פרויקט FLUTE המשותף לנאס"א ולקבוצת המחקר של פרופ' מורן ברקוביץ' מהפקולטה להנדסת מכונות בטכניון עלה לשלב ב' בתחרות NIAC היוקרתית של נאס"א לטכנולוגיות פורצות דרך. FLUTE תקבל עתה מימון בסך 600,000 דולר למשך שנתיים לצורך בדיקת היתכנות לשיגור טלסקופ חלל ענק – שמראתו תיווצר מעצמה בחלל, הודות לתכונה הפיזיקלית הבסיסית של מתח פנים של נוזלים. את הפרויקט בצד של נאס"א מוביל פרופ' אדוארד בלבן ממרכז המחקר איימס.
"NIAC הוא פרויקט הדגל של נאס"א לתמיכה בפרויקטים חדשניים, הרעיונות המשוגעים ממש", צוחק פרופ' ברקוביץ' בראיון לאתר סוכנות החלל הישראלית. "לפני שבועיים קיבלנו את ההודעה המשמחת שעלינו לשלב ב'. זה סינון רציני מאוד – לשלב א' הוגשו מאות הצעות – וכעת שישה פרויקטים עלו לשלב ב'. בשלב ג' יערך סינון נוסף, ומי שיישאר יזכה למימון נוסף, גדול עוד יותר, בתקווה שבסופו נוכל לשגר מדגים לחלל".
צוואר הבקבוק של מצפי כוכבים בחלל
FLUTE נועד לשגר לחלל טלסקופים בעלי קוטר של 50 מטרים ויותר, שבין היתר יאפשרו לאנושות לצפות ישירות בכוכבי לכת מחוץ למערכת השמש – ולחפש בהם חיים. צוואר הבקבוק של טלסקופים בחלל היא המראה: בנייתו של טלסקופ החלל ג'יימס ווב ארכה כ-25 שנה ועלתה כ-10 מיליארד דולר. הסיבה המרכזית לעלות הגבוהה ולמורכבות המשימה היא שקוטר המראה של ג'יימס ווב הוא שישה וחצי מטרים, שעה שקוטרו הפנימי של המשגר ששיגר אותה לחלל, הוא ארבעה מטרים בלבד. לכן מהנדסי המשימה נאלצו לחלק את המראה ל-18 מראות, לקפל אותן לפני ההמראה ולפרוש אותן מחדש בחלל בכוראוגרפיה עדינה ומורכבת.
לקראת שיגורו של איתן סטיבה לחלל פרופ' ברקוביץ' הסביר כי "אם אנחנו רוצים לצלם כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש, נצטרך טלסקופ חלל עם מראה בסדר גודל של עשרות ומאות מטרים – וזה כבר בלתי אפשרי. אין לנו את הטכנולוגיה לשגר מרקיעים 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 לרזולוציות הללו. גם ללטש את המראה אי אפשר בחלל, כי מדובר בתהליך מלכלך שמצריך המון אנרגיה ומכשור תעשייתי כבד".
הפתרון של המדענים מהטכניון הוא פשוט: להשתמש בתכונה הפיזיקלית הבסיסית של מתח הפנים של נוזלים. "הודות למתח הפנים, משטחים נוזליים הם באופן טבעי מאוד חלקים. אם נשפוך מים לכוס, מולקולות המים יסתדרו עד שפני המים יהיו חלקים לחלוטין – עם הפרשים של פחות מננומטר. זאת מתנת חינם מהטבע. בתנאי מיקרו-כבידה בחלל, אותם מים שנשפוך גם יקבלו צורה כדורית – שזאת צורה התחלתית טובה לאופטיקה. אנחנו מנצלים אם כן את התכונה הידועה של חלקוּת פני השטח של הנוזל, ומשתמשים במיקרו-כבידה כדי לקבל טיפה חלקה וכדורית – בדומה לטיפת טל על עלה".
מעדשות בהזרקה ידנית למראות של טלסקופ
ב-2022 ובמסגרת משימת רקיע במימון סוכנות החלל הישראלית, האסטרונאוט הישראלי השני איתן סטיבה הדגים את הרעיון הבסיסי שמאחורי FLUTE כשהזריק פולימרים – חומרים במצב צבירה נוזלי שאפשר למצק אותם, כמו פלסטיק – לשורה של טבעות בגודל שבין 3 ל-15 ס"מ. בתנאי מיקרו-כבידה נוצרה עדשה משני עברי הטבעת. בשלב השני סטיבה השתמש באור על-סגול כדי למצק את הפולימרים, וכך יצר שורה של עדשות קעורות וקמורות. אחרי הנחיתה חזרה בכדור הארץ, פרופ' ברקוביץ' ועמיתיו בדקו את התכונות האופטיות של העדשות שנוצרו.
יצוין כי עדשות נחוצות לשהייה בחלל: בקסדה של האסטרונאוטים, בחיישנים אופטיים בחללית, במכשור רפואי וכמובן במצלמות. משימות מאוישות ארוכות טווח, כמו למאדים למשל, הן יאלצו להיות עצמאיות ולהסתדר בלי אספקה של רכיבים אופטיים חדשים מכדור הארץ.
"הניסוי של איתן היה הדגמה בפועל, בתחנת החלל, שהטכנולוגיה אכן עובדת", אומר כעת פרופ' ברקוביץ'. "מאז ביצענו עוד ניסויים בטיסה פרבולית [טיסה המדמה מיקרו-כבידה – ע.כ.], שבהם הוכחנו שאנחנו מסוגלים לייצר גם מראות מנוזלים – שכן רוב הטלסקופים בחלל משתמשים במראות, לא בעדשות. כעת, אחרי ההכרזה המשמחת של NIAC, אנחנו מתקדמים שני אפיקים במקביל: אנחנו ממשיכים לשכלל ולדייק את הטכנולוגיה, למשל בטיסות פרבוליות נוספות שמתוכננות לנו באוגוסט עם נאס"א, וגם בתכנון המשימה של הטלסקופ העתידי. נצטרך לתכנן למשל איך לקפל את המסגרת לתוך המרקיע, כמה דלק נצטרך ולאיזו נקודה בחלל כדאי לשלוח את הטלסקופ. ובשלב השלישי נבנה מדגים בקנה מידה קטן ונשגר אותו לחלל".
