Moran Bercovici 교수와 Valeri Frumkin 박사는 광학 렌즈 제조를 위한 저렴한 기술을 개발했으며, 안경을 구할 수 없는 많은 개발도상국에서 안경 생산이 가능합니다.이제 NASA는 우주 망원경을 만드는 데 사용할 수 있다고 말합니다.
과학은 일반적으로 작은 단계로 발전합니다.각각의 새로운 실험에 작은 정보가 추가됩니다.과학자의 머릿속에 떠오른 단순한 아이디어가 어떤 기술도 사용하지 않고 획기적인 돌파구로 이어지는 경우는 드뭅니다.그러나 이것은 광학 렌즈를 제조하는 새로운 방법을 개발한 두 명의 이스라엘 엔지니어에게 일어난 일입니다.
이 시스템은 간단하고 저렴하며 정확하며 세계 인구의 최대 3분의 1에 엄청난 영향을 미칠 수 있습니다.그것은 또한 우주 연구의 얼굴을 바꿀 수도 있습니다.그것을 디자인하기 위해 연구원은 화이트 보드, 마커, 지우개 및 약간의 운만 있으면됩니다.
하이파에 있는 Technion-Israel Institute of Technology 기계공학과의 Moran Bercovici 교수와 Valeri Frumkin 박사는 광학이 아닌 유체 역학을 전문으로 합니다.그러나 1년 반 전 상하이에서 열린 세계 수상자 포럼에서 베르코비치는 우연히 이스라엘 경제학자 데이비드 지베르만과 함께 앉았다.
Zilberman은 Wolf Prize 수상자이며 현재 버클리 캘리포니아 대학교에서 개발도상국에서의 자신의 연구에 대해 이야기했습니다.Bercovici는 그의 유체 실험을 설명했습니다.그런 다음 Ziberman은 간단한 질문을 했습니다. "이것을 안경을 만드는 데 사용할 수 있습니까?"
Berkovic은 "개발 도상국을 생각할 때 일반적으로 말라리아, 전쟁, 기아를 생각합니다.“그러나 Ziberman은 내가 전혀 알지 못하는 것을 말했습니다. 세계의 25억 인구는 안경이 필요하지만 구할 수 없습니다.이것은 놀라운 수치입니다.”
Bercovici는 집으로 돌아와 세계 경제 포럼의 보고서가 이 수치를 확인했다는 것을 발견했습니다.간단한 안경을 만드는 데 몇 달러만 들지만 세계 대부분의 지역에서는 값싼 안경을 제조하거나 판매하지 않습니다.
학교에서 칠판을 볼 수 없는 어린이부터 시력이 너무 나빠서 직장을 잃는 성인에 이르기까지 그 영향은 큽니다.사람들의 삶의 질을 해치는 것 외에도 세계 경제의 비용은 연간 3조 달러에 달하는 것으로 추산됩니다.
대화가 끝난 후 Berkovic은 밤에 잠을 잘 수 없었습니다.Technion에 도착했을 때 그는 당시 그의 연구실에서 박사후 연구원이었던 Frumkin과 이 문제에 대해 논의했습니다.
그는 “화이트보드에 한 컷을 찍어서 살펴봤다”고 회상했다."우리는 우리의 유체 제어 기술로 이 모양을 만들 수 없다는 것을 본능적으로 알고 있으며 그 이유를 알고 싶습니다."
구면은 렌즈를 구성하기 때문에 광학의 기본입니다.이론적으로 Bercovici와 Frumkin은 폴리머(고화된 액체)로 둥근 돔을 만들어 렌즈를 만들 수 있다는 것을 알고 있었습니다.그러나 액체는 작은 부피에서만 구형으로 남을 수 있습니다.그것들이 더 크면 중력이 그들을 웅덩이로 부수게 될 것입니다.
"그래서 우리가 해야 할 일은 중력을 없애야 합니다."라고 Bercovici가 설명했습니다.그리고 이것이 바로 그와 Frumkin이 한 일입니다.화이트보드를 연구한 후 Frumkin은 매우 간단한 아이디어를 생각해 냈지만 이전에 아무도 생각하지 못했던 이유는 명확하지 않습니다. 렌즈를 액체 챔버에 넣으면 중력의 영향을 제거할 수 있습니다.챔버의 액체(부력 액체라고 함)가 렌즈를 만드는 폴리머와 밀도가 같은지 확인하기만 하면 폴리머가 뜨게 됩니다.
또 다른 중요한 것은 섞이지 않는 두 가지 유체를 사용하는 것입니다. 즉, 기름과 물과 같이 서로 섞이지 않습니다.Bercovici는 "대부분의 폴리머는 오일과 비슷하므로 우리의 '단일' 부력 액체는 물입니다."라고 말했습니다.
그러나 물은 폴리머보다 밀도가 낮기 때문에 폴리머가 뜰 수 있도록 밀도를 약간 높여야 합니다.이를 위해 연구원들은 소금, 설탕 또는 글리세린과 같은 덜 이국적인 물질도 사용했습니다.Bercovici는 프로세스의 최종 구성 요소는 폴리머가 그 형태를 제어할 수 있도록 주입되는 단단한 프레임이라고 말했습니다.
폴리머가 최종 형태에 도달하면 자외선을 사용하여 경화되어 솔리드 렌즈가 됩니다.프레임을 만들기 위해 연구원들은 단순한 하수관을 사용하거나 고리 모양으로 자르거나 바닥에서 자른 페트리 접시를 사용했습니다.Bercovici는“모든 어린이가 집에서 만들 수 있으며 내 딸과 나는 집에서 일부를 만들었습니다.“수년에 걸쳐 우리는 실험실에서 많은 일을 했고 그 중 일부는 매우 복잡했지만 이것이 우리가 한 일 중 가장 간단하고 쉬운 일이라는 데는 의심의 여지가 없습니다.아마도 가장 중요할 것입니다.”
Frumkin은 해결책을 생각한 바로 그 날 첫 번째 장면을 만들었습니다.Berkovic은 "그는 나에게 WhatsApp에서 사진을 보냈습니다."돌이켜보면 아주 작고 못생긴 렌즈였지만 우리는 매우 기뻤습니다."Frumkin은 이 새로운 발명을 계속 연구했습니다."방정식에 따르면 중력을 제거하면 프레임이 1센티미터인지 1킬로미터인지는 중요하지 않습니다.재료의 양에 따라 항상 같은 모양을 얻을 수 있습니다."
두 연구원은 2세대 비밀 재료인 걸레통을 계속 실험해 망원경에 적합한 지름 20cm의 렌즈를 만들었다.렌즈의 비용은 직경에 따라 기하급수적으로 증가하지만 이 새로운 방법을 사용하면 크기에 관계없이 값싼 폴리머, 물, 소금(또는 글리세린) 및 링 몰드만 있으면 됩니다.
성분 목록은 300년 동안 거의 변하지 않은 전통적인 렌즈 제조 방법의 큰 변화를 나타냅니다.기존 공정의 초기 단계에서는 유리 또는 플라스틱 판을 기계적으로 연마합니다.예를 들어, 안경 렌즈를 제조할 때 재료의 약 80%가 낭비됩니다.Bercovici와 Frumkin이 고안한 방법을 사용하여 고체 재료를 연마하는 대신 프레임에 액체를 주입하여 완전히 폐기물 없는 공정으로 렌즈를 제조할 수 있습니다.이 방법은 또한 연마가 필요하지 않습니다. 왜냐하면 유체의 표면 장력이 극도로 매끄러운 표면을 보장할 수 있기 때문입니다.
Haaretz는 Technion의 연구실을 방문하여 박사 과정 학생인 Mor Elgarisi가 과정을 시연했습니다.그는 작은 액체 챔버의 링에 폴리머를 주입하고 UV 램프로 조사하고 2분 후에 수술용 장갑 한 켤레를 나에게 건네주었습니다.나는 아주 조심스럽게 손을 물에 담그고 렌즈를 꺼냈다.Berkovic이 소리쳤습니다.
렌즈는 터치에 절대적으로 매끄 럽습니다.이것은 단지 주관적인 느낌이 아닙니다. Bercovici는 폴리싱을 하지 않아도 폴리머 방식으로 만든 렌즈의 표면 거칠기가 1나노미터(10억분의 1미터) 미만이라고 말합니다.“자연의 힘은 스스로 특별한 특성을 만들어내며 자유롭습니다.”라고 그는 말했습니다.대조적으로, 광학 유리는 100나노미터로 연마되는 반면, NASA의 주력 제임스 웹 우주 망원경의 거울은 20나노미터로 연마됩니다.
그러나 이 우아한 방법이 전 세계 수십억 명의 구원자가 될 것이라고 모든 사람이 믿는 것은 아닙니다.텔아비브 대학교 전기공학부의 Ady Arie 교수는 Bercovici와 Frumkin의 방법은 액체 폴리머가 주입되는 원형 몰드, 폴리머 자체 및 자외선 램프가 필요하다고 지적했다.
“이것은 인디언 마을에서 사용할 수 없습니다.”라고 그는 지적했습니다.SPO Precision Optics 설립자이자 R&D Niv Adut의 부사장과 회사의 수석 과학자 Doron Sturlesi 박사(둘 모두 Bercovici의 작업에 익숙함)가 제기한 또 다른 문제는 연삭 공정을 플라스틱 주물로 대체하면 렌즈를 필요.그 사람들.
베르코비치는 당황하지 않았습니다."비판은 과학의 근본적인 부분이며, 지난 1년 동안 우리의 급속한 발전은 주로 전문가들이 우리를 궁지로 몰아넣었기 때문입니다."라고 그는 말했습니다.그는 외딴 지역에서의 제조 가능성과 관련하여 다음과 같이 덧붙였습니다. “전통적인 방법으로 안경을 제조하는 데 필요한 인프라는 거대합니다.공장, 기계, 기술자가 필요하고 최소한의 인프라만 있으면 됩니다."
Bercovici는 그의 연구실에서 두 개의 자외선 램프를 보여주었습니다.없으면 언제든지 Sunshine을 사용할 수 있습니다”라고 설명했습니다.폴리머는 어떻습니까?“아마존에서 250ml 병이 16달러에 팔립니다.평균 렌즈는 5~10ml가 필요하므로 폴리머 비용도 실제 요인이 아닙니다."
그는 그의 방법이 비평가들의 주장처럼 각 렌즈 번호에 대해 고유한 주형을 사용할 필요가 없다고 강조했습니다.렌즈 번호마다 간단한 몰드가 적당하다”며 “주입된 폴리머의 양에 차이가 있는데, 유리용 실린더를 만들기 위해서는 몰드를 조금 늘리기만 하면 된다”고 설명했다.
Bercovici는 프로세스의 유일한 값비싼 부분은 폴리머 주입의 자동화이며 필요한 렌즈 수에 따라 정확하게 수행되어야 한다고 말했습니다.
Bercovici는 "우리의 꿈은 자원이 가장 적은 국가에서 영향력을 미치는 것입니다."라고 말했습니다.가난한 마을에 값싼 안경을 가져올 수는 있지만-이것이 완료되지는 않았지만- 그의 계획은 훨씬 더 큽니다.“그 유명한 속담처럼 나는 그들에게 물고기를 주고 싶은 것이 아니라 물고기 잡는 법을 가르치고 싶습니다.이런 식으로 사람들이 자신의 안경을 만들 수 있게 될 것”이라고 말했다."성공할까?시간만이 답을 줄 것이다.”
Bercovici와 Frumkin은 약 6개월 전 캠브리지 대학에서 발행한 유체 역학 응용 저널인 Flow의 초판에서 이 과정을 설명했습니다.그러나 팀은 단순한 광학 렌즈에 머물지 않을 것입니다.몇 주 전에 Optica 잡지에 발표된 또 다른 논문에서는 자유형 광학 분야에서 복잡한 광학 부품을 제조하는 새로운 방법에 대해 설명했습니다.이러한 광학 부품은 볼록하거나 오목하지 않지만 지형면으로 성형되며 원하는 효과를 얻기 위해 다른 영역의 표면에 빛을 조사합니다.이러한 구성 요소는 다초점 안경, 파일럿 헬멧, 고급 프로젝터 시스템, 가상 및 증강 현실 시스템 및 기타 장소에서 찾을 수 있습니다.
지속 가능한 방법을 사용하여 자유형 구성 요소를 제조하는 것은 표면적을 연마하고 연마하기 어렵기 때문에 복잡하고 비용이 많이 듭니다.따라서 이러한 구성 요소는 현재 사용이 제한적입니다.Bercovici는 "이러한 표면의 가능한 용도에 대한 학술 출판물이 있었지만 아직 실제 적용에 반영되지 않았습니다"라고 설명했습니다.이번 새 논문에서 엘가리시가 이끄는 연구실 팀은 프레임의 형태를 제어해 고분자 액체를 주입할 때 생기는 표면 형태를 제어하는 방법을 보여주었다.프레임은 3D 프린터를 사용하여 만들 수 있습니다.Bercovici는 "더 이상 걸레 양동이로 작업을 수행하지 않지만 여전히 매우 간단합니다."라고 말했습니다.
연구소의 연구원인 Omer Luria는 이 새로운 기술이 독특한 지형을 가진 특히 부드러운 렌즈를 빠르게 생산할 수 있다고 지적했습니다.“복잡한 광학 부품의 비용과 생산 시간을 크게 줄일 수 있기를 바랍니다.”라고 그는 말했습니다.
Arie 교수는 Optica의 편집자 중 한 명이지만 기사 검토에는 참여하지 않았습니다.Ali는 연구에 대해 "이것은 매우 좋은 일입니다."라고 말했습니다."비구면 광학 표면을 생성하기 위해 현재 방법은 금형 또는 3D 프린팅을 사용하지만 두 방법 모두 합리적인 시간 프레임 내에 충분히 매끄럽고 큰 표면을 생성하기 어렵습니다."Arie는 새로운 방법이 형식 구성 요소의 프로토타입을 만드는 데 도움이 될 것이라고 믿습니다.그는 “많은 수의 부품을 산업적으로 생산하려면 금형을 준비하는 것이 가장 좋지만 새로운 아이디어를 빠르게 테스트하기 위해서는 흥미롭고 우아한 방법”이라고 말했다.
SPO는 자유형 표면 분야에서 이스라엘의 선두 기업 중 하나입니다.Adut과 Sturlesi에 따르면 새로운 방법에는 장점과 단점이 있습니다.그들은 플라스틱을 사용하면 극한의 온도에서 내구성이 없고 전체 색상 범위에서 충분한 품질을 얻을 수 있는 능력이 제한되기 때문에 가능성이 제한된다고 말합니다.장점으로는 모든 휴대폰에 사용되는 복잡한 플라스틱 렌즈의 원가를 획기적으로 낮출 수 있는 기술이라고 지적했다.
Adut과 Sturlesi는 전통적인 제조 방법으로 플라스틱 렌즈의 직경이 제한적이라고 덧붙였습니다. 왜냐하면 플라스틱 렌즈가 클수록 정확도가 떨어지기 때문입니다.그들은 Bercovici의 방법에 따르면 액체로 렌즈를 제조하면 구면 렌즈 또는 자유형 렌즈 분야에서 매우 강력한 광학 부품을 생성할 수 있는 왜곡을 방지할 수 있다고 말했습니다.
Technion 팀의 가장 예상치 못한 프로젝트는 대형 렌즈를 생산하기로 선택하는 것이었습니다.여기서 모든 것은 우연한 대화와 순진한 질문으로 시작되었습니다.Berkovic은 “모든 것이 사람에 관한 것입니다.그가 Berkovic에게 물었을 때 그는 NASA 연구 과학자인 Dr. Edward Baraban에게 스탠포드 대학에서 자신의 프로젝트를 알고 있으며 스탠포드 대학에서 그를 알고 있다고 말했습니다. ?”
Berkovic은 이렇게 회상했습니다.실험실 테스트가 성공적으로 완료된 후, 이스라엘 연구원들은 이 방법이 우주에서도 같은 방식으로 작동한다는 것을 깨달았습니다.결국, 부력 액체 없이도 미세 중력 조건을 달성할 수 있습니다."나는 에드워드에게 전화를 걸어 효과가 있다고 말했습니다!"
우주 망원경은 대기 또는 빛 공해의 영향을 받지 않기 때문에 지상 망원경에 비해 큰 장점이 있습니다.우주망원경 개발의 가장 큰 문제점은 발사체의 크기에 따라 크기가 제한된다는 점이다.지구에서 망원경은 현재 직경이 최대 40미터입니다.허블 우주 망원경에는 직경 2.4미터의 거울이 있는 반면 제임스 웹 망원경에는 직경 6.5미터의 거울이 있습니다. 접힌 상태에서 망원경을 발사한 다음 우주에서 자동으로 열 수 있도록 개발되었습니다.
반면에 Liquid는 이미 "접힌" 상태입니다.예를 들어 송신기를 액체 금속으로 채우고 주입 메커니즘과 확장 링을 추가한 다음 우주에 거울을 만들 수 있습니다.Berkovic은 "이것은 환상입니다."라고 인정했습니다.“어머니가 '언제 준비하실 겁니까?나는 그녀에게 '아마 약 20년 후에.그녀는 기다릴 시간이 없다고 말했다."
이 꿈이 이루어진다면 우주 연구의 미래가 바뀔지도 모릅니다.오늘날 Berkovic은 인간이 태양계 밖의 행성을 직접 관찰할 수 있는 능력이 없다고 지적했습니다. 그렇게 하려면 기존 망원경보다 10배 더 큰 지구 망원경이 필요하기 때문입니다. 이는 기존 기술로는 완전히 불가능합니다.
한편, Bercovici는 현재 가장 큰 우주 발사기 SpaceX인 Falcon Heavy가 20입방미터의 액체를 실을 수 있다고 덧붙였습니다.그는 이론적으로 Falcon Heavy를 사용하여 궤도 지점으로 액체를 발사할 수 있다고 설명했습니다. 여기서 액체는 75미터 직경의 거울을 만드는 데 사용할 수 있습니다. 표면적과 수집된 빛은 후자보다 100배 더 큽니다. .제임스 웹 망원경.
이것은 꿈이고 그것을 실현하는 데 오랜 시간이 걸릴 것입니다.그러나 NASA는 이를 심각하게 받아들이고 있습니다.Balaban이 이끄는 NASA Ames Research Center의 엔지니어 및 과학자 팀과 함께 이 기술은 처음으로 시도되고 있습니다.
12월 말, Bercovici 연구소 팀이 개발한 시스템은 국제 우주 정거장으로 보내져 우주 비행사가 우주에서 렌즈를 제조하고 치료할 수 있도록 하는 일련의 실험이 수행됩니다.그 전에 이번 주말 플로리다에서 실험을 수행하여 부력 액체 없이도 미세 중력 하에서 고품질 렌즈를 생산할 수 있는지 테스트할 예정입니다.
유체 망원경 실험(FLUTE)은 중력이 감소된 항공기에서 수행되었습니다. 이 항공기의 모든 좌석은 우주 비행사를 훈련하고 영화에서 무중력 장면을 촬영하기 위해 제거되었습니다.반포물선-상승 및 자유 낙하의 형태로 기동함으로써 짧은 시간 동안 항공기에 미세 중력 조건이 생성됩니다.Berkovic은 미소를 지으며 이렇게 말했습니다.자유 낙하는 항공기의 중력이 0에 가까운 약 20초 동안 지속됩니다.이 기간 동안 연구원들은 액체 렌즈를 만들고 측정을 통해 렌즈의 품질이 충분히 좋다는 것을 증명하고 평면이 직선이 되고 중력이 완전히 회복되고 렌즈가 웅덩이가 된다는 것을 증명하려고 합니다.
실험은 목요일과 금요일에 각각 30개의 포물선이 있는 2개의 비행으로 예정되어 있습니다.Bercovici와 Elgarisi와 Luria를 포함한 대부분의 실험실 팀 구성원과 Massachusetts Institute of Technology의 Frumkin이 참석할 것입니다.
Technion 연구소를 방문하는 동안 흥분이 압도적이었습니다.바닥에는 60개의 판지 상자가 있으며 여기에는 실험을 위한 60개의 자체 제작 소형 키트가 들어 있습니다.Luria는 렌즈 성능을 측정하기 위해 개발한 컴퓨터 실험 시스템을 마지막 순간에 개선하고 있습니다.
동시에 팀은 중요한 순간 전에 타이밍 연습을 수행하고 있습니다.한 팀은 스톱워치를 들고 서 있었고 다른 팀은 20초의 시간을 주었습니다.항공기 자체의 상태는 특히 증가된 중력 하에서 여러 번 자유 낙하하고 위로 들어 올린 후 상황이 더욱 악화됩니다.
설레는 건 테크니온 팀뿐만이 아니다.NASA의 플루트 실험의 수석 연구원인 Baraban은 Haaretz에게 "유체 성형 방법은 수십 또는 수백 미터의 구경을 가진 강력한 우주 망원경을 만들 수 있습니다.예를 들어, 그러한 망원경은 다른 별의 주변을 직접 관찰할 수 있습니다.행성은 대기의 고해상도 분석을 용이하게 하고 대규모 표면 특징을 식별할 수도 있습니다.이 방법은 또한 에너지 수확 및 전송을 위한 고품질 광학 부품, 과학 기기 및 의료 장비 우주 제조와 같은 다른 우주 응용 분야로 이어질 수 있으므로 신흥 우주 경제에서 중요한 역할을 합니다.”
비행기에 탑승하고 인생의 모험을 떠나기 직전, Berkovic은 깜짝 놀라 잠시 멈췄습니다.“왜 아무도 전에 이것을 생각하지 않았는지 스스로에게 계속 묻고 있습니다.”라고 그는 말했습니다.“컨퍼런스에 갈 때마다 누군가가 일어나서 일부 러시아 연구원들이 60년 전에 이것을 했다고 말할까봐 두렵습니다.결국, 그것은 매우 간단한 방법입니다.”
게시 시간: 2021년 12월 21일