Ruimtevoertuigen zoals de Falcon 9 van SpaceX zijn ontworpen om herbruikbaar te zijn. Maar dit betekent dat, zoals Olympische gymnasten die hopen op een gouden medaille, ze moeten hun landingen vasthouden.

Landen is belastend voor de benen van een raket omdat ze de kracht van de impact met het landingsplatform moeten opvangen. Een manier om dit te bestrijden is om benen te bouwen van materialen die een deel van de kracht absorberen en de klap verzachten.

Onderzoekers van de Universiteit van Washington hebben een nieuwe oplossing ontwikkeld om de impactkrachten te verminderen - voor mogelijke toepassingen in ruimtevaartuigen, auto's en verder. Geïnspireerd door de papiervouwkunst van origami, het team creëerde een papieren model van een metamateriaal dat "vouwplooien" gebruikt om impactkrachten te verzachten en in plaats daarvan krachten te bevorderen die spanningen in de ketting ontspannen. Het team publiceerde zijn resultaten op 24 mei in wetenschappelijke vooruitgang .

"Als je een voetbalhelm van dit materiaal zou dragen en er iets tegen de helm zou stoten, je zou nooit die klap op je hoofd voelen. Tegen de tijd dat de energie je bereikt, het duwt niet meer. Het trekt, " zei corresponderende auteur Jinkyu Yang, een UW universitair hoofddocent luchtvaart en ruimtevaart.

Yang en zijn team ontwierpen dit nieuwe metamateriaal om de eigenschappen te hebben die ze wilden.

"Metamaterialen zijn als lego's. Je kunt allerlei soorten constructies maken door een enkel type bouwsteen te herhalen, of eenheidscel zoals we het noemen, " zei hij. "Afhankelijk van hoe je je eenheidscel ontwerpt, je kunt een materiaal creëren met unieke mechanische eigenschappen die ongekend zijn in de natuur."

De onderzoekers wendden zich tot de kunst van origami om deze specifieke eenheidscel te maken.

"Origami is geweldig om de eenheidscel te realiseren, " zei co-auteur Yasuhiro Miyazawa, een UW-promovendus in de luchtvaart en ruimtevaart. "Door te veranderen waar we plooien aanbrengen in platte materialen, we kunnen materialen ontwerpen die verschillende mate van stijfheid vertonen wanneer ze vouwen en ontvouwen. Hier hebben we een eenheidscel gemaakt die de kracht verzacht die het voelt als iemand erop drukt, en het accentueert de spanning die volgt als de cel terugkeert naar zijn normale vorm."

Net als origami, deze prototypes van eenheidscellen zijn gemaakt van papier. De onderzoekers gebruikten een lasersnijder om stippellijnen in papier te snijden om aan te geven waar ze moesten vouwen. Het team vouwde het papier langs de lijnen om een ​​cilindrische structuur te vormen, en vervolgens aan beide uiteinden acryldoppen gelijmd om de cellen tot een lange ketting te verbinden.

De onderzoekers stelden 20 cellen op een rij en verbonden het ene uiteinde met een apparaat dat een reactie door de hele keten duwde en veroorzaakte. Met behulp van zes GoPro-camera's, het team volgde de initiële compressiegolf en de volgende spanningsgolf toen de eenheidscellen weer normaal werden.

De ketting bestaande uit de origamicellen vertoonde de contra-intuïtieve golfbeweging:hoewel de samendrukkende duwkracht van het apparaat de hele reactie op gang bracht, die kracht heeft nooit het andere uiteinde van de ketting bereikt. In plaats daarvan, het werd vervangen door de spankracht die begon toen de eerste eenheidscellen weer normaal werden en zich steeds sneller door de keten voortplantten. Dus de eenheidscellen aan het einde van de ketting voelden alleen de spankracht die ze terugtrok.

"Impact is een probleem dat we dagelijks tegenkomen, en ons systeem biedt een volledig nieuwe benadering om de effecten ervan te verminderen. Bijvoorbeeld, we willen het gebruiken om zowel mensen als auto's te helpen beter af te zijn bij auto-ongelukken, " zei Yang. "Op dit moment is het gemaakt van papier, maar we zijn van plan om het van een composietmateriaal te maken. Ideaal, we konden het materiaal voor elke specifieke toepassing optimaliseren."