US$ 3 trilhões por ano.
Após a conversa, Berkovic não conseguiu dormir à noite.Quando chegou ao Technion, discutiu essa questão com Frumkin, que na época era pesquisador de pós-doutorado em seu laboratório.
“Desenhamos uma foto no quadro branco e olhamos para ela”, lembrou ele.“Sabemos instintivamente que não podemos criar essa forma com nossa tecnologia de controle de fluidos e queremos descobrir o porquê.”
A forma esférica é a base da ótica porque a lente é feita delas.Em teoria, Bercovici e Frumkin sabiam que poderiam fazer uma cúpula redonda a partir de um polímero (um líquido que se solidificou) para fazer uma lente.Mas os líquidos só podem permanecer esféricos em pequenos volumes.Quando forem maiores, a gravidade os esmagará em poças.
“Então, o que temos que fazer é nos livrar da gravidade”, explicou Bercovici.E foi exatamente isso que ele e Frumkin fizeram.Depois de estudar seu quadro branco, Frumkin teve uma ideia muito simples, mas não está claro por que ninguém havia pensado nisso antes - se a lente for colocada em uma câmara de líquido, o efeito da gravidade pode ser eliminado.Tudo o que você precisa fazer é garantir que o líquido na câmara (chamado de líquido flutuante) tenha a mesma densidade do polímero do qual a lente é feita, e então o polímero flutuará.
Outra coisa importante é usar dois fluidos imiscíveis, o que significa que eles não vão se misturar, como óleo e água.“A maioria dos polímeros são mais parecidos com óleos, então nosso líquido flutuante 'singular' é a água”, disse Bercovici.
Mas como a água tem uma densidade menor do que os polímeros, sua densidade deve ser aumentada um pouco para que o polímero flutue.Para isso, os pesquisadores também usaram materiais menos exóticos - sal, açúcar ou glicerina.Bercovici disse que o componente final do processo é uma estrutura rígida na qual o polímero é injetado para que sua forma possa ser controlada.
Quando o polímero atinge sua forma final, é curado por radiação ultravioleta e se torna uma lente sólida.Para fazer a moldura, os pesquisadores usaram um cano de esgoto simples, cortado em forma de anel, ou uma placa de Petri cortada do fundo.“Qualquer criança pode fazê-los em casa, e minhas filhas e eu fizemos alguns em casa”, disse Bercovici.“Ao longo dos anos, fizemos muitas coisas em laboratório, algumas muito complicadas, mas não há dúvida de que esta é a coisa mais simples e fácil que fizemos.Talvez o mais importante.”
Frumkin criou sua primeira foto no mesmo dia em que pensou na solução.“Ele me enviou uma foto no WhatsApp”, lembrou Berkovic.“Em retrospecto, essa era uma lente muito pequena e feia, mas ficamos muito felizes.”Frumkin continuou a estudar esta nova invenção.“A equação mostra que uma vez que você remove a gravidade, não importa se o quadro é de um centímetro ou um quilômetro;dependendo da quantidade de material, você sempre terá a mesma forma.”
Os dois pesquisadores continuaram a experimentar o ingrediente secreto de segunda geração, o balde de esfregão, e o usaram para criar uma lente com um diâmetro de 20 cm adequada para telescópios.O custo da lente aumenta exponencialmente com o diâmetro, mas com esse novo método, independentemente do tamanho, tudo o que você precisa é de polímero barato, água, sal (ou glicerina) e um molde de anel.
A lista de ingredientes marca uma grande mudança nos métodos tradicionais de fabricação de lentes que permaneceram quase inalterados por 300 anos.Na fase inicial do processo tradicional, uma placa de vidro ou plástico é moída mecanicamente.Por exemplo, na fabricação de lentes para óculos, cerca de 80% do material é desperdiçado.Usando o método desenvolvido por Bercovici e Frumkin, em vez de triturar materiais sólidos, o líquido é injetado na armação, para que a lente possa ser fabricada em um processo totalmente livre de resíduos.Este método também não requer polimento, pois a tensão superficial do fluido pode garantir uma superfície extremamente lisa.
Haaretz visitou o laboratório de Technion, onde o estudante de doutorado Mor Elgarisi demonstrou o processo.Ele injetou polímero em um anel em uma pequena câmara de líquido, irradiou-o com uma lâmpada UV e me entregou um par de luvas cirúrgicas dois minutos depois.Com muito cuidado, mergulhei minha mão na água e tirei a lente."É isso, o processamento acabou", Berkovic gritou.
As lentes são absolutamente suaves ao toque.Isso não é apenas uma sensação subjetiva: Bercovici diz que, mesmo sem polimento, a rugosidade da superfície de uma lente feita com polímero é inferior a um nanômetro (um bilionésimo de metro).“As forças da natureza criam qualidades extraordinárias por conta própria e são livres”, disse ele.Em contraste, o vidro óptico é polido a 100 nanômetros, enquanto os espelhos do Telescópio Espacial James Webb da NASA são polidos a 20 nanômetros.
Mas nem todos acreditam que esse método elegante será o salvador de bilhões de pessoas ao redor do mundo.O professor Ady Arie, da Escola de Engenharia Elétrica da Universidade de Tel Aviv, destacou que o método de Bercovici e Frumkin requer um molde circular no qual o polímero líquido é injetado, o próprio polímero e uma lâmpada ultravioleta.
“Estes não estão disponíveis em aldeias indígenas”, ressaltou.Outra questão levantada pelo fundador e vice-presidente de P&D da SPO Precision Optics, Niv Adut, e pelo cientista-chefe da empresa, Dr. precisa.Seu povo.
Berkovic não entrou em pânico.“A crítica é uma parte fundamental da ciência, e nosso rápido desenvolvimento no ano passado se deve em grande parte aos especialistas que nos empurram para o canto”, disse ele.Sobre a viabilidade de fabricação em áreas remotas, ele acrescentou: “A infraestrutura necessária para a fabricação de vidros por métodos tradicionais é enorme;você precisa de fábricas, máquinas e técnicos, e nós precisamos apenas da infraestrutura mínima.”
Bercovici nos mostrou duas lâmpadas de radiação ultravioleta em seu laboratório: “Esta é da Amazon e custa US$ 4, e a outra é do AliExpress e custa US$ 1,70.Se você não os tiver, sempre poderá usar o Sunshine”, explicou.E os polímeros?“Uma garrafa de 250 ml é vendida por US$ 16 na Amazon.A lente média requer de 5 a 10 ml, então o custo do polímero também não é um fator real.”
Ele enfatizou que seu método não exige o uso de moldes únicos para cada número de lente, como afirmam os críticos.Um molde simples é adequado para cada número de lente, explicou: “A diferença é a quantidade de polímero injetado, e para fazer um cilindro para os óculos, basta esticar um pouco o molde”.
Bercovici disse que a única parte cara do processo é a automação da injeção do polímero, que deve ser feita exatamente de acordo com o número de lentes necessárias.
“Nosso sonho é impactar o país com o mínimo de recursos”, disse Bercovici.Embora copos baratos possam ser levados para vilarejos pobres - embora isso não tenha sido concluído - seu plano é muito maior.“Assim como aquele famoso provérbio, não quero dar peixe, quero ensiná-los a pescar.Dessa forma, as pessoas poderão fazer seus próprios óculos”, disse.“Será que vai dar certo?Só o tempo dará a resposta.”
Bercovici e Frumkin descreveram esse processo em um artigo há cerca de seis meses na primeira edição do Flow, um jornal de aplicações de mecânica dos fluidos publicado pela Universidade de Cambridge.Mas a equipe não pretende ficar em lentes ópticas simples.Outro artigo publicado na revista Optica há algumas semanas descreveu um novo método para fabricar componentes ópticos complexos no campo da óptica de forma livre.Esses componentes ópticos não são convexos nem côncavos, mas são moldados em uma superfície topográfica, e a luz é irradiada para a superfície de diferentes áreas para obter o efeito desejado.Esses componentes podem ser encontrados em óculos multifocais, capacetes de pilotos, sistemas avançados de projetor, sistemas de realidade virtual e aumentada e outros lugares.
A fabricação de componentes de forma livre usando métodos sustentáveis é complicada e cara porque é difícil retificar e polir sua área de superfície.Portanto, esses componentes atualmente têm usos limitados.“Existem publicações acadêmicas sobre os possíveis usos dessas superfícies, mas isso ainda não se refletiu em aplicações práticas”, explicou Bercovici.Neste novo artigo, a equipe do laboratório liderada por Elgarisi mostrou como controlar a forma da superfície criada quando o líquido do polímero é injetado controlando a forma do quadro.O quadro pode ser criado usando uma impressora 3D.“Não fazemos mais coisas com um balde de esfregão, mas ainda é muito simples”, disse Bercovici.
Omer Luria, engenheiro de pesquisa do laboratório, destacou que essa nova tecnologia pode produzir rapidamente lentes particularmente suaves com terreno único.“Esperamos que isso possa reduzir significativamente o custo e o tempo de produção de componentes ópticos complexos”, disse ele.
O professor Arie é um dos editores da Optica, mas não participou da revisão do artigo.“Este é um trabalho muito bom”, disse Ali sobre a pesquisa.“Para produzir superfícies ópticas asféricas, os métodos atuais usam moldes ou impressão 3D, mas ambos os métodos são difíceis de criar superfícies suficientemente lisas e grandes dentro de um prazo razoável.”Arie acredita que o novo método ajudará a criar liberdade Protótipo de componentes formais.“Para a produção industrial de grande número de peças, o melhor é preparar moldes, mas para testar rapidamente novas ideias, esse é um método interessante e elegante”, disse.
A SPO é uma das empresas líderes de Israel na área de superfícies de forma livre.Segundo Adut e Sturlesi, o novo método apresenta vantagens e desvantagens.Eles dizem que o uso de plásticos limita as possibilidades porque eles não são duráveis em temperaturas extremas e sua capacidade de obter qualidade suficiente em toda a gama de cores é limitada.Quanto às vantagens, eles destacaram que a tecnologia tem potencial para reduzir significativamente o custo de produção de lentes plásticas complexas, que são utilizadas em todos os celulares.
Adut e Sturlesi acrescentaram que, com os métodos tradicionais de fabricação, o diâmetro das lentes plásticas é limitado porque quanto maiores elas são, menos precisas elas se tornam.Eles disseram que, de acordo com o método de Bercovici, a fabricação de lentes em líquido pode evitar distorções, o que pode criar componentes ópticos muito poderosos - seja no campo de lentes esféricas ou lentes de forma livre.
O projeto mais inesperado da equipe Technion foi a escolha de produzir uma lente grande.Aqui, tudo começou com uma conversa acidental e uma pergunta ingênua.“É tudo sobre pessoas”, disse Berkovic.Quando perguntou a Berkovic, ele estava dizendo ao Dr. Edward Baraban, um cientista pesquisador da NASA, que conhecia seu projeto na Universidade de Stanford e o conhecia na Universidade de Stanford: “Você acha que pode fazer uma lente dessas para um telescópio espacial? ?”
“Parecia uma ideia maluca”, lembrou Berkovic, “mas ficou profundamente gravada em minha mente”.Depois que o teste de laboratório foi concluído com sucesso, pesquisadores israelenses perceberam que o método poderia ser usado no espaço.Afinal, você pode alcançar condições de microgravidade sem a necessidade de líquidos flutuantes.“Liguei para Edward e disse a ele, funciona!”
Os telescópios espaciais têm grandes vantagens sobre os telescópios terrestres porque não são afetados pela poluição atmosférica ou luminosa.O maior problema com o desenvolvimento de telescópios espaciais é que seu tamanho é limitado pelo tamanho do lançador.Na Terra, os telescópios têm atualmente um diâmetro de até 40 metros.O Telescópio Espacial Hubble tem um espelho de 2,4 metros de diâmetro, enquanto o Telescópio James Webb tem um espelho de 6,5 metros de diâmetro – os cientistas levaram 25 anos para alcançar essa conquista, custando 9 bilhões de dólares, em parte porque um sistema precisa ser desenvolvido que pode lançar o telescópio em uma posição dobrada e depois abri-lo automaticamente no espaço.
Por outro lado, Liquid já está em um estado “dobrado”.Por exemplo, você pode encher o transmissor com metal líquido, adicionar um mecanismo de injeção e um anel de expansão e, em seguida, fazer um espelho no espaço.“Isso é uma ilusão”, admitiu Berkovic.“Minha mãe me perguntou: 'Quando você estará pronto?Eu disse a ela: 'Talvez em cerca de 20 anos.Ela disse que não tinha tempo para esperar.”
Se esse sonho se tornar realidade, pode mudar o futuro da pesquisa espacial.Hoje, Berkovic apontou que os humanos não têm a capacidade de observar diretamente exoplanetas – planetas fora do sistema solar, porque isso requer um telescópio terrestre 10 vezes maior que os telescópios existentes – o que é completamente impossível com a tecnologia existente.
Por outro lado, Bercovici acrescentou que o Falcon Heavy, atualmente o maior lançador espacial SpaceX, pode transportar 20 metros cúbicos de líquido.Ele explicou que, em teoria, o Falcon Heavy poderia ser usado para lançar um líquido para um ponto orbital, onde o líquido poderia ser usado para fazer um espelho de 75 metros de diâmetro – a área de superfície e a luz coletada seriam 100 vezes maiores que o último. .Telescópio James Webb.
Este é um sonho, e levará muito tempo para realizá-lo.Mas a NASA está levando isso a sério.Juntamente com uma equipe de engenheiros e cientistas do Centro de Pesquisa Ames da NASA, liderado por Balaban, a tecnologia está sendo testada pela primeira vez.
No final de dezembro, um sistema desenvolvido pela equipe do laboratório Bercovici será enviado à Estação Espacial Internacional, onde será realizada uma série de experimentos para permitir que os astronautas fabriquem e curem lentes no espaço.Antes disso, experimentos serão realizados na Flórida neste fim de semana para testar a viabilidade de produzir lentes de alta qualidade sob microgravidade sem a necessidade de qualquer líquido flutuante.
O Fluid Telescope Experiment (FLUTE) foi realizado em uma aeronave de gravidade reduzida - todos os assentos desta aeronave foram removidos para treinar astronautas e filmar cenas de gravidade zero em filmes.Ao manobrar na forma de uma antiparábola ascendente e depois caindo livremente, as condições de microgravidade são criadas na aeronave por um curto período de tempo."É chamado de 'vomit cometa' por uma boa razão", disse Berkovic com um sorriso.A queda livre dura cerca de 20 segundos, em que a gravidade da aeronave é próxima de zero.Durante esse período, os pesquisadores tentarão fazer uma lente líquida e fazer medições para provar que a qualidade da lente é boa o suficiente, então o avião fica reto, a gravidade é totalmente restaurada e a lente se torna uma poça.
O experimento está programado para dois voos na quinta e sexta-feira, cada um com 30 parábolas.Bercovici e a maioria dos membros da equipe do laboratório, incluindo Elgarisi e Luria, e Frumkin do Massachusetts Institute of Technology estarão presentes.
Durante minha visita ao laboratório Technion, a empolgação foi avassaladora.Há 60 caixas de papelão no chão, que contêm 60 pequenos kits feitos por você mesmo para experimentos.Luria está fazendo melhorias finais e de última hora no sistema experimental computadorizado que ele desenvolveu para medir o desempenho das lentes.
Ao mesmo tempo, a equipe está realizando exercícios de cronometragem antes de momentos críticos.Uma equipe ficou lá com um cronômetro e as outras tiveram 20 segundos para fazer um arremesso.Na própria aeronave, as condições serão ainda piores, especialmente após várias quedas livres e levantamentos ascendentes sob gravidade aumentada.
Não é apenas a equipe Technion que está empolgada.Baraban, pesquisador-chefe do Flute Experiment da NASA, disse ao Haaretz: “O método de modelagem de fluido pode resultar em poderosos telescópios espaciais com aberturas de dezenas ou até centenas de metros.Por exemplo, esses telescópios podem observar diretamente os arredores de outras estrelas.Planet, facilita a análise de alta resolução de sua atmosfera e pode até identificar características de superfície em grande escala.Esse método também pode levar a outras aplicações espaciais, como componentes ópticos de alta qualidade para coleta e transmissão de energia, instrumentos científicos e equipamentos médicos.
Pouco antes de embarcar no avião e embarcar na aventura de sua vida, Berkovic parou por um momento, surpreso.“Eu continuo me perguntando por que ninguém pensou nisso antes”, disse ele.“Toda vez que vou a uma conferência, tenho medo de que alguém se levante e diga que alguns pesquisadores russos fizeram isso há 60 anos.Afinal, é um método tão simples.”
Horário da postagem: 21 de dezembro de 2021