O Prof. Moran Bercovici e o Dr. Valeri Frumkin desenvolveram tecnologia barata para a fabricação de lentes ópticas, com potencial para produzir óculos para países em desenvolvimento, onde muitos não têm acesso a eles. Agora, a NASA diz que poderia ser usado para fazer telescópios espaciais
A ciência geralmente avança em pequenos passos. Cada novo experimento adiciona um pequeno fragmento de informação. É raro que uma ideia simples que surge no cérebro de um cientista, sem o uso de qualquer tecnologia, leve a um avanço significativo. Mas foi o que aconteceu com dois engenheiros israelenses que desenvolveram uma nova maneira de fazer lentes ópticas.
O sistema é simples, barato e preciso e pode ter um impacto dramático em até um terço da população mundial. Também pode mudar a cara da pesquisa espacial. E para idealizá-lo, bastou um quadro branco, um marcador, uma borracha e um pouco de sorte para os pesquisadores.
O Prof. Moran Bercovici e o Dr. Valeri Frumkin, ambos do departamento de engenharia mecânica do Technion – Instituto de Tecnologia de Israel em Haifa, são especializados em mecânica dos fluidos, não óptica. Mas um ano e meio atrás, em uma conferência do Fórum Mundial de Laureados em Xangai, Bercovici estava sentado com o economista David Zilberman, que é originalmente de Israel.
Zilberman, laureado com o Prêmio Wolf que agora está na Universidade da Califórnia, Berkeley, falou sobre sua pesquisa em países em desenvolvimento. Bercovici descreveu seus experimentos com fluidos. E então Zilberman fez uma pergunta simples: “Você pode fazer óculos com isso?”
“Por que você pergunta?” Bercovici respondeu. A resposta de Zilberman o surpreendeu.
“Quando você pensa em países em desenvolvimento, geralmente pensa em malária, guerras, fome”, diz Bercovici. “Mas Zilberman disse algo que eu desconhecia totalmente – que há 2,5 bilhões de pessoas no mundo que precisam de óculos, mas não têm acesso a eles. É um número surpreendente. ”
Bercovici voltou para casa e encontrou um relatório do Fórum Econômico Mundial que confirmava esse número. Embora a fabricação de um simples par de óculos custe apenas alguns dólares, em muitas partes do mundo óculos baratos não são fabricados nem vendidos.
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 do prejuízo para a qualidade de vida das pessoas, o custo para a economia global foi estimado em US $ 3 trilhões por ano.
Bercovici não conseguia dormir à noite após a conversa. Quando ele chegou ao Technion, ele discutiu o assunto com Frumkin, que era então um pesquisador de pós-doutorado em seu laboratório.
“Desenhamos uma lente no quadro branco e olhamos para ela”, lembra ele. “Sabíamos instintivamente que não poderíamos fazer essa forma com nossa técnica de controle de fluidos e queríamos descobrir o porquê.”
A resposta, diz ele com um sorriso, “era aquela coisa chata chamada gravidade.”
As formas esféricas são a base da ótica, uma vez que as lentes são feitas delas. Em teoria, Bercovici e Frumkin sabiam que poderiam pegar polímeros, que são líquidos que se solidificaram, e fazer cúpulas redondas com eles, criando assim lentes. Mas os líquidos mantêm uma forma esférica apenas em pequenos volumes. Em volumes maiores, a força da gravidade os achatou em uma poça.
“Portanto, o que precisávamos fazer era nos livrar da gravidade”, explica Bercovici.
E foi exatamente isso que ele e Frumkin fizeram. Depois de estudar seu quadro branco, Frumkin teve uma ideia tão simples que não está claro por que ninguém nunca pensou nisso antes – você pode eliminar o efeito da gravidade se fizer a lente dentro de uma câmara de líquido. Tudo o que você precisa fazer é certificar-se de que o líquido na câmara, chamado de líquido de flutuação, tem a mesma densidade do polímero do qual você está fazendo a lente, e então o polímero flutuará.
A outra coisa essencial é usar dois fluidos que são imiscíveis, o que significa que não se misturam, como óleo e água. “A maioria dos polímeros é mais parecida com óleos, então nosso líquido de flutuação ‘exótico’ é a água”, disse Bercovici.
Mas como a água tem uma densidade mais baixa do que os polímeros, sua densidade precisa ser um pouco aumentada para que o polímero flutue. Para isso, também, os pesquisadores usaram materiais não tão exóticos – sal, açúcar ou glicerina.
O ingrediente final do processo, diz Bercovici, é uma estrutura rígida na qual o polímero é injetado, permitindo o controle de sua forma.
Quando o polímero atinge sua forma final, ele é endurecido com a radiação ultravioleta e se torna uma lente sólida. Para criar as molduras, os pesquisadores usaram um tubo de esgoto simples cortado em anéis, ou placas de Petri das quais haviam cortado o fundo. “Qualquer criança poderia fazer em casa, e eu fiz em casa com minhas filhas”, diz Bercovici. “Fizemos muitas coisas no laboratório ao longo dos anos, algumas delas muito complexas, mas sem dúvida foi a coisa mais simples e sem sofisticação que já fizemos. E talvez o mais importante. ”
Pequeno, feio e incrivel
Frumkin criou sua primeira lente no mesmo dia em que pensou na solução. “Ele me mandou uma foto no WhatsApp”, lembra Bercovici. “Em retrospecto, era uma lente bem pequena e feia, mas ficamos maravilhados.” Frumkin continuou examinando a nova invenção. “As equações mostraram que, uma vez que você remove a gravidade, não importa se a moldura tem um centímetro de tamanho ou um quilômetro; você sempre receberá a mesma forma, dependendo da quantidade de material. ”
Os dois pesquisadores continuaram seu experimento com a segunda geração de ingredientes secretos – um balde de esfregão – e o usaram para criar uma lente com diâmetro de 20 centímetros, adequada para um telescópio. O custo das lentes cresce exponencialmente em diâmetro, mas com esse novo método tudo o que é necessário, independentemente do tamanho, é um polímero barato, água, sal (ou glicerina) e um molde em forma de anel.
A lista de ingredientes marca uma mudança dramática em relação ao método tradicional de fabricação de lentes, que permaneceu quase inalterado por 300 anos. Na fase inicial do processo tradicional, uma placa de vidro ou plástico é polida mecanicamente. Na fabricação de lentes para óculos, por exemplo, cerca de 80% do material vai para o lixo. Usando o método desenvolvido por Bercovici e Frumkin, em vez de triturar material sólido, o líquido é injetado em uma moldura, criando uma lente em um processo totalmente livre de resíduos. Este método também elimina a necessidade de polimento, pois a tensão superficial do fluido garante a criação de uma superfície extremamente lisa.
O Haaretz visitou o laboratório do Technion, onde o doutorando Mor Elgarisi demonstrou o processo. Ele injeta polímero em um anel dentro de uma pequena câmara de líquido, acende uma lâmpada ultravioleta e, após dois minutos, me entrega um par de luvas cirúrgicas. Com muito cuidado, mergulho minhas mãos na água e retiro a lente. “É isso, processo encerrado”, grita Bercovici.
A lente é absolutamente lisa ao toque. Não é apenas um sentimento subjetivo: Bercovici diz que, mesmo sem polir, a rugosidade da superfície de uma lente fabricada pelo método do polímero é inferior a um nanômetro (um bilionésimo de um metro). “As forças da natureza criam qualidade extraordinária por si mesmas, de graça”, diz ele. Em comparação, os vidros ópticos são polidos a um nível de 100 nanômetros, enquanto os espelhos do projeto principal da NASA, o Telescópio Espacial James Webb, são polidos a um nível de 20 nanômetros.
Mas nem todos estão convencidos de que esse método elegante será o salvador de bilhões de pessoas em todo o mundo. O Prof. Ady Arie, da Escola de Engenharia Elétrica da Universidade de Tel Aviv, observa que o método de Bercovici e Frumkin requer um molde circular no qual o polímero líquido é injetado, o próprio polímero e uma lâmpada UV.
“Eles não estão disponíveis nas aldeias da Índia”, observa ele. Outro problema levantado por Niv Adut, fundador e VP de P&D da SPO Precision Optics, e pelo cientista-chefe da empresa, Dr. Doron Sturlesi – que estão familiarizados com o trabalho de Bercovici – é que substituir o processo de moagem por um molde de plástico vai resolver difícil adaptar a lente à pessoa que dela precisa.
Bercovici não está alarmado. “A crítica é um componente fundamental da ciência, e nosso rápido desenvolvimento no ano passado foi alcançado em grande medida graças aos especialistas que nos empurraram para um canto”, diz ele. Sobre a viabilidade de fabricação em regiões remotas, ele acrescenta: “A infraestrutura necessária para criar vidros pelo método tradicional é enorme; você precisa de uma fábrica, máquinas, técnicos, enquanto nós exigimos apenas uma infraestrutura mínima. ”
Bercovici nos mostra duas lâmpadas de radiação ultravioleta em seu laboratório: “Esta veio da Amazon e custou US $ 4, enquanto a outra veio do AliExpress e custou US $ 1,70. E se você não os tiver, você sempre pode usar a luz do sol “, explica ele. E quanto ao polímero? “Uma garrafa de 250 mililitros custa US $ 16 na Amazon. A lente média requer entre cinco a 10 mililitros, então o custo do polímero também não é realmente um fator “.
Ele enfatiza que seu método também não requer um molde exclusivo para cada número de lente, como os críticos afirmam. O molde simples é adequado para cada número de lente, ele explica: “O que faz a diferença é a quantidade de polímero injetado, e para criar um cilindro para óculos basta esticar um pouco o molde”.
A única parte cara do processo, diz Bercovici, é a automação da injeção do polímero, que deve ser feita exatamente de acordo com o número de lentes necessárias.
“Nossa fantasia é causar impacto em países com recursos mínimos”, diz Bercovici. Embora seja possível levar óculos baratos para aldeias pobres – embora isso ainda não tenha sido feito – seus planos são muito maiores. “Tal como diz o provérbio conhecido, não quero dar-lhes peixe, quero ensiná-los a pescar. Com esse método, as pessoas poderão fazer seus próprios óculos “, afirma. “Será que vai dar certo? Só o tempo irá dizer.”
As lentes são apenas o primeiro estágio
Bercovici e Frumkin descreveram o processo há cerca de seis meses em um artigo na primeira edição do Flow, um periódico sobre a aplicação da mecânica dos fluidos, publicado pela Cambridge University. Mas a equipe não planeja se limitar a lentes ópticas simples. Outro artigo publicado há algumas semanas na revista Optica descreve uma maneira de usar o novo método para criar componentes ópticos complexos em um campo conhecido como óptica de forma livre. Esses componentes ópticos não são convexos nem côncavos, mas em vez disso têm a forma de superfícies topográficas, com a luz atingindo a superfície em diferentes áreas para atingir o resultado desejado. Essas peças podem ser encontradas em óculos multifocais, capacetes de piloto, sistemas de projetores avançados, sistemas de realidade virtual e aumentada e em outros lugares.
A fabricação de componentes de forma livre usando métodos sustentáveis é complexa e cara, pois é muito difícil de polir e polir suas superfícies. Como resultado, essas peças têm uso limitado no momento. “Existem publicações acadêmicas sobre os possíveis usos dessas superfícies, mas isso ainda não se refletiu no uso prático”, explica Bercovici. No novo artigo, a equipe do laboratório chefiada por Elgarisi mostrou como o controle sobre a forma da moldura permite o controle sobre a forma da superfície criada quando um líquido de polímero é injetado. O quadro pode ser criado com uma impressora 3D. “Não nos contentamos mais com um balde de esfregão, mas ainda é simples”, diz Bercovici.
O engenheiro de pesquisa do laboratório, Omer Luria, observa que a nova tecnologia permite a produção rápida de lentes particularmente suaves, com topografias exclusivas. “Esperamos que isso reduza drasticamente o custo e o tempo de produção de peças ópticas complexas”, diz ele.
O Prof. Arie é um dos editores da Optica, mas não esteve envolvido na revisão do artigo. “É um trabalho muito bom”, diz Arie sobre o estudo. “Para produzir superfícies ópticas asféricas, os métodos atuais usam moldes ou impressão 3D, mas com ambos os métodos é difícil criar superfícies suficientemente suaves e grandes dentro de um período de tempo razoável.” Arie acredita que o novo método ajudará a criar protótipos de componentes de forma livre. “Para a produção industrial de grandes quantidades de peças, é preferível preparar moldes, mas para testar rapidamente novas ideias este é um método interessante e elegante”, diz ele.
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. Dizem que o uso de plásticos restringe as possibilidades, pois não duram em temperaturas extremas e são limitados em sua capacidade de atingir qualidade suficiente em toda a gama de cores. Quanto às vantagens, eles observam 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 acrescentam que, com os métodos tradicionais de fabricação, as lentes de plástico têm diâmetro restrito, pois quanto maiores são, menos precisas se tornam. Eles afirmam que a criação de lentes dentro de um líquido, de acordo com o método de Bercovici, evita a distorção e, portanto, permite a criação de óticas muito poderosas – seja no campo das lentes esféricas ou lentes de forma livre.
É tudo sobre pessoas
Foi a opção de produzir lentes grandes que levou ao projeto mais inesperado da equipe do Technion. Também aqui tudo começou com uma conversa casual e uma pergunta inocente. “É tudo uma questão de pessoas”, diz Bercovici. Ele estava contando seu projeto ao Dr. Edward Balaban, um cientista pesquisador da NASA, que ele conhecia desde seus dias juntos na Universidade de Stanford, quando perguntou a Berkovici: “Você acha que poderia produzir uma lente como essa para um telescópio espacial? ”
“Parecia uma ideia maluca”, lembra Bercovici, “mas ficou na minha cabeça”. Depois que os testes de laboratório foram concluídos com sucesso, os pesquisadores israelenses perceberam que o método poderia funcionar da mesma forma no espaço. Afinal, você pode atingir condições de microgravidade ali, sem a necessidade de um líquido de flutuação. “Liguei para Edward e disse a ele, isso poderia funcionar!”
Os telescópios espaciais têm uma grande vantagem sobre os terrestres, pois não são afetados pela atmosfera nem pela poluição luminosa. O maior problema no desenvolvimento de telescópios espaciais é que seu tamanho é limitado pelo tamanho do lançador. Enquanto na Terra, os telescópios atualmente têm um diâmetro de até 40 metros. O telescópio espacial Hubble tem um espelho de 2,4 metros de diâmetro, e o telescópio James Webb tem um espelho de 6,5 metros de diâmetro – uma conquista que os cientistas levaram 25 anos para chegar a um custo de US $ 9 bilhões, em parte devido à necessidade desenvolver um sistema que permitiria o lançamento do telescópio em uma posição dobrada e então abri-lo automaticamente no espaço.
Já o líquido já vem “dobrado”. Pode-se, por exemplo, encher o lançador com um metal líquido, adicionar um mecanismo de injeção e um anel de expansão e produzir o espelho no espaço. “É uma fantasia”, admite Bercovici. “Minha mãe me perguntou: ‘Quando estará pronto? Eu disse a ela: ‘Talvez em cerca de 20 anos’. Ela disse que não tem tempo para esperar “.
Se esse sonho se tornasse realidade, ele poderia mudar o futuro da pesquisa espacial. Hoje, observa Bercovici, a humanidade não tem a capacidade de olhar diretamente para os exoplanetas – planetas fora do sistema solar, porque para isso seriam necessários telescópios baseados na Terra 10 vezes maiores do que os que existem agora – algo que é completamente impossível com as tecnologias existentes.
Por outro lado, acrescenta Bercovici, o maior lançador espacial atualmente ao redor, Falcon Heavy da SpaceX, pode transportar 20 metros cúbicos de líquido. Teoricamente, ele explica, o Falcon Heavy poderia ser usado para lançar o líquido a um ponto orbital onde o líquido poderia ser usado para produzir um espelho com um diâmetro de 75 metros – um que seria 100 vezes maior em área de superfície e luz coletada do que o telescópio James Webb.
É um sonho, e levará muito tempo para realizá-lo. Mas está sendo levado a sério pela NASA. Junto com uma equipe de engenheiros e cientistas do Centro de Pesquisa Ames da NASA, liderado por Balaban, as primeiras tentativas estão sendo feitas para implementar a tecnologia.
No final de dezembro, um sistema desenvolvido pela equipe do laboratório de Bercovici para permitir que os astronautas produzam e solidifiquem lentes no espaço será enviado à Estação Espacial Internacional, onde uma série de experimentos serão realizados. Antes disso, experimentos serão conduzidos neste fim de semana na Flórida para examinar a viabilidade de produzir lentes de alta qualidade em microgravidade sem a necessidade de um líquido de flutuação.
O Fluidic Telescope Experiment (FLUTE) é realizado em uma aeronave de gravidade reduzida – um avião que teve todos os assentos removidos e é usado para treinar astronautas e para filmar cenas de gravidade zero em filmes. Manobrando na forma de uma parábola inversa – subida seguida de queda livre – condições de microgravidade são criadas dentro do avião por um curto período de tempo. “É conhecido como’ o cometa do vômito ‘por um bom motivo”, diz Bercovici com um sorriso. A queda livre dura cerca de 20 segundos nos quais a gravidade no avião é próxima de zero. Durante esse tempo, os pesquisadores tentarão criar uma lente líquida e realizar medições para provar que a lente é de qualidade suficiente antes que o avião se endireite, a gravidade volte com força total e a lente se transforme em uma poça.
O experimento estava programado para quinta e sexta-feira com dois voos, cada um conduzindo 30 parábolas. Bercovici e a maior parte da equipe do laboratório, incluindo Elgarisi e Luria, estarão lá, assim como Frumkin, que chegará do Massachusetts Institute of Technology.
Durante minha visita ao laboratório Technion, a emoção era palpável. No chão, estavam 60 caixas de papelão contendo 60 pequenos kits autoproduzidos para serem usados no experimento. Luria estava conduzindo melhorias finais de última hora no sistema experimental computadorizado que ele desenvolveu para medir o desempenho das lentes.
Enquanto isso, a equipe estava realizando corridas de treino cronometrado antes do momento da verdade. Um dos membros da equipe fica parado com um cronômetro e os outros têm 20 segundos para produzir uma lente. No próprio avião, as condições serão muito mais difíceis, especialmente depois de algumas quedas livres e elevações para cima em condições de gravidade elevada.
Não é apenas a equipe Technion que está animada. Balaban, principal investigador do Experimento FLUTE da NASA, disse ao Haaretz que “a abordagem de modelagem fluídica pode levar a poderosos telescópios construídos no espaço com aberturas medindo dezenas ou mesmo centenas de metros. Esses telescópios podem, por exemplo, permitir observações diretas de planetas ao redor de outras estrelas, facilitando a análise de alta resolução de suas atmosferas e talvez até mesmo o reconhecimento de características de superfície em grande escala. A abordagem também pode levar a outras aplicações espaciais, como a fabricação no espaço de componentes ópticos de alta qualidade para coleta e transmissão de energia, instrumentos científicos e dispositivos médicos – desempenhando assim um papel importante na economia espacial emergente. ”
Pouco antes de embarcar no avião para a aventura de sua vida, Bercovici faz uma pausa de espanto. “Eu fico me perguntando como ninguém descobriu isso antes”, diz ele. “Sempre que vou a uma conferência, tenho medo de que alguém se levante e diga que algum pesquisador na Rússia fez isso há 60 anos. Afinal, é um método tão simples. “
Publicado em 19/12/2021 20h00
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