המצאה ישראלית פשוטה יכולה לעזור ל-2.5 מיליארד אנשים

פרופ' מורן ברקוביץ' וד"ר ולרי פרומקין פיתחו טכנולוגיה זולה לייצור עדשות אופטיות, וניתן לייצר משקפיים למדינות מתפתחות רבות שבהן אין משקפיים.כעת, נאס"א אומרת שניתן להשתמש בו לייצור טלסקופי חלל
המדע בדרך כלל מתקדם בצעדים קטנים.לכל ניסוי חדש מתווספת פיסת מידע קטנה.נדיר שרעיון פשוט המופיע במוחו של מדען מוביל לפריצת דרך גדולה ללא שימוש בטכנולוגיה כלשהי.אבל זה מה שקרה לשני מהנדסים ישראלים שפיתחו שיטה חדשה לייצור עדשות אופטיות.
המערכת פשוטה, זולה ומדויקת, ויכולה להיות בעלת השפעה עצומה על עד שליש מאוכלוסיית העולם.זה עשוי גם לשנות את פניו של חקר החלל.כדי לעצב אותו, החוקרים צריכים רק לוח לבן, טוש, מחק וקצת מזל.
פרופסור מורן ברקוביץ' וד"ר ולרי פרומקין מהמחלקה להנדסת מכונות בטכניון-מכון טכנולוגי בחיפה מתמחים במכניקת נוזלים, לא באופטיקה.אבל לפני שנה וחצי, בפורום זוכי הפרס העולמי בשנחאי, ישב ברקוביץ' במקרה עם דיוויד זיברמן, כלכלן ישראלי.
זילברמן הוא זוכה פרס וולף, וכעת באוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, הוא דיבר על מחקריו במדינות מתפתחות.ברקוביץ' תיאר את הניסוי הנוזל שלו.ואז זיברמן שאל שאלה פשוטה: "האם אתה יכול להשתמש בזה כדי ליצור משקפיים?"
"כשאתה חושב על מדינות מתפתחות, אתה בדרך כלל חושב על מלריה, מלחמה, רעב", אמר ברקוביץ'."אבל זיברמן אמר משהו שאני לא יודע בכלל - 2.5 מיליארד אנשים בעולם צריכים משקפיים אבל לא יכולים להשיג אותם.זה מספר מדהים".
ברקוביץ' חזר הביתה ומצא שדו"ח מהפורום הכלכלי העולמי אישר את המספר הזה.למרות שעולה רק כמה דולרים לייצר זוג משקפיים פשוטים, משקפיים זולים לא מיוצרים ולא נמכרים ברוב חלקי העולם.
ההשפעה היא עצומה, החל מילדים שאינם יכולים לראות את הלוח בבית הספר ועד למבוגרים שראייתם מתדרדרת עד כדי כך שהם מאבדים את מקום עבודתם.בנוסף לפגיעה באיכות החיים של אנשים, העלות של הכלכלה העולמית מוערכת ב-3 טריליון דולר בשנה.
לאחר השיחה, ברקוביץ' לא הצליח לישון בלילה.כשהגיע לטכניון הוא שוחח על הנושא הזה עם פרומקין, שהיה אז חוקר פוסט-דוקטורט במעבדתו.
"ציירנו צילום על הלוח הלבן והסתכלנו עליו", הוא נזכר."אנחנו יודעים אינסטינקטיבית שאנחנו לא יכולים ליצור את הצורה הזו עם טכנולוגיית בקרת הנוזלים שלנו, ואנחנו רוצים לגלות למה."
הצורה הכדורית היא הבסיס של האופטיקה מכיוון שהעדשה עשויה מהם.בתיאוריה, ברקוביץ' ופרוםקין ידעו שהם יכולים ליצור כיפה עגולה מפולימר (נוזל שהתמצק) כדי ליצור עדשה.אבל נוזלים יכולים להישאר כדוריים רק בנפחים קטנים.כשהם גדולים יותר, כוח הכבידה ימעך אותם לשלוליות.
"אז מה שאנחנו צריכים לעשות זה להיפטר מכוח המשיכה", הסביר ברקוביץ'.וזה בדיוק מה שהוא ופרוםקין עשו.לאחר לימוד הלוח הלבן שלהם, פרומקין הגה רעיון מאוד פשוט, אבל לא ברור למה אף אחד לא חשב על זה קודם - אם העדשה ממוקמת בתא נוזלי, ניתן לבטל את השפעת כוח הכבידה.כל שעליכם לעשות הוא לוודא שלנוזל בתא (הנקרא הנוזל הציפה) יש צפיפות זהה לפולימר שממנו עשויה העדשה, ואז הפולימר יצוף.
דבר חשוב נוסף הוא להשתמש בשני נוזלים בלתי ניתנים לערבב, כלומר הם לא יתערבבו זה עם זה, כמו שמן ומים."רוב הפולימרים דומים יותר לשמנים, כך שהנוזל הצף 'היחיד' שלנו הוא מים," אמר ברקוביץ'.
אבל מכיוון שלמים יש צפיפות נמוכה יותר מפולימרים, יש להגביר מעט את הצפיפות שלהם כדי שהפולימר יצוף.לשם כך, החוקרים השתמשו גם בחומרים אקזוטיים פחות - מלח, סוכר או גליצרין.ברקוביץ' אמר כי המרכיב הסופי של התהליך הוא מסגרת קשיחה שאליה מוזרק פולימר כך שניתן לשלוט בצורתו.
כאשר הפולימר מגיע לצורתו הסופית, הוא נרפא באמצעות קרינה אולטרה סגולה והופך לעדשה מוצקה.להכנת המסגרת השתמשו החוקרים בצינור ביוב פשוט, חתוך לטבעת, או בצלחת פטרי חתוכה מלמטה."כל ילד יכול להכין אותם בבית, והבנות שלי ואני הכנו כמה בבית", אמר ברקוביץ'.“לאורך השנים עשינו הרבה דברים במעבדה, חלקם מאוד מסובכים, אבל אין ספק שזה הדבר הכי פשוט וקל שעשינו.אולי הכי חשוב".
פרומקין יצר את הזריקה הראשונה שלו באותו יום שחשב על הפתרון."הוא שלח לי תמונה בווטסאפ", נזכר ברקוביץ'."בדיעבד, זו הייתה עדשה מאוד קטנה ומכוערת, אבל היינו מאוד שמחים".פרומקין המשיך לחקור את ההמצאה החדשה הזו."המשוואה מראה שברגע שמסירים את כוח הכבידה, זה לא משנה אם המסגרת היא סנטימטר אחד או קילומטר אחד;בהתאם לכמות החומר, תמיד תקבל את אותה צורה."
שני החוקרים המשיכו להתנסות במרכיב הסודי מהדור השני, דלי המגב, ויצרו באמצעותו עדשה בקוטר 20 ס"מ המתאימה לטלסקופים.עלות העדשה עולה באופן אקספוננציאלי עם הקוטר, אבל בשיטה החדשה הזו, ללא קשר לגודל, כל מה שאתה צריך זה פולימר זול, מים, מלח (או גליצרין) ותבנית טבעת.
רשימת הרכיבים מסמנת שינוי עצום בשיטות הייצור המסורתיות של עדשות שנותרו כמעט ללא שינוי במשך 300 שנה.בשלב הראשוני של התהליך המסורתי טחינה מכנית צלחת זכוכית או פלסטיק.למשל, בייצור עדשות משקפיים כ-80% מהחומר מתבזבז.בשיטה שתכננו ברקוביץ' ופרוםקין, במקום לטחון חומרים מוצקים, מוזרק נוזל למסגרת, כך שניתן לייצר את העדשה בתהליך נטול פסולת לחלוטין.שיטה זו גם אינה מצריכה ליטוש, כי מתח הפנים של הנוזל יכול להבטיח משטח חלק במיוחד.
"הארץ" ביקר במעבדה של הטכניון, שם הדגים הדוקטורנט מור אלגריסי את התהליך.הוא הזריק פולימר לטבעת בתא נוזל קטן, הקרין אותה במנורת UV והושיט לי זוג כפפות ניתוח כעבור שתי דקות.בזהירות רבה טבלתי את ידי במים ושלפתי את העדשה."זהו, העיבוד הסתיים," צעק ברקוביץ'.
העדשות חלקות לחלוטין למגע.זו לא רק תחושה סובייקטיבית: ברקוביץ' אומר שגם ללא ליטוש, חספוס פני השטח של עדשה שנעשתה בשיטת פולימר הוא פחות מננומטר אחד (מיליארדית המטר)."איתני הטבע יוצרים תכונות יוצאות דופן בעצמם, והם חופשיים", אמר.לעומת זאת, זכוכית אופטית מלוטשת ל-100 ננומטר, בעוד המראות של ספינת הדגל של נאס"א טלסקופ החלל ג'יימס ווב מלוטשות ל-20 ננומטר.
אבל לא כולם מאמינים שהשיטה האלגנטית הזו תהיה המושיעה של מיליארדי אנשים ברחבי העולם.פרופסור עדי אריה מבית הספר להנדסת חשמל באוניברסיטת תל אביב ציין כי שיטת ברקוביץ' ופרומקין דורשת תבנית עגולה אליה מוזרק פולימר נוזלי, הפולימר עצמו ומנורה אולטרה סגולה.
"אלה אינם זמינים בכפרים אינדיאנים," הוא ציין.סוגיה נוספת שהועלתה על ידי מייסד וסמנכ"ל מו"פ של SPO Precision Optics ניב עדות והמדען הראשי של החברה ד"ר דורון סטרלסי (שניהם מכירים את עבודתו של ברקוביץ') היא שהחלפת תהליך ההשחזה ביציקות פלסטיק תקשה על התאמת העדשה ל- צרכי.האנשים שלה.
ברקוביץ' לא נבהל."ביקורת היא חלק מהותי מהמדע, וההתפתחות המהירה שלנו בשנה האחרונה נובעת בעיקר ממומחים שדחפו אותנו לפינה", אמר.לגבי כדאיות ייצור באזורים מרוחקים הוסיף: "התשתית הנדרשת לייצור משקפיים בשיטות מסורתיות היא עצומה;אתה צריך מפעלים, מכונות וטכנאים, ואנחנו צריכים רק את התשתית המינימלית".
ברקוביץ' הראה לנו שתי מנורות קרינה אולטרה סגולות במעבדה שלו: "זו מאמזון ועולה 4 דולר, והשנייה של אליאקספרס ועולה 1.70 דולר.אם אין לך אותם, אתה תמיד יכול להשתמש בסאנשיין", הסביר.מה לגבי פולימרים?"בקבוק של 250 מ"ל נמכר ב-$16 באמזון.העדשה הממוצעת דורשת 5 עד 10 מ"ל, כך שגם עלות הפולימר אינה גורם אמיתי".
הוא הדגיש כי השיטה שלו אינה מצריכה שימוש בתבניות ייחודיות לכל מספר עדשה, כפי שטוענים המבקרים.לכל מספר עדשה מתאימה תבנית פשוטה, הוא הסביר: "ההבדל הוא בכמות הפולימר המוזרקת, וכדי להכין גליל לכוסות, כל מה שנדרש הוא למתוח מעט את התבנית".
ברקוביץ' אמר כי החלק היקר היחיד בתהליך הוא האוטומציה של הזרקת פולימר, שחייבת להיעשות בדיוק לפי מספר העדשות הנדרשות.
"החלום שלנו הוא להשפיע במדינה עם הכי פחות משאבים", אמר ברקוביץ'.למרות שניתן להביא כוסות זולות לכפרים עניים - למרות שזה לא הושלם - התוכנית שלו הרבה יותר גדולה."בדיוק כמו הפתגם המפורסם הזה, אני לא רוצה לתת להם דגים, אני רוצה ללמד אותם איך לדוג.בדרך זו, אנשים יוכלו להכין את המשקפיים שלהם", אמר."האם זה יצליח?רק הזמן ייתן את התשובה".
ברקוביץ' ופרומקין תיארו תהליך זה במאמר לפני כחצי שנה במהדורה הראשונה של Flow, כתב עת ליישומי מכניקת נוזלים שפורסם על ידי אוניברסיטת קיימברידג'.אבל הצוות לא מתכוון להישאר על עדשות אופטיות פשוטות.מאמר אחר שפורסם במגזין Optica לפני מספר שבועות תיאר שיטה חדשה לייצור רכיבים אופטיים מורכבים בתחום האופטיקה החופשית.רכיבים אופטיים אלו אינם קמורים ואינם קעורים, אלא יצוקים למשטח טופוגרפי, והאור מוקרן אל פני השטח של אזורים שונים כדי להשיג את האפקט הרצוי.ניתן למצוא רכיבים אלו במשקפי מולטיפוקל, קסדות טייס, מערכות מקרנים מתקדמות, מערכות מציאות מדומה ורבודה ובמקומות נוספים.
ייצור רכיבים בצורה חופשית בשיטות בנות קיימא הוא מסובך ויקר מכיוון שקשה לטחון ולהבריק את שטח הפנים שלהם.לכן, לרכיבים אלה יש כיום שימושים מוגבלים."היו פרסומים אקדמיים על השימושים האפשריים במשטחים כאלה, אבל זה עדיין לא בא לידי ביטוי ביישומים מעשיים", הסביר ברקוביץ'.במאמר חדש זה, צוות המעבדה בראשות אלגריסי הראה כיצד לשלוט בצורת פני השטח שנוצרת כאשר נוזל פולימרי מוזרק על ידי שליטה בצורת המסגרת.ניתן ליצור את המסגרת באמצעות מדפסת תלת מימד."אנחנו כבר לא עושים דברים עם דלי מגב, אבל זה עדיין מאוד פשוט," אמר ברקוביץ'.
עומר לוריא, מהנדס מחקר במעבדה, ציין כי טכנולוגיה חדשה זו יכולה לייצר במהירות עדשות חלקות במיוחד עם שטח ייחודי."אנו מקווים שזה יכול להפחית משמעותית את העלות ואת זמן הייצור של רכיבים אופטיים מורכבים", אמר.
פרופסור אריה הוא אחד מעורכי אופטיקה, אך לא השתתף בסקירת המאמר."זו עבודה טובה מאוד", אמר עלי על המחקר."על מנת לייצר משטחים אופטיים אספריים, השיטות הנוכחיות משתמשות בתבניות או בהדפסת תלת מימד, אך לשתי השיטות קשה ליצור משטחים חלקים וגדולים מספיק בתוך מסגרת זמן סבירה".אריה מאמין שהשיטה החדשה תסייע ביצירת אב טיפוס של חופש של רכיבים פורמליים."לייצור תעשייתי של מספר רב של חלקים, עדיף להכין תבניות, אבל כדי לבחון במהירות רעיונות חדשים, זו שיטה מעניינת ואלגנטית", אמר.
SPO הינה מהחברות המובילות בישראל בתחום משטחי צורה חופשית.לדברי עדות וסטורלסי, לשיטה החדשה יש יתרונות וחסרונות.הם אומרים שהשימוש בפלסטיק מגביל את האפשרויות מכיוון שהם אינם עמידים בטמפרטורות קיצוניות ויכולתם להגיע לאיכות מספקת על פני כל טווח הצבעים מוגבלת.באשר ליתרונות, הם ציינו כי לטכנולוגיה יש פוטנציאל להוזיל משמעותית את עלות הייצור של עדשות פלסטיק מורכבות, המשמשות בכל הטלפונים הניידים.
עדות וסטורלסי הוסיפו כי בשיטות ייצור מסורתיות, קוטר עדשות הפלסטיק מוגבל מכיוון שככל שהן גדולות יותר, כך הן הופכות פחות מדויקות.לדבריהם, לפי השיטה של ​​ברקוביץ', ייצור עדשות בנוזל יכול למנוע עיוותים, שיכולים ליצור רכיבים אופטיים חזקים מאוד - בין אם בתחום העדשות הכדוריות ובין אם בתחום העדשות החופשיות.
הפרויקט הכי לא צפוי של צוות הטכניון היה הבחירה לייצר עדשה גדולה.כאן, הכל התחיל משיחה מקרית ושאלה נאיבית."זה הכל עניין של אנשים," אמר ברקוביץ'.כששאל את ברקוביץ', הוא אמר לד"ר אדוארד ברבאן, מדען מחקר של נאס"א, שהוא מכיר את הפרויקט שלו באוניברסיטת סטנפורד, והוא הכיר אותו באוניברסיטת סטנפורד: "אתה חושב שאתה יכול האם אתה מייצר עדשה כזו לטלסקופ חלל ?"
"זה נשמע כמו רעיון מטורף", נזכר ברקוביץ', "אבל זה היה טבוע עמוק במוחי".לאחר שבדיקת המעבדה הסתיימה בהצלחה, חוקרים ישראלים הבינו שניתן להשתמש בשיטה ב-It פועלת באותו אופן בחלל.אחרי הכל, אתה יכול להשיג שם תנאי מיקרו-כבידה ללא צורך בנוזלים צפים."התקשרתי לאדוארד ואמרתי לו, זה עובד!"
לטלסקופי חלל יש יתרונות גדולים על פני טלסקופים קרקעיים מכיוון שהם אינם מושפעים מזיהום אטמוספרי או אור.הבעיה הגדולה ביותר בפיתוח טלסקופי חלל היא שגודלם מוגבל על ידי גודל המשגר.על פני כדור הארץ, טלסקופים כיום בקוטר של עד 40 מטר.לטלסקופ החלל האבל יש מראה בקוטר 2.4 מטר, בעוד שלטלסקופ ג'יימס ווב יש מראה בקוטר 6.5 מטר - למדענים לקח 25 שנה להשיג את ההישג הזה, בעלות של 9 מיליארד דולר אמריקאי, בין השאר בגלל שמערכת צריכה להיות פותחה שיכולה לשגר את הטלסקופ במצב מקופל ואז לפתוח אותו אוטומטית בחלל.
מצד שני, Liquid כבר במצב "מקופל".לדוגמה, ניתן למלא את המשדר במתכת נוזלית, להוסיף מנגנון הזרקה וטבעת הרחבה, ולאחר מכן ליצור מראה בחלל."זו אשליה", הודה ברקוביץ'."אמא שלי שאלה אותי, 'מתי תהיה מוכן?אמרתי לה, 'אולי בעוד 20 שנה בערך.היא אמרה שאין לה זמן לחכות".
אם החלום הזה יתגשם, זה עשוי לשנות את עתיד חקר החלל.כיום, ברקוביץ' ציין כי לבני אדם אין את היכולת לצפות ישירות בכוכבי לכת אקסו-כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש, מכיוון שכך נדרש טלסקופ כדור הארץ גדול פי 10 מטלסקופים קיימים - דבר בלתי אפשרי לחלוטין בטכנולוגיה קיימת.
מנגד, ברקוביץ' הוסיף כי ה-Falcon Heavy, כיום משגר החלל הגדול ביותר SpaceX, יכול לשאת 20 מטרים מעוקבים של נוזל.הוא הסביר שבתיאוריה ניתן להשתמש ב-Falcon Heavy כדי לשגר נוזל לנקודה מסלולית, שבה ניתן להשתמש בנוזל לייצור מראה בקוטר 75 מטר - שטח הפנים והאור שנאסף יהיו גדולים פי 100 מהאחרון. .טלסקופ ג'יימס ווב.
זה חלום, וייקח הרבה זמן להגשים אותו.אבל נאס"א לוקחת את זה ברצינות.יחד עם צוות מהנדסים ומדענים ממרכז המחקר איימס של נאס"א, בראשות Balaban, הטכנולוגיה מנוסה לראשונה.
בסוף דצמבר תישלח מערכת שפותחה על ידי צוות המעבדה של ברקוביצ'י לתחנת החלל הבינלאומית, שם תיערך סדרת ניסויים כדי לאפשר לאסטרונאוטים לייצר ולרפא עדשות בחלל.לפני כן, יערכו ניסויים בפלורידה בסוף השבוע הקרוב כדי לבדוק את היתכנות של ייצור עדשות איכותיות תחת מיקרו-כבידה ללא צורך בשום נוזל צף.
ניסוי טלסקופ הנוזל (FLUTE) בוצע על מטוס בעל כוח משיכה מופחת - כל המושבים של מטוס זה הוסרו לצורך אימון אסטרונאוטים וצילום סצנות אפס כבידה בסרטים.על ידי תמרון בצורת אנטי-פרבולה-עלייה ואז נפילה חופשית- נוצרים תנאי מיקרו-כבידה במטוס לפרק זמן קצר."זה נקרא 'שביט הקיא' מסיבה טובה", אמר ברקוביץ' בחיוך.הנפילה החופשית נמשכת כ-20 שניות, בהן כוח המשיכה של המטוס קרוב לאפס.במהלך תקופה זו ינסו החוקרים ליצור עדשה נוזלית ולבצע מדידות כדי להוכיח שאיכות העדשה טובה מספיק, ואז המטוס הופך ישר, כוח המשיכה משוחזר במלואו, והעדשה הופכת לשלולית.
הניסוי מתוכנן לשתי טיסות בימי חמישי ושישי, כל אחת עם 30 פרבולות.ברקוביץ' ורוב חברי צוות המעבדה, כולל אלגריסי ולוריא, ופרוםקין מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס יהיו נוכחים.
בביקורי במעבדת הטכניון, ההתרגשות הייתה סוחפת.על הרצפה יש 60 קופסאות קרטון, המכילות 60 ערכות קטנות מתוצרת עצמית לניסויים.לוריא מבצע שיפורים אחרונים וברגע האחרון במערכת הניסויים הממוחשבת שפיתח למדידת ביצועי העדשות.
במקביל, הצוות עורך תרגילי תזמון לפני רגעים קריטיים.צוות אחד עמד שם עם שעון עצר, ולאחרים היו 20 שניות לבצע זריקה.במטוס עצמו התנאים יהיו גרועים עוד יותר, במיוחד לאחר מספר נפילות חופשיות והתרוממות כלפי מעלה בכוח המשיכה המוגבר.
לא רק צוות הטכניון מתרגש.ברבן, החוקר הראשי של ניסוי החליל של נאס"א, אמר ל"הארץ", "שיטת עיצוב הנוזל עשויה לגרום לטלסקופי חלל רבי עוצמה עם פתחים של עשרות ואפילו מאות מטרים.לדוגמה, טלסקופים כאלה יכולים לצפות ישירות בסביבתם של כוכבים אחרים.כוכב הלכת, מאפשר ניתוח ברזולוציה גבוהה של האטמוספירה שלו, ואף עשוי לזהות מאפייני פני שטח בקנה מידה גדול.שיטה זו עשויה להוביל גם ליישומי חלל אחרים, כגון רכיבים אופטיים איכותיים לקצירת והעברת אנרגיה, מכשירים מדעיים וציוד רפואי ייצור חלל - ובכך ממלאים תפקיד חשוב בכלכלת החלל המתפתחת".
זמן קצר לפני שעלה למטוס ויוצא להרפתקת חייו, עצר ברקוביץ' לרגע בהפתעה."אני כל הזמן שואל את עצמי למה אף אחד לא חשב על זה קודם", אמר."בכל פעם שאני הולך לכנס, אני מפחד שמישהו יקום ויגיד שכמה חוקרים רוסים עשו את זה לפני 60 שנה.אחרי הכל, זו שיטה כל כך פשוטה".