El Prof. Moran Bercovici y el Dr. Valeri Frumkin han desarrollado una tecnología barata para fabricar lentes ópticos y es posible producir anteojos para muchos países en desarrollo donde no hay anteojos disponibles.Ahora, la NASA dice que se puede usar para hacer telescopios espaciales
La ciencia suele avanzar a pequeños pasos.Se agrega una pequeña pieza de información a cada nuevo experimento.Es raro que una simple idea que aparece en el cerebro de un científico conduzca a un gran avance sin utilizar ninguna tecnología.Pero esto es lo que les sucedió a dos ingenieros israelíes que desarrollaron un nuevo método de fabricación de lentes ópticos.
El sistema es simple, económico y preciso, y podría tener un gran impacto en hasta un tercio de la población mundial.También puede cambiar la cara de la investigación espacial.Para diseñarlo, los investigadores solo necesitan una pizarra blanca, un rotulador, una goma de borrar y un poco de suerte.
El profesor Moran Bercovici y el Dr. Valeri Frumkin del Departamento de Ingeniería Mecánica del Technion-Israel Institute of Technology en Haifa se especializan en mecánica de fluidos, no en óptica.Pero hace un año y medio, en el World Laureate Forum en Shanghai, Berkovic se sentó con David Ziberman, un economista israelí.
Zilberman es ganador del Premio Wolf, y ahora en la Universidad de California, Berkeley, habló sobre su investigación en países en desarrollo.Bercovici describió su experimento de fluidos.Entonces Ziberman hizo una pregunta simple: "¿Puedes usar esto para hacer anteojos?"
“Cuando piensas en países en desarrollo, por lo general piensas en malaria, guerra, hambre”, dijo Berkovic.“Pero Ziberman dijo algo que no sé en absoluto: 2500 millones de personas en el mundo necesitan anteojos pero no pueden obtenerlos.Este es un número asombroso”.
Bercovici regresó a casa y descubrió que un informe del Foro Económico Mundial confirmaba este número.Aunque solo cuesta unos pocos dólares hacer un simple par de anteojos, en la mayor parte del mundo no se fabrican ni venden anteojos baratos.
El impacto es enorme, desde niños que no pueden ver la pizarra en la escuela hasta adultos cuya vista se deteriora tanto que pierden sus trabajos.Además de dañar la calidad de vida de las personas, se estima que el costo de la economía mundial asciende a 3 billones de dólares estadounidenses al año.
Después de la conversación, Berkovic no pudo dormir por la noche.Cuando llegó a Technion, discutió este tema con Frumkin, quien era investigador postdoctoral en su laboratorio en ese momento.
“Dibujamos una foto en la pizarra y la miramos”, recordó.“Sabemos instintivamente que no podemos crear esta forma con nuestra tecnología de control de fluidos y queremos saber por qué”.
La forma esférica es la base de la óptica porque la lente está hecha de ellas.En teoría, Bercovici y Frumkin sabían que podían hacer una cúpula redonda a partir de un polímero (un líquido que se había solidificado) para hacer una lente.Pero los líquidos solo pueden permanecer esféricos en pequeños volúmenes.Cuando sean más grandes, la gravedad los aplastará en charcos.
“Entonces, lo que tenemos que hacer es deshacernos de la gravedad”, explicó Bercovici.Y esto es exactamente lo que hicieron él y Frumkin.Después de estudiar su pizarra, a Frumkin se le ocurrió una idea muy simple, pero no está claro por qué nadie había pensado en ella antes: si la lente se coloca en una cámara líquida, se puede eliminar el efecto de la gravedad.Todo lo que tiene que hacer es asegurarse de que el líquido en la cámara (llamado líquido flotante) tenga la misma densidad que el polímero del que está hecha la lente, y luego el polímero flotará.
Otra cosa importante es usar dos fluidos inmiscibles, lo que significa que no se mezclarán entre sí, como el aceite y el agua.“La mayoría de los polímeros se parecen más a los aceites, por lo que nuestro líquido flotante 'singular' es el agua”, dijo Bercovici.
Pero debido a que el agua tiene una densidad más baja que los polímeros, su densidad debe aumentarse un poco para que el polímero flote.Con este fin, los investigadores también utilizaron materiales menos exóticos: sal, azúcar o glicerina.Bercovici dijo que el componente final del proceso es un marco rígido en el que se inyecta polímero para que se pueda controlar su forma.
Cuando el polímero alcanza su forma final, se cura con radiación ultravioleta y se convierte en una lente sólida.Para hacer el marco, los investigadores utilizaron una tubería de alcantarillado simple, cortada en un anillo, o una placa de Petri cortada desde la parte inferior.“Cualquier niño puede hacerlos en casa, y mis hijas y yo hicimos algunos en casa”, dijo Bercovici.“A lo largo de los años, hemos hecho muchas cosas en el laboratorio, algunas de las cuales son muy complicadas, pero no hay duda de que esta es la cosa más simple y fácil que hemos hecho.Quizás el más importante.”
Frumkin creó su primera toma el mismo día que pensó en la solución.“Me envió una foto por WhatsApp”, recordó Berkovic.“En retrospectiva, esta era una lente muy pequeña y fea, pero estábamos muy contentos”.Frumkin continuó estudiando este nuevo invento.“La ecuación muestra que una vez que eliminas la gravedad, no importa si el marco mide un centímetro o un kilómetro;dependiendo de la cantidad de material, siempre obtendrás la misma forma”.
Los dos investigadores continuaron experimentando con el ingrediente secreto de segunda generación, el cubo de la fregona, y lo utilizaron para crear una lente con un diámetro de 20 cm adecuada para telescopios.El costo de la lente aumenta exponencialmente con el diámetro, pero con este nuevo método, independientemente del tamaño, todo lo que necesita es un polímero barato, agua, sal (o glicerina) y un molde de anillo.
La lista de ingredientes marca un gran cambio en los métodos tradicionales de fabricación de lentes que se han mantenido casi sin cambios durante 300 años.En la etapa inicial del proceso tradicional, una placa de vidrio o plástico se tritura mecánicamente.Por ejemplo, cuando se fabrican lentes para gafas, se desperdicia aproximadamente el 80% del material.Utilizando el método diseñado por Bercovici y Frumkin, en lugar de triturar materiales sólidos, se inyecta líquido en la montura, de modo que la lente se puede fabricar en un proceso completamente libre de residuos.Este método tampoco requiere pulido, porque la tensión superficial del fluido puede asegurar una superficie extremadamente suave.
Haaretz visitó el laboratorio de Technion, donde el estudiante de doctorado Mor Elgarisi hizo una demostración del proceso.Inyectó polímero en un anillo en una pequeña cámara de líquido, lo irradió con una lámpara ultravioleta y me entregó un par de guantes quirúrgicos dos minutos después.Con mucho cuidado sumergí mi mano en el agua y saqué la lente.“Eso es todo, el procesamiento ha terminado”, gritó Berkovic.
Las lentes son absolutamente suaves al tacto.Esto no es solo un sentimiento subjetivo: Bercovici dice que incluso sin pulir, la rugosidad de la superficie de una lente hecha con un método de polímero es menos de un nanómetro (una milmillonésima parte de un metro).“Las fuerzas de la naturaleza crean cualidades extraordinarias por sí mismas y son libres”, dijo.Por el contrario, el vidrio óptico se pule a 100 nanómetros, mientras que los espejos del buque insignia del telescopio espacial James Webb de la NASA se pulen a 20 nanómetros.
Pero no todos creen que este elegante método sea el salvador de miles de millones de personas en todo el mundo.El profesor Ady Arie de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Tel Aviv señaló que el método de Bercovici y Frumkin requiere un molde circular en el que se inyecta polímero líquido, el polímero en sí y una lámpara ultravioleta.
“Estos no están disponibles en las aldeas indias”, señaló.Otro tema planteado por el fundador y vicepresidente de I+D de SPO Precision Optics, Niv Adut, y el director científico de la empresa, el Dr. Doron Sturlesi (ambos familiarizados con el trabajo de Bercovici), es que reemplazar el proceso de esmerilado con moldes de plástico dificultará la adaptación de la lente al necesidades.Su gente.
Berkovic no entró en pánico.“La crítica es una parte fundamental de la ciencia, y nuestro rápido desarrollo durante el último año se debe en gran parte a que los expertos nos empujan a la esquina”, dijo.Respecto a la factibilidad de fabricar en zonas remotas, agregó: “La infraestructura que se requiere para fabricar vidrios con métodos tradicionales es enorme;necesitas fábricas, máquinas y técnicos, y nosotros solo necesitamos la infraestructura mínima”.
Bercovici nos mostró dos lámparas de radiación ultravioleta en su laboratorio: “Esta es de Amazon y cuesta $4, y la otra es de AliExpress y cuesta $1,70.Si no los tiene, siempre puede usar Sunshine”, explicó.¿Qué pasa con los polímeros?“Una botella de 250 ml se vende por $16 en Amazon.La lente promedio requiere de 5 a 10 ml, por lo que el costo del polímero tampoco es un factor real”.
Hizo hincapié en que su método no requiere el uso de moldes únicos para cada número de lente, como afirman los críticos.Un molde simple es adecuado para cada número de lente, explicó: “La diferencia es la cantidad de polímero inyectado, y para hacer un cilindro para las gafas, todo lo que se requiere es estirar un poco el molde”.
Bercovici dijo que la única parte costosa del proceso es la automatización de la inyección de polímeros, que debe hacerse precisamente de acuerdo con la cantidad de lentes requerida.
“Nuestro sueño es tener un impacto en el país con la menor cantidad de recursos”, dijo Bercovici.Aunque se pueden llevar gafas baratas a los pueblos pobres -aunque esto no se ha completado-, su plan es mucho más grande.“Al igual que el famoso proverbio, no quiero darles pescado, quiero enseñarles a pescar.De esta manera, la gente podrá hacer sus propios lentes”, dijo.“¿Tendrá éxito?Solo el tiempo dará la respuesta”.
Bercovici y Frumkin describieron este proceso en un artículo hace unos seis meses en la primera edición de Flow, una revista de aplicaciones de mecánica de fluidos publicada por la Universidad de Cambridge.Pero el equipo no pretende quedarse con simples lentes ópticos.Otro artículo publicado en la revista Optica hace unas semanas describía un nuevo método para fabricar componentes ópticos complejos en el campo de la óptica de forma libre.Estos componentes ópticos no son convexos ni cóncavos, sino que están moldeados en una superficie topográfica y la luz se irradia a la superficie de diferentes áreas para lograr el efecto deseado.Estos componentes se pueden encontrar en gafas multifocales, cascos de piloto, sistemas de proyectores avanzados, sistemas de realidad virtual y aumentada, y otros lugares.
La fabricación de componentes de forma libre utilizando métodos sostenibles es complicada y costosa porque es difícil esmerilar y pulir su superficie.Por lo tanto, estos componentes actualmente tienen usos limitados.“Ha habido publicaciones académicas sobre los posibles usos de tales superficies, pero esto aún no se ha reflejado en aplicaciones prácticas”, explicó Bercovici.En este nuevo artículo, el equipo de laboratorio dirigido por Elgarisi mostró cómo controlar la forma de la superficie creada cuando se inyecta polímero líquido controlando la forma del marco.El marco se puede crear con una impresora 3D.“Ya no hacemos cosas con un cubo de trapeador, pero sigue siendo muy simple”, dijo Bercovici.
Omer Luria, ingeniero investigador del laboratorio, señaló que esta nueva tecnología puede producir rápidamente lentes particularmente suaves con un terreno único.“Esperamos que pueda reducir significativamente el costo y el tiempo de producción de componentes ópticos complejos”, dijo.
El profesor Arie es uno de los editores de Optica, pero no participó en la revisión del artículo.“Este es un muy buen trabajo”, dijo Ali sobre la investigación."Para producir superficies ópticas asféricas, los métodos actuales utilizan moldes o impresión 3D, pero ambos métodos son difíciles de crear superficies lo suficientemente suaves y grandes en un marco de tiempo razonable".Arie cree que el nuevo método ayudará a crear libertad Prototipo de componentes formales.“Para la producción industrial de un gran número de piezas, lo mejor es preparar moldes, pero para probar rápidamente nuevas ideas, este es un método interesante y elegante”, dijo.
SPO es una de las empresas líderes de Israel en el campo de las superficies de forma libre.Según Adut y Sturlesi, el nuevo método tiene ventajas y desventajas.Dicen que el uso de plásticos limita las posibilidades porque no son duraderos a temperaturas extremas y su capacidad para lograr una calidad suficiente en toda la gama de colores es limitada.En cuanto a las ventajas, señalaron que la tecnología tiene el potencial de reducir significativamente el costo de producción de lentes de plástico complejas, que se utilizan en todos los teléfonos móviles.
Adut y Sturlesi agregaron que con los métodos de fabricación tradicionales, el diámetro de las lentes de plástico es limitado porque cuanto más grandes son, menos precisas se vuelven.Dijeron que, según el método de Bercovici, la fabricación de lentes en líquido puede evitar la distorsión, lo que puede crear componentes ópticos muy potentes, ya sea en el campo de las lentes esféricas o de las lentes de forma libre.
El proyecto más inesperado del equipo de Technion fue elegir producir una lente grande.Aquí, todo comenzó con una conversación accidental y una pregunta ingenua.“Se trata de la gente”, dijo Berkovic.Cuando le preguntó a Berkovic, le estaba diciendo al Dr. Edward Baraban, un científico investigador de la NASA, que conocía su proyecto en la Universidad de Stanford y que lo conocía a él en la Universidad de Stanford: “¿Crees que puedes hacer una lente así para un telescopio espacial? ?”
“Parecía una idea loca”, recordó Berkovic, “pero estaba profundamente grabada en mi mente”.Después de que la prueba de laboratorio se completó con éxito, los investigadores israelíes se dieron cuenta de que el método podría usarse en el espacio. Funciona de la misma manera.Después de todo, puede lograr condiciones de microgravedad allí sin necesidad de líquidos flotantes.“Llamé a Edward y le dije, ¡funciona!”
Los telescopios espaciales tienen grandes ventajas sobre los telescopios terrestres porque no se ven afectados por la contaminación atmosférica o lumínica.El mayor problema con el desarrollo de telescopios espaciales es que su tamaño está limitado por el tamaño del lanzador.En la Tierra, los telescopios tienen actualmente un diámetro de hasta 40 metros.El telescopio espacial Hubble tiene un espejo de 2,4 metros de diámetro, mientras que el telescopio James Webb tiene un espejo de 6,5 metros de diámetro. Los científicos tardaron 25 años en lograr este logro, con un costo de 9 mil millones de dólares estadounidenses, en parte porque un sistema necesita ser desarrollado que puede lanzar el telescopio en una posición plegada y luego abrirlo automáticamente en el espacio.
Por otro lado, Liquid ya está en un estado "doblado".Por ejemplo, puede llenar el transmisor con metal líquido, agregar un mecanismo de inyección y un anillo de expansión y luego hacer un espejo en el espacio.“Esto es una ilusión”, admitió Berkovic.“Mi madre me preguntó: '¿Cuándo estarás listo?Le dije: 'Tal vez en unos 20 años.Ella dijo que no tenía tiempo para esperar”.
Si este sueño se hace realidad, puede cambiar el futuro de la investigación espacial.Hoy, Berkovic señaló que los humanos no tienen la capacidad de observar directamente exoplanetas, planetas fuera del sistema solar, porque hacerlo requiere un telescopio terrestre 10 veces más grande que los telescopios existentes, lo cual es completamente imposible con la tecnología existente.
Por otro lado, Bercovici agregó que el Falcon Heavy, actualmente el lanzador espacial más grande de SpaceX, puede transportar 20 metros cúbicos de líquido.Explicó que, en teoría, Falcon Heavy podría usarse para lanzar un líquido a un punto orbital, donde el líquido podría usarse para hacer un espejo de 75 metros de diámetro: el área de superficie y la luz recolectada serían 100 veces más grandes que este último. .Telescopio James Webb.
Este es un sueño, y llevará mucho tiempo realizarlo.Pero la NASA se lo está tomando en serio.Junto con un equipo de ingenieros y científicos del Centro de Investigación Ames de la NASA, dirigido por Balaban, la tecnología se está probando por primera vez.
A fines de diciembre, un sistema desarrollado por el equipo del laboratorio Bercovici se enviará a la Estación Espacial Internacional, donde se llevarán a cabo una serie de experimentos que permitirán a los astronautas fabricar y curar lentes en el espacio.Antes de eso, se realizarán experimentos en Florida este fin de semana para probar la viabilidad de producir lentes de alta calidad bajo microgravedad sin necesidad de ningún líquido flotante.
El Fluid Telescope Experiment (FLUTE) se llevó a cabo en un avión de gravedad reducida: se quitaron todos los asientos de este avión para entrenar a los astronautas y filmar escenas de gravedad cero en películas.Al maniobrar en forma de antiparábola -ascendiendo y luego cayendo libremente- se crean condiciones de microgravedad en la aeronave durante un corto período de tiempo.“Se llama 'cometa vómito' por una buena razón”, dijo Berkovic con una sonrisa.La caída libre dura unos 20 segundos, en los que la gravedad de la aeronave es cercana a cero.Durante este período, los investigadores intentarán hacer una lente líquida y tomarán medidas para demostrar que la calidad de la lente es lo suficientemente buena, luego el plano se vuelve recto, la gravedad se restaura por completo y la lente se convierte en un charco.
El experimento está programado para dos vuelos el jueves y el viernes, cada uno con 30 parábolas.Bercovici y la mayoría de los miembros del equipo de laboratorio, incluidos Elgarisi y Luria, y Frumkin del Instituto Tecnológico de Massachusetts estarán presentes.
Durante mi visita al laboratorio Technion, la emoción fue abrumadora.Hay 60 cajas de cartón en el suelo, que contienen 60 pequeños kits de fabricación propia para experimentos.Luria está realizando mejoras finales y de última hora en el sistema experimental computarizado que desarrolló para medir el rendimiento de las lentes.
Al mismo tiempo, el equipo está realizando ejercicios de cronometraje antes de los momentos críticos.Un equipo se paró allí con un cronómetro y los demás tenían 20 segundos para hacer un tiro.En la propia aeronave, las condiciones serán aún peores, especialmente después de varias caídas libres y elevaciones hacia arriba con mayor gravedad.
No es solo el equipo de Technion el que está emocionado.Baraban, el investigador principal del Experimento Flauta de la NASA, le dijo a Haaretz: “El método de modelado de fluidos puede resultar en poderosos telescopios espaciales con aperturas de decenas o incluso cientos de metros.Por ejemplo, estos telescopios pueden observar directamente los alrededores de otras estrellas.Planet, facilita el análisis de alta resolución de su atmósfera e incluso puede identificar características superficiales a gran escala.Este método también puede dar lugar a otras aplicaciones espaciales, como componentes ópticos de alta calidad para la recolección y transmisión de energía, instrumentos científicos y fabricación espacial de equipos médicos, lo que desempeña un papel importante en la economía espacial emergente”.
Poco antes de subir al avión y emprender la aventura de su vida, Berkovic se detuvo un momento sorprendido.“Sigo preguntándome por qué nadie pensó en esto antes”, dijo.“Cada vez que voy a una conferencia, tengo miedo de que alguien se levante y diga que unos investigadores rusos hicieron esto hace 60 años.Después de todo, es un método tan simple.”
Hora de publicación: 21-dic-2021