Als je ooit een origami-papierkraan hebt gemaakt, waarbij je vouwen en vouwen gebruikt om een ​​vierkant stuk kraftpapier te transformeren in de delicate vogel met de lange nek, lijkt het misschien vreemd dat dezelfde vouwtechnieken worden gebruikt om structuren te ontwikkelen die worden gebruikt in een van de meest geavanceerde gebieden van moderne technologie:ruimtemissies.

Maar lucht- en ruimtevaartingenieurs hebben zich tot de duizendjarige kunst van origami gewend om een ​​serieus raadsel op te lossen:hoe pas je massieve constructies, zoals schilden die sterrenlicht kunnen blokkeren en zeilen die kunnen helpen ruimtevaartuigen voort te stuwen, in de aanzienlijk kleinere raketten die deze constructies de ruimte in dragen? Hoewel de afmetingen van elk van deze structuren variëren, stelt u zich eens voor dat u een parasol met een diameter van 28 meter (ongeveer de lengte van een basketbalveld) in een minibus probeert te passen.

Het vinden van het antwoord op deze vraag staat centraal om toekomstige ruimtemissies mogelijk te maken die op een dag zullen zoeken naar aardachtige exoplaneten en ruimtevaartuigen die het aardsysteem beter zullen meten met behulp van radar-remote-sensing. En in de voorhoede van het gebruik van de principes van origami om mogelijke oplossingen voor dit probleem te ontdekken, is ruimtevaartingenieur Manan Arya.

"Als we het hebben over grote plaatachtige structuren, zoals zonnepanelen of antennereflectoren voor ruimtevaartuigen, zien ze eruit als grote, dunne platen materiaal", zegt Arya, die leiding geeft aan het Stanford Morphing Space Structures Lab. "Dus het is een beetje natuurlijk om te denken, 'oh, we zetten plooien, we zetten overal vouwen.'"

Wiskundigen en natuurkundigen zijn de afgelopen 30 jaar steeds meer geïntrigeerd geraakt door origami, zegt Arya, en hij begrijpt vooral de mechanica van het vouwen van dunne, velachtige materialen. Origami, legt Arya uit, roept veel vragen en problemen op over geometrie, vouwpatronen en de mechanica van het vouwen en verkreukelen van velachtige materialen zoals papier. "Een aantal van deze problemen zijn aangepakt door wiskundigen en natuurkundigen, en een aantal van deze aanlokkelijke problemen zijn onopgelost."

Zij zijn niet de enigen die de allure van origami hebben ervaren. "In de afgelopen 20 jaar", zegt hij, "zijn er steeds meer ingenieurs geweest die al dit soort wiskundige, fysieke ideeën hebben gebruikt en deze hebben aangepast voor gebruik bij het maken van producten."

Arya begon op dit gebied als student aan de Universiteit van Toronto terwijl hij werkte met zonnezeilen, zeer dunne zeilen die de zonnestraling gebruiken om kleine ruimtevaartuigen voort te stuwen, waardoor ze geen zwaar drijfgas hoeven te dragen. Om zoveel mogelijk straling op te vangen, zijn deze zonnezeilen enorm, tot 20 bij 20 meter, terwijl het ruimtevaartuig zelf zo groot is als een brood. "Heel snel raakte ik in het probleem van hoe je deze zeilen in het ruimtevaartuig verpakt?" zegt Arie. "Het werd uiteindelijk een heel interessant probleem in termen van hoe we dat verpakken, hoe we dat vouwen, en zo kwam ik in origami terecht."

Arya studeerde in 2011 af aan de Universiteit van Toronto en behaalde zijn Ph.D. in 2016 van Caltech. Voordat hij eerder dit jaar op Stanford aankwam, bracht hij zijn interesse in origami naar het Jet Propulsion Laboratory van Caltech. Terwijl hij daar was, ontwierp en testte hij op origami geïnspireerde vouwschema's om een ​​belangrijke uitdaging in de lucht- en ruimtevaarttechniek op te lossen:het zoeken naar aardachtige exoplaneten.

De zoektocht naar dergelijke exoplaneten is een cruciaal onderzoeksgebied binnen NASA, maar het proberen om deze planeten te vinden, zegt Arya, is "zoals proberen een foto te maken van een vuurvlieg die naast een zoeklicht zweeft." De sterren waar deze exoplaneten omheen draaien, zijn 1-10 miljard keer helderder dan de planeet zelf, dus zelfs de krachtigste telescopen hebben moeite om hun relatief zwakke gloed op te vangen. (Volgens Arya is het maken van een foto van de vuurvlieg ongeveer duizend keer gemakkelijker als je de wiskunde doet.)

Een mogelijke oplossing voor deze uitdaging is het creëren van een apparaat genaamd sterrenschaduw, dat in wezen een grote schijf is die een soort kunstmatige zonsverduistering creëert die het sterlicht met een factor 10 miljard kan onderdrukken, waardoor wetenschappers eindelijk de exoplaneten kunnen zien waarnaar ze op zoek zijn . Arya's model voor een sterrenkap is helder goud en reflecterend, met een spiraal die zich ontvouwt als een bloeiende bloem. Volledig uitgevouwen heeft Arya's sterrenkap een diameter van 26 meter, ongeveer de lengte van een basketbalveld, en is ontworpen om in een cilinder te passen van ongeveer 2 meter hoog en 2,5 meter in diameter.

Maar hoe elegant en visueel opvallend het ook is, hij zegt dat het nog niet helemaal klaar is om te worden ingezet. "Starshade gaat niet vliegen in de huidige versie. We zijn nog volop bezig met technologische ontwikkeling", zegt Arya. Dit komt omdat, legt hij uit, NASA wil dat nieuwe technologieën op een bepaald Technology Readiness Level, of TRL, zijn voordat ze worden opgenomen in ruimtemissies. Starshade bevindt zich tussen TRL4 en TRL5, wat betekent dat het nog wat meer testen en analyses nodig heeft voordat het TRL6 bereikt, het moment waarop NASA zich begint voor te bereiden op een ruimtemissie.

Meer recentelijk is Arya geïnteresseerd geraakt in origami die niet begint met wat in wezen een eenvoudig plat vel papier is, maar eerder iets dat meer lijkt op het vouwen van een enorm stuk boerenkool. "Het is franje, het heeft al deze golven; je kunt dat stuk boerenkool nooit plat maken", legt Arya uit. De golvingen voegen sterkte en stabiliteit toe aan ruimtevaartuigstructuren, waardoor ze extra functies kunnen vervullen, zoals belasting, die niet mogelijk zijn met dunne plaatachtige materialen. Voor Arya brengt dit een nieuwe reeks uitdagingen met zich mee:hoe pas je de regels van origami, die zijn ontwikkeld voor platte vellen papier, toe op dingen die niet plat zijn?

Onder de origami-puristen lijkt dit misschien een vouw te ver. Traditionele liefhebbers van de kunst hebben de verwachting dat elk origamipatroon begint met een enkel vel papier, zonder sneden, zonder meerdere vellen papier aan elkaar te lijmen. Maar als Arya het rijk betreedt van het verpakken van boerenkoolachtige ruimtestructuren, weet hij dat hij deze hoofdregel zal moeten breken. "We zijn toch ingenieurs? We kunnen snijden. We kunnen meer papier opplakken of meerdere vellen papier op elkaar stapelen. En dat leidt tot interessant gedrag, interessante mechanica die nuttig is voor ingenieurs."

Inderdaad, naarmate de regels worden verbogen en gebroken, breidt het aantal oplossingen voor het veranderen van ruimtestructuren zich uit. "De ontwerpruimte", zegt Arya, "is onbeperkt." + Verder verkennen

Ingenieurs verkennen origami om opvouwbaar ruimtevaartuig te maken