Ingeniør bruger gammel kunst med origami til at løse et meget moderne rumfartsproblem

Hvis du nogensinde har lavet en origami papirkran ved at bruge folder og folder til at omdanne et firkantet stykke håndværkspapir til den sarte langhalsede fugl, kan det virke mærkeligt, at de samme foldeteknikker bliver brugt til at udvikle strukturer, der bruges i en af de mest avancerede områder inden for moderne teknologi:rummissioner.

Alligevel har luft- og rumfartsingeniører vendt sig til den tusindårige kunst af origami for at løse en alvorlig gåde:Hvordan monterer man massive strukturer, som skjolde, der kan blokere stjernelys og sejl, der kan hjælpe med at fremdrive rumfartøjer, i de væsentligt mindre raketter, der fører disse strukturer ud i rummet? Mens størrelserne på hver af disse strukturer varierer, kan du forestille dig, at du prøver at montere en strandparasol med en diameter på 28 meter (ca. længden af ​​en basketballbane) i en minivan.

At finde ud af svaret på dette spørgsmål er centralt for at muliggøre fremtidige rummissioner, der en dag vil søge efter jordlignende exoplaneter og rumfartøjer, der bedre vil måle jordsystemet ved hjælp af radarfjernmåling. Og i spidsen for at bruge principperne for origami til at finde potentielle løsninger på dette problem er rumfartsingeniør Manan Arya.

"Når vi taler om store arklignende strukturer, ting som solarrays eller antennereflektorer til rumfartøjer, ligner de store, tynde ark materiale," siger Arya, der leder Stanford Morphing Space Structures Lab. "Så det er lidt naturligt at tænke, 'åh, vi lægger folder, vi lægger folder overalt'."

Matematikere og fysikere er blevet mere og mere fascinerede af origami i løbet af de sidste 30 år, siger Arya, der især forstår mekanikken ved at folde tynde, arklignende materialer. Origami, forklarer Arya, rejser mange spørgsmål og problemer om geometri, foldemønstre og mekanikken ved at folde og krølle arklignende materialer som papir. "En række af disse problemer er blevet behandlet af matematikere og fysikere, og en række af disse lokkende problemer er uløste."

De er ikke de eneste, der har oplevet forlokkelsen ved origami. "I de sidste 20 år eller deromkring," siger han, "har der været flere og flere ingeniører, der har taget alle disse slags matematiske, fysiske ideer og tilpasset dem til brug i fremstillingen af ​​produkter."

Arya startede inden for dette felt som bachelorstuderende ved University of Toronto, mens han arbejdede med solsejl, som er meget tynde sejl, der bruger solens stråling til at fremdrive små rumfartøjer og befri dem for behovet for at transportere tungt drivmiddel. For at fange så meget stråling som muligt er disse solsejl massive, op til 20 gange 20 meter, mens selve rumfartøjet er på størrelse med et brød. "Meget hurtigt kom jeg ind i problemet med, hvordan man pakker disse sejl ind i rumfartøjet?" siger Arya. "Det endte med at være et ret interessant problem med hensyn til, hvordan vi pakker det, hvordan folder vi det, og det var sådan, jeg kom til origami."

Arya dimitterede fra University of Toronto i 2011 og modtog sin ph.d. i 2016 fra Caltech. Før han ankom til Stanford tidligere på året, bragte han sin interesse for origami til Caltechs Jet Propulsion Laboratory. Mens han var der, designede og testede han origami-inspirerede foldeskemaer for at hjælpe med at løse en væsentlig udfordring inden for rumfartsteknik:at søge efter jordlignende exoplaneter.

Søgningen efter sådanne exoplaneter er et kritisk udforskningsområde inden for NASA, men at prøve at finde disse planeter, siger Arya, er "som at prøve at tage et billede af en ildflue, der svæver ved siden af ​​en søgelys." Stjernerne, som disse exoplaneter kredser om, er 1-10 milliarder gange lysere end planeten selv, så selv de kraftigste teleskoper kæmper for at opfange deres relative svage glød. (Ifølge Arya, hvis du regner, er det omkring tusind gange nemmere at tage et billede af ildfluen.)

En mulig løsning på denne udfordring er at skabe en enhed kaldet en stjerneskygge, som i bund og grund er en stor skive, der skaber en slags kunstig formørkelse, der kan undertrykke stjernelys med en faktor på 10 milliarder, hvilket gør det muligt for videnskabsmænd endelig at se de exoplaneter, de leder efter . Aryas model for en stjerneskærm er lys guld og reflekterende, med en spiral, der folder sig ud som en blomstrende blomst. Når Aryas stjerneskærm er foldet helt ud, er den 26 meter i diameter, omtrent på længden af ​​en basketballbane, og den er designet til at passe ind i en cylinder, der er omkring 2 meter høj og 2,5 meter i diameter.

Men lige så elegant og visuelt slående som det er, siger han, at det ikke er helt klar til at blive indsat. "Starshade kommer ikke til at flyve i sin nuværende version. Vi er stadig meget i teknologiudvikling," siger Arya. Dette skyldes, forklarer han, at NASA ønsker, at nye teknologier skal være på et vist teknologisk beredskabsniveau, eller TRL, før de bliver inkorporeret i rummissioner. Stjerneskygge er mellem TRL4 og TRL5, hvilket betyder, at den har brug for nogle flere tests og analyser, før den når TRL6, hvilket er, når NASA begynder at forberede sig til en rummission.

For nylig er Arya blevet interesseret i origami, der ikke starter med, hvad der i bund og grund er et simpelt fladt ark papir - men snarere noget, der ligner at folde et enormt stykke grønkål. "Den er frilly, den har al den her korrugering; du kan aldrig flade det stykke grønkål," forklarer Arya. Korrugeringerne tilføjer styrke og stabilitet til rumfartøjsstrukturer, som giver dem mulighed for at påtage sig yderligere funktioner, såsom lastbærende, som ikke er mulige med tynde pladelignende materialer. For Arya giver dette et nyt sæt udfordringer:Hvordan tager man reglerne for origami, som blev udviklet til flade ark papir, og anvender dem på ting, der ikke er flade?

Blandt origami-puristerne kan dette virke som en fold for langt. Traditionelle aficionados af kunsten har en forventning om, at hvert origami-mønster starter med et enkelt ark papir, uden snit, uden at lime flere ark papir sammen. Men da Arya træder ind i området for at pakke grønkålslignende rumstrukturer, ved han, at han bliver nødt til at bryde denne kardinalregel. "Vi er ingeniører, ikke? Vi kan lave snit. Vi kan lime mere papir på eller stable flere ark papir sammen. Og det giver anledning til interessant adfærd, interessant mekanik, der er nyttig for ingeniører."

Faktisk, efterhånden som reglerne bliver bøjet og brudt, udvides antallet af løsninger til morphing rumstrukturer. "Designrummet," siger Arya, "er ubegrænset." + Udforsk yderligere

Ingeniører udforsker origami for at skabe foldefartøjer