Le professeur Moran Bercovici et le Dr Valeri Frumkin ont développé une technologie bon marché pour la fabrication de verres optiques, et il est possible de produire des lunettes pour de nombreux pays en développement où les lunettes ne sont pas disponibles.Maintenant, la NASA dit qu'il peut être utilisé pour fabriquer des télescopes spatiaux
La science avance généralement à petits pas.Une petite information est ajoutée à chaque nouvelle expérience.Il est rare qu'une simple idée qui apparaît dans le cerveau d'un scientifique mène à une percée majeure sans utiliser aucune technologie.Mais c'est ce qui est arrivé à deux ingénieurs israéliens qui ont mis au point une nouvelle méthode de fabrication de lentilles optiques.
Le système est simple, bon marché et précis, et pourrait avoir un impact énorme sur jusqu'à un tiers de la population mondiale.Cela peut aussi changer le visage de la recherche spatiale.Pour le concevoir, les chercheurs n'ont besoin que d'un tableau blanc, d'un marqueur, d'une gomme et d'un peu de chance.
Le professeur Moran Bercovici et le Dr Valeri Frumkin du département de génie mécanique du Technion-Israel Institute of Technology à Haïfa se spécialisent dans la mécanique des fluides, pas dans l'optique.Mais il y a un an et demi, au World Laureate Forum à Shanghai, Berkovic s'est assis par hasard avec David Ziberman, un économiste israélien.
Zilberman est lauréat du prix Wolf, et maintenant à l'Université de Californie à Berkeley, il a parlé de ses recherches dans les pays en développement.Bercovici a décrit son expérience fluide.Ensuite, Ziberman a posé une question simple : "Pouvez-vous l'utiliser pour fabriquer des lunettes ?"
"Quand vous pensez aux pays en développement, vous pensez généralement au paludisme, à la guerre, à la faim", a déclaré Berkovic."Mais Ziberman a dit quelque chose que je ne sais pas du tout - 2,5 milliards de personnes dans le monde ont besoin de lunettes mais ne peuvent pas les obtenir.C'est un nombre incroyable.
Bercovici est rentré chez lui et a découvert qu'un rapport du Forum économique mondial confirmait ce chiffre.Bien que la fabrication d'une simple paire de lunettes ne coûte que quelques dollars, les lunettes bon marché ne sont ni fabriquées ni vendues dans la plupart des régions du monde.
L'impact est énorme, allant des enfants qui ne peuvent pas voir le tableau noir à l'école aux adultes dont la vue se détériore tellement qu'ils perdent leur emploi.En plus de nuire à la qualité de vie des gens, le coût de l'économie mondiale est estimé à 3 000 milliards de dollars américains par an.
Après la conversation, Berkovic n'a pas pu dormir la nuit.Lorsqu'il est arrivé au Technion, il a discuté de cette question avec Frumkin, qui était alors chercheur postdoctoral dans son laboratoire.
"Nous avons dessiné un plan sur le tableau blanc et l'avons regardé", se souvient-il."Nous savons instinctivement que nous ne pouvons pas créer cette forme avec notre technologie de contrôle des fluides, et nous voulons savoir pourquoi."
La forme sphérique est la base de l'optique car la lentille en est faite.En théorie, Bercovici et Frumkin savaient qu'ils pouvaient fabriquer un dôme rond à partir d'un polymère (un liquide qui s'était solidifié) pour fabriquer une lentille.Mais les liquides ne peuvent rester sphériques que dans de petits volumes.Lorsqu'ils sont plus grands, la gravité les écrasera en flaques d'eau.
"Donc, ce que nous devons faire, c'est nous débarrasser de la gravité", a expliqué Bercovici.Et c'est exactement ce que lui et Frumkin ont fait.Après avoir étudié leur tableau blanc, Frumkin a eu une idée très simple, mais on ne sait pas pourquoi personne n'y avait pensé auparavant - si la lentille est placée dans une chambre à liquide, l'effet de la gravité peut être éliminé.Tout ce que vous avez à faire est de vous assurer que le liquide dans la chambre (appelé le liquide flottant) a la même densité que le polymère à partir duquel la lentille est fabriquée, puis le polymère flottera.
Une autre chose importante est d'utiliser deux fluides non miscibles, ce qui signifie qu'ils ne se mélangeront pas, comme l'huile et l'eau."La plupart des polymères ressemblent davantage à des huiles, donc notre liquide flottant 'singulier' est l'eau", a déclaré Bercovici.
Mais comme l'eau a une densité inférieure à celle des polymères, sa densité doit être légèrement augmentée pour que le polymère flotte.À cette fin, les chercheurs ont également utilisé des matériaux moins exotiques - sel, sucre ou glycérine.Bercovici a déclaré que le composant final du processus est un cadre rigide dans lequel le polymère est injecté afin que sa forme puisse être contrôlée.
Lorsque le polymère atteint sa forme finale, il est durci à l'aide d'un rayonnement ultraviolet et devient une lentille solide.Pour fabriquer le cadre, les chercheurs ont utilisé un simple tuyau d'égout, coupé en anneau, ou une boîte de Pétri coupée par le bas."N'importe quel enfant peut en fabriquer à la maison, et mes filles et moi en avons fait à la maison", a déclaré Bercovici.« Au fil des années, nous avons fait beaucoup de choses en laboratoire, dont certaines sont très compliquées, mais il ne fait aucun doute que c'est la chose la plus simple et la plus facile que nous ayons faite.Peut-être le plus important.
Frumkin a créé son premier cliché le jour même où il a pensé à la solution."Il m'a envoyé une photo sur WhatsApp", se souvient Berkovic."Rétrospectivement, c'était un objectif très petit et laid, mais nous étions très heureux."Frumkin a continué à étudier cette nouvelle invention.« L'équation montre qu'une fois que vous supprimez la gravité, peu importe que le cadre soit d'un centimètre ou d'un kilomètre ;selon la quantité de matière, vous obtiendrez toujours la même forme.
Les deux chercheurs ont continué à expérimenter l'ingrédient secret de deuxième génération, le seau à vadrouille, et l'ont utilisé pour créer une lentille d'un diamètre de 20 cm adaptée aux télescopes.Le coût de la lentille augmente de manière exponentielle avec le diamètre, mais avec cette nouvelle méthode, quelle que soit la taille, tout ce dont vous avez besoin est un polymère bon marché, de l'eau, du sel (ou de la glycérine) et un moule annulaire.
La liste des ingrédients marque un énorme changement dans les méthodes traditionnelles de fabrication des verres qui sont restées pratiquement inchangées depuis 300 ans.Dans la première étape du processus traditionnel, une plaque de verre ou de plastique est meulée mécaniquement.Par exemple, lors de la fabrication de verres de lunettes, environ 80 % du matériau est gaspillé.En utilisant la méthode conçue par Bercovici et Frumkin, au lieu de broyer des matériaux solides, un liquide est injecté dans la monture, de sorte que la lentille peut être fabriquée dans un processus totalement sans déchets.Cette méthode ne nécessite pas non plus de polissage, car la tension superficielle du fluide peut assurer une surface extrêmement lisse.
Haaretz a visité le laboratoire du Technion, où le doctorant Mor Elgarisi a démontré le processus.Il a injecté du polymère dans un anneau dans une petite chambre à liquide, l'a irradié avec une lampe UV et m'a tendu une paire de gants chirurgicaux deux minutes plus tard.J'ai très soigneusement trempé ma main dans l'eau et j'ai retiré la lentille."Ça y est, le traitement est terminé", a crié Berkovic.
Les lentilles sont absolument lisses au toucher.Ce n'est pas qu'un sentiment subjectif : Bercovici affirme que même sans polissage, la rugosité de surface d'une lentille fabriquée à l'aide d'un procédé polymère est inférieure à un nanomètre (un milliardième de mètre)."Les forces de la nature créent par elles-mêmes des qualités extraordinaires, et elles sont libres", a-t-il déclaré.En revanche, le verre optique est poli à 100 nanomètres, tandis que les miroirs du télescope spatial phare James Webb de la NASA sont polis à 20 nanomètres.
Mais tout le monde ne croit pas que cette méthode élégante sauvera des milliards de personnes dans le monde.Le professeur Ady Arie de l'École de génie électrique de l'Université de Tel Aviv a souligné que la méthode de Bercovici et Frumkin nécessite un moule circulaire dans lequel un polymère liquide est injecté, le polymère lui-même et une lampe ultraviolette.
« Ceux-ci ne sont pas disponibles dans les villages indiens », a-t-il souligné.Un autre problème soulevé par le fondateur de SPO Precision Optics et vice-président de R&D Niv Adut et le scientifique en chef de la société, le Dr Doron Sturlesi (tous deux familiers avec le travail de Bercovici), est que le remplacement du processus de meulage par des moulages en plastique rendra difficile l'adaptation de la lentille au Besoins.Ses habitants.
Berkovic n'a pas paniqué."La critique est un élément fondamental de la science, et notre développement rapide au cours de l'année écoulée est en grande partie dû aux experts qui nous poussent au coin de la rue", a-t-il déclaré.Concernant la faisabilité de la fabrication dans des zones reculées, il a ajouté : « L'infrastructure nécessaire pour fabriquer des verres selon des méthodes traditionnelles est énorme ;vous avez besoin d'usines, de machines et de techniciens, et nous n'avons besoin que d'une infrastructure minimale.
Bercovici nous a montré deux lampes à rayonnement ultraviolet dans son laboratoire : « Celle-ci vient d'Amazon et coûte 4 $, et l'autre vient d'AliExpress et coûte 1,70 $.Si vous ne les avez pas, vous pouvez toujours utiliser Sunshine », a-t-il expliqué.Et les polymères ?« Une bouteille de 250 ml se vend 16 $ sur Amazon.La lentille moyenne nécessite 5 à 10 ml, donc le coût du polymère n'est pas non plus un facteur réel.
Il a souligné que sa méthode ne nécessite pas l'utilisation de moules uniques pour chaque numéro de lentille, comme le prétendent les critiques.Un moule simple convient à chaque numéro de verre, explique-t-il : « La différence, c'est la quantité de polymère injectée, et pour faire un cylindre pour les lunettes, il suffit d'étirer un peu le moule.
Bercovici a déclaré que la seule partie coûteuse du processus est l'automatisation de l'injection de polymère, qui doit être effectuée précisément en fonction du nombre de lentilles requises.
"Notre rêve est d'avoir un impact dans le pays avec le moins de ressources", a déclaré Bercovici.Bien que des lunettes bon marché puissent être amenées dans les villages pauvres - bien que cela ne soit pas encore terminé - son plan est beaucoup plus vaste.« Tout comme ce célèbre proverbe, je ne veux pas leur donner du poisson, je veux leur apprendre à pêcher.De cette façon, les gens pourront fabriquer leurs propres lunettes », a-t-il déclaré.« Va-t-il réussir ?Seul le temps donnera la réponse.
Bercovici et Frumkin ont décrit ce processus dans un article il y a environ six mois dans la première édition de Flow, une revue d'applications de mécanique des fluides publiée par l'Université de Cambridge.Mais l'équipe ne compte pas rester sur de simples verres optiques.Un autre article publié dans le magazine Optica il y a quelques semaines décrivait une nouvelle méthode de fabrication de composants optiques complexes dans le domaine de l'optique de forme libre.Ces composants optiques ne sont ni convexes ni concaves, mais sont moulés dans une surface topographique, et la lumière est irradiée à la surface de différentes zones pour obtenir l'effet souhaité.Ces composants peuvent être trouvés dans des lunettes multifocales, des casques de pilote, des systèmes de projecteur avancés, des systèmes de réalité virtuelle et augmentée, et d'autres endroits.
La fabrication de composants de forme libre à l'aide de méthodes durables est compliquée et coûteuse car il est difficile de meuler et de polir leur surface.Par conséquent, ces composants ont actuellement des utilisations limitées."Il y a eu des publications académiques sur les utilisations possibles de ces surfaces, mais cela ne s'est pas encore reflété dans les applications pratiques", a expliqué Bercovici.Dans ce nouvel article, l'équipe du laboratoire dirigée par Elgarisi a montré comment contrôler la forme de surface créée lors de l'injection de liquide polymère en contrôlant la forme du cadre.Le cadre peut être créé à l'aide d'une imprimante 3D."Nous ne faisons plus les choses avec un seau à vadrouille, mais c'est toujours très simple", a déclaré Bercovici.
Omer Luria, ingénieur de recherche au laboratoire, a souligné que cette nouvelle technologie permet de produire rapidement des verres particulièrement lisses avec un relief unique."Nous espérons que cela pourra réduire considérablement le coût et le temps de production des composants optiques complexes", a-t-il déclaré.
Le professeur Arie est l'un des rédacteurs d'Optica, mais n'a pas participé à la révision de l'article."C'est un très bon travail", a déclaré Ali à propos de la recherche."Afin de produire des surfaces optiques asphériques, les méthodes actuelles utilisent des moules ou l'impression 3D, mais les deux méthodes sont difficiles à créer des surfaces suffisamment lisses et grandes dans un délai raisonnable."Arie estime que la nouvelle méthode aidera à créer la liberté Prototype de composants formels."Pour la production industrielle d'un grand nombre de pièces, il est préférable de préparer des moules, mais pour tester rapidement de nouvelles idées, c'est une méthode intéressante et élégante", a-t-il déclaré.
SPO est l'une des principales entreprises israéliennes dans le domaine des surfaces de forme libre.Selon Adut et Sturlesi, la nouvelle méthode présente des avantages et des inconvénients.Ils disent que l'utilisation de plastiques limite les possibilités car ils ne sont pas durables à des températures extrêmes et leur capacité à obtenir une qualité suffisante sur toute la gamme de couleurs est limitée.Quant aux avantages, ils ont souligné que la technologie a le potentiel de réduire considérablement le coût de production des lentilles en plastique complexes, qui sont utilisées dans tous les téléphones mobiles.
Adut et Sturlesi ont ajouté qu'avec les méthodes de fabrication traditionnelles, le diamètre des lentilles en plastique est limité car plus elles sont grandes, moins elles deviennent précises.Ils ont déclaré que, selon la méthode de Bercovici, la fabrication de lentilles dans un liquide peut empêcher la distorsion, ce qui peut créer des composants optiques très puissants, que ce soit dans le domaine des lentilles sphériques ou des lentilles de forme libre.
Le projet le plus inattendu de l'équipe du Technion a été de choisir de produire une grande lentille.Ici, tout a commencé par une conversation accidentelle et une question naïve."C'est une question de personnes", a déclaré Berkovic.Lorsqu'il a demandé à Berkovic, il disait au Dr Edward Baraban, un chercheur de la NASA, qu'il connaissait son projet à l'Université de Stanford, et qu'il le connaissait à l'Université de Stanford : « Vous pensez que vous pouvez Fabriquez-vous une telle lentille pour un télescope spatial ? ?"
"Cela ressemblait à une idée folle", se souvient Berkovic, "mais c'était profondément ancré dans mon esprit."Une fois le test en laboratoire terminé avec succès, les chercheurs israéliens ont réalisé que la méthode pouvait être utilisée en Il fonctionne de la même manière dans l'espace.Après tout, vous pouvez y atteindre des conditions de microgravité sans avoir besoin de liquides flottants."J'ai appelé Edward et je lui ai dit, ça marche!"
Les télescopes spatiaux présentent de grands avantages par rapport aux télescopes terrestres car ils ne sont pas affectés par la pollution atmosphérique ou lumineuse.Le plus gros problème avec le développement des télescopes spatiaux est que leur taille est limitée par la taille du lanceur.Sur Terre, les télescopes ont actuellement un diamètre allant jusqu'à 40 mètres.Le télescope spatial Hubble a un miroir de 2,4 mètres de diamètre, tandis que le télescope James Webb a un miroir de 6,5 mètres de diamètre — il a fallu 25 ans aux scientifiques pour réaliser cette réalisation, qui a coûté 9 milliards de dollars américains, en partie parce qu'un système doit être développé qui peut lancer le télescope en position repliée puis l'ouvrir automatiquement dans l'espace.
D'autre part, Liquid est déjà dans un état "plié".Par exemple, vous pouvez remplir l'émetteur de métal liquide, ajouter un mécanisme d'injection et un anneau d'expansion, puis créer un miroir dans l'espace."C'est une illusion", a admis Berkovic.« Ma mère m'a demandé : 'Quand seras-tu prêt ?Je lui ai dit, 'Peut-être dans environ 20 ans.Elle a dit qu'elle n'avait pas le temps d'attendre.
Si ce rêve se réalise, cela pourrait changer l'avenir de la recherche spatiale.Aujourd'hui, Berkovic a souligné que les humains n'ont pas la capacité d'observer directement les exoplanètes - des planètes en dehors du système solaire, car cela nécessite un télescope terrestre 10 fois plus grand que les télescopes existants - ce qui est totalement impossible avec la technologie existante.
D'autre part, Bercovici a ajouté que le Falcon Heavy, actuellement le plus grand lanceur spatial SpaceX, peut transporter 20 mètres cubes de liquide.Il a expliqué qu'en théorie, Falcon Heavy pourrait être utilisé pour lancer un liquide vers un point orbital, où le liquide pourrait être utilisé pour fabriquer un miroir de 75 mètres de diamètre - la surface et la lumière collectée seraient 100 fois plus grandes que ce dernier. .Télescope James Webb.
C'est un rêve, et il faudra beaucoup de temps pour le réaliser.Mais la NASA prend cela au sérieux.En collaboration avec une équipe d'ingénieurs et de scientifiques du centre de recherche Ames de la NASA, dirigée par Balaban, la technologie est testée pour la première fois.
Fin décembre, un système développé par l'équipe du laboratoire Bercovici sera envoyé à la Station spatiale internationale, où une série d'expériences seront menées pour permettre aux astronautes de fabriquer et de polymériser des lentilles dans l'espace.Avant cela, des expériences seront menées en Floride ce week-end pour tester la faisabilité de produire des lentilles de haute qualité en microgravité sans avoir besoin de liquide flottant.
L'expérience du télescope fluide (FLUTE) a été réalisée sur un avion à gravité réduite - tous les sièges de cet avion ont été retirés pour entraîner les astronautes et tourner des scènes en apesanteur dans les films.En manœuvrant sous la forme d'une antiparabole - ascendante puis descendante librement - des conditions de microgravité sont créées dans l'avion pendant une courte période de temps."C'est ce qu'on appelle une" comète vomi "pour une bonne raison", a déclaré Berkovic avec un sourire.La chute libre dure environ 20 secondes, pendant lesquelles la gravité de l'avion est proche de zéro.Pendant cette période, les chercheurs essaieront de fabriquer une lentille liquide et de faire des mesures pour prouver que la qualité de la lentille est suffisamment bonne, puis le plan redevient droit, la gravité est entièrement restaurée et la lentille devient une flaque.
L'expérience est prévue pour deux vols jeudi et vendredi, chacun avec 30 paraboles.Bercovici et la plupart des membres de l'équipe du laboratoire, dont Elgarisi et Luria, et Frumkin du Massachusetts Institute of Technology seront présents.
Lors de ma visite au laboratoire du Technion, l'excitation était écrasante.Il y a 60 boîtes en carton sur le sol, qui contiennent 60 petits kits d'expériences faits maison.Luria apporte des améliorations finales et de dernière minute au système expérimental informatisé qu'il a développé pour mesurer les performances des lentilles.
Parallèlement, l'équipe mène des exercices de chronométrage avant les moments critiques.Une équipe se tenait là avec un chronomètre, et les autres avaient 20 secondes pour tirer.Sur l'avion lui-même, les conditions seront encore pires, surtout après plusieurs chutes libres et remontées sous une gravité accrue.
Il n'y a pas que l'équipe du Technion qui est excitée.Baraban, le chercheur principal de l'expérience Flute de la NASA, a déclaré à Haaretz : « La méthode de mise en forme des fluides peut aboutir à de puissants télescopes spatiaux avec des ouvertures de dizaines voire de centaines de mètres.Par exemple, de tels télescopes peuvent observer directement l'environnement d'autres étoiles.Planet, facilite l'analyse à haute résolution de son atmosphère et peut même identifier des caractéristiques de surface à grande échelle.Cette méthode peut également conduire à d'autres applications spatiales, telles que des composants optiques de haute qualité pour la récupération et la transmission d'énergie, des instruments scientifiques et des équipements médicaux. La fabrication spatiale joue ainsi un rôle important dans l'économie spatiale émergente.
Peu de temps avant de monter à bord de l'avion et de se lancer dans l'aventure de sa vie, Berkovic s'est arrêté un instant de surprise."Je n'arrête pas de me demander pourquoi personne n'y a pensé avant", a-t-il déclaré.« Chaque fois que je vais à une conférence, j'ai peur que quelqu'un se lève et dise que certains chercheurs russes ont fait cela il y a 60 ans.Après tout, c'est une méthode si simple.
Heure de publication : 21 décembre 2021