En stjärnskärm kan hjälpa till att hitta exoplaneter, men att få en inuti en raket är en utmaning. Kredit:Manan Arya
Om du någonsin har gjort en origami-papperskran, med veck och veck för att förvandla en fyrkantig bit hantverkspapper till den känsliga långhalsade fågeln, kan det tyckas konstigt att samma vikningstekniker används för att utveckla strukturer som används i en av de mest avancerade områdena inom modern teknik:rymduppdrag.
Ändå har flygingenjörer vänt sig till millenniekonsten origami för att lösa en allvarlig gåta:Hur passar man in massiva strukturer, som sköldar som kan blockera stjärnljus och segel som kan hjälpa till att driva fram rymdfarkoster, i de betydligt mindre raketerna som bär dessa strukturer ut i rymden? Även om storleken på var och en av dessa strukturer varierar, föreställ dig att du försöker montera ett strandparasoll med en diameter på 28 meter (ungefär längden på en basketplan) i en minibuss.
Att ta reda på svaret på denna fråga är centralt för att möjliggöra framtida rymduppdrag som en dag kommer att söka efter jordliknande exoplaneter och rymdfarkoster som bättre kommer att mäta jordsystemet med radarfjärranalys. Och i spetsen för att använda principerna för origami för att upptäcka potentiella lösningar på detta problem är flygingenjören Manan Arya.
"När vi pratar om stora arkliknande strukturer, saker som solpaneler eller antennreflektorer för rymdfarkoster, ser de ut som stora, tunna ark av material", säger Arya, som leder Stanford Morphing Space Structures Lab. "Så det är lite naturligt att tänka "åh, vi lägger veck, vi lägger veck överallt."
Matematiker och fysiker har blivit allt mer intresserade av origami under de senaste 30 åren, säger Arya, särskilt förstår mekaniken med att vika tunna, arkliknande material. Origami, förklarar Arya, väcker många frågor och problem om geometri, vikmönster och mekaniken för att vika och skrynkla arkliknande material som papper. "Ett antal av dessa problem har tagits upp av matematiker och fysiker, och ett antal av dessa lockande problem är olösta."
De är inte de enda som har upplevt tjusningen med origami. "Under de senaste 20 åren eller så," säger han, "har det blivit fler och fler ingenjörer som har tagit alla dessa typer av matematiska, fysiska idéer och anpassat dem för användning vid tillverkning av produkter."
Arya började inom detta område som en grundutbildning vid University of Toronto medan han arbetade med solsegel, som är mycket tunna segel som använder solens strålning för att driva fram små rymdfarkoster, vilket befriar dem från behovet av att bära tungt drivmedel. För att fånga så mycket strålning som möjligt är dessa solsegel massiva, upp till 20 gånger 20 meter, medan själva rymdfarkosten är lika stor som en limpa. "Mycket snabbt kom jag in på problemet med hur man packar in dessa segel i rymdfarkosten?" säger Arya. "Det blev ett ganska intressant problem när det gäller hur vi paketerar det, hur viker vi det, och det var så jag kom in på origami."
Arya tog examen från University of Toronto 2011 och fick sin doktorsexamen. 2016 från Caltech. Innan han anlände till Stanford tidigare i år tog han sitt intresse för origami till Caltechs Jet Propulsion Laboratory. Medan han var där designade och testade han origami-inspirerade vikningsscheman för att hjälpa till att lösa en betydande utmaning inom flygteknik:att söka efter jordliknande exoplaneter.
Sökandet efter sådana exoplaneter är ett kritiskt område för utforskning inom NASA, men att försöka hitta dessa planeter, säger Arya, är "som att försöka ta en bild av en eldfluga som svävar bredvid en strålkastare." Stjärnorna runt vilka dessa exoplaneter kretsar är 1–10 miljarder gånger ljusare än planeten själv, så även de mest kraftfulla teleskopen kämpar för att fånga upp sin relativa svaga glöd. (Enligt Arya är det ungefär tusen gånger lättare att ta en bild av eldflugan om du räknar.)
En möjlig lösning på denna utmaning är att skapa en enhet som kallas en stjärnskärm, som i huvudsak är en stor skiva som skapar en sorts artificiell förmörkelse som kan dämpa stjärnljus med en faktor på 10 miljarder, vilket gör att forskare äntligen kan se exoplaneterna de letar efter . Aryas modell för en stjärnskärm är ljust guld och reflekterande, med en spiral som utspelar sig som en blommande blomma. När Aryas stjärnskärm är helt utfälld är den 26 meter i diameter, ungefär lika lång som en basketplan, och har designats för att passa in i en cylinder som är cirka 2 meter hög och 2,5 meter i diameter.
Men så elegant och visuellt slående som det är, säger han att det inte riktigt är redo att användas. "Starshade kommer inte att flyga i sin nuvarande version. Vi är fortfarande mycket inne på teknikutveckling", säger Arya. Detta beror, förklarar han, att NASA önskar att ny teknik ska vara på en viss Technology Readiness Level, eller TRL, innan de införlivas i rymduppdrag. Starshade ligger mellan TRL4 och TRL5, vilket betyder att den behöver lite mer testning och analys innan den når TRL6, vilket är när NASA börjar förbereda sig för ett rymduppdrag.
På senare tid har Arya blivit intresserad av origami som inte börjar med vad som i huvudsak är ett enkelt platt pappersark – utan snarare något som liknar att vika en enorm bit grönkål. "Den är ryslig, den har all denna korrugering; du kan aldrig platta till den där grönkålsbiten," förklarar Arya. Korrugeringarna tillför styrka och stabilitet till rymdfarkoststrukturer, vilket gör att de kan ta på sig ytterligare funktioner, såsom lastbärande, som inte är möjliga med tunna arkliknande material. För Arya innebär detta en ny uppsättning utmaningar:Hur tar man reglerna för origami, som utvecklades för platta pappersark, och tillämpar dem på saker som inte är platt?
Bland origami-puristerna kan detta verka som ett veck för långt. Traditionella avicionados av konsten har en förväntning om att varje origamimönster börjar med ett enda pappersark, utan snitt, utan att limma ihop flera pappersark. Men när Arya går in i riket av att förpacka grönkålsliknande rymdstrukturer, vet han att han kommer att behöva bryta denna kardinalregel. "Vi är ingenjörer, eller hur? Vi kan göra snitt. Vi kan limma på mer papper eller stapla flera pappersark tillsammans. Och det ger upphov till intressanta beteenden, intressant mekanik som är användbar för ingenjörer."
När reglerna blir böjda och brutna, ökar faktiskt antalet lösningar för att förvandla rymdstrukturer. "Designutrymmet," säger Arya, "är obegränsat." + Utforska vidare
