קבוצת המחקר של פרופ' מורן ברקוביץ' מהפקולטה להנדסת מכונות בטכניון מקווה לעשות היסטוריה – ולייצר את הרכיב האופטי הראשון של האנושות מחוץ לכדור הארץ. אם ההדגמה תצליח, יום אחד יהיה לאנושות טלסקופ חלל בקוטר מאה מטרים ויותר – שיוכל לצלם כוכבי לכת אחרים ואולי לגלות בהם חיים.
את הניסוי – שנתמך על ידי סוכנות החלל הישראלית במשרד החדשנות, המדע והטכנולוגיה ונערך בשיתוף מרכז המחקר איימס של נאס"א – יבצע האסטרונאוט הישראלי איתן סטיבה במסגרת משימת רקיע, שתשוגר ביום שישי הקרוב (8 באפריל).
צוואר הבקבוק של כל ג'יימס ווב עתידי
"רכיבים אופטיים הם עדשות ומראות, והם נחוצים מאוד בחלל: בקסדה של האסטרונאוט, בחיישנים אופטיים בחללית, במכשור רפואי וכמובן במצלמות", מסביר פרופ' ברקוביץ'. "אם נשגר בעתיד משימות מאוישות ארוכות טווח, כמו למאדים למשל, הן יאלצו להיות עצמאיות ולהסתדר בלי אספקה של רכיבים אופטיים חדשים מכדור הארץ. וכמובן, כבר היום אנחנו נמצאים בצוואר בקבוק רציני בשיגור טלסקופים לחלל: גודל המראה לעומת גודל המשגר".
בנייתו של טלסקופ החלל ג'יימס ווב ארכה כ-25 שנה ועלתה כ-10 מיליארד דולר. סיבה מרכזית לכך היא שקוטר המראה של הטלסקופ הוא שישה וחצי מטרים שעה שקוטר הפנימי של המשגר ששיגר אותה לחלל הוא ארבעה מטרים בלבד. לכן מהנדסי המשימה נאלצו לחלק את המראה ל-18 מראות שונות, לקפל אותן לפני ההמראה ולפרוש אותן מחדש בחלל בכוריאוגרפיה עדינה ומורכבת.
lens.jpg
"אם אנחנו רוצים לצלם כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש, נצטרך טלסקופ חלל עם מראה בסדר גודל של מאות מטרים – וזה כבר בלתי אפשרי", אומר פרופ' ברקוביץ'. "אין לנו את הטכנולוגיה לשגר רקטות בקוטר של מאות מטרים. לכן הגיוני לייצר את האופטיקה בחלל. ואמנם כבר היום יש מדפסת תחת ממד בתחנת החלל הבינלאומית שיכולה להדפיס כמעט כל דבר – אבל מראה כמו המראה של ג'יימס ווב צריכה להיות חלקה ברזולוציה ננומטרית, ומדפסות תלת ממד לא מגיעות לרמת הדיוק הזו. גם ללטש את המראה אי אפשר בחלל, כי מדובר בתהליך מלכלך שמצריך המון אנרגיה ומכשור תעשייתי כבד".
הפתרון של המדענים מהטכניון לבעיה הוא פשוט: להשתמש בתכונה הפיזיקלית הבסיסית של מתח הפנים של נוזלים.
"הודות למתח הפנים, משטח נולי הוא באופן טבעי מאוד חלק. אם נשפוך מים לכוס, מולקולות המים יסתדרו עד שפני המים יהיו מיושרים לחלוטין – עם הפרשים של פחות מננומטר. זאת מתנת חינם מהטבע. בתנאי מיקרו-כבידה בחלל, אותם מים שנשפוך יקבלו צורה כדורית – שזאת צורה התחלתית טובה לאופטיקה. אנחנו מנצלים אם כן את התכונה הידועה של חלקוּת הפנים של הנוזל, ומשתמשים במיקרו-כבידה כדי לקבל טיפה חלקה וכדורית – בדומה לטיפת טל על עלה".
11.jpg
"שלוש שעות בלי הפסקת שירותים ובלי לגרד באף"
כדי להדגים את היתכנות הרעיון, האסטרונאוט הישראלי השני איתן סטיבה יזריק פולימרים – חומרים במצב צבירה נוזלי שאפשר למצק אותם, כמו פלסטיק – לשורה של טבעות בגודל שבין 3 ל-15 ס"מ. ההנחה היא שבתנאי מיקרו-כבידה תיווצר עדשה משני עברי הטבעת. בשלב השני סטיבה ישתמש באור על-סגול כדי למצק את הפולימרים, וכך ליצור שורה של עדשות קעורות וקמורות. אחרי הנחיתה חזרה בכדור הארץ, פרופ' ברקוביץ' ועמיתיו יבדקו את התכונות האופטיות של המראות שנוצרו.
"רוב הציוד, כמו הטבעות, עלה לתחנת החלל הבינלאומית כבר בדצמבר, עם שיגור הדרגון האחרון, אבל מזרק הפולימרים יעלה עם איתן במשימת רקיע. צריך להבין שהניסוי שלנו לא אוטומטי, הוא ידני – וספציפית הוא מבוסס על עבודת הידיים של איתן. את איתן אימנו פעם אחת לפני שהוא טס ליוסטון ופעם נוספת כשטסנו לחברת אקסיום ולמרכז החלל ג'ונסון של נאס"א. אין ספק שזה אתגר. מדובר לא רק בהכרה של כל הציוד ופרטי הניסוי, אלא גם בזיכרון שרירים של תהליך ההזרקה שיערך בתנאים קשים: שלוש שעות של הזרקות בלי הפסקה, כשהידיים של איתן יהיו בתוך תא כפפות. אם מגרד באף – אין מה לעשות. אבל מהחלק הזה אני לא מודאג, כי איתן הוא פדנט אמיתי עם ידיים של טייס קרב".
עבור פרופ' ברקוביץ', עצם ייצורו של רכיב אופטי מוצק בחלל החיצון ייחשב להצלחה גדולה. "אם איתן יחזור עם עדשה מוצקה, אנחנו נהיה ברקיע השביעי. הבדיקות שיגיעו אחר כך הן הבונוס. אנחנו הרי מצפים לסטיות בחלקות העדשות כתוצאה ממיצוק הפולימרים, שכן הנוזל מתכווץ כדי להפוך למוצק, ואת הסטיות הללו נלמד כמובן כדי להגיע לתוצאות טובות יותר בניסוי הבא. אבל מבחינתי העיקרון הוא החשוב. אנחנו באים להראות שאפשר לנצל עקרונות בסיסיים בפיזיקה כדי לחולל פלאים בחלל. היינו רוצים לעודד ילדים לחשוב מחוץ לקופסת כדור הארץ – לא איך לוקחים משהו שעובד כאן וגורמים לו לעבוד בחלל, אלא איך מייצרים בחלל משהו שאפשר לייצר רק בחלל".
סרטון שמדגים כיצד ניתן לייצר עדשה מפולימרים.