Wenn Sie jemals einen Origami-Kranich aus Papier hergestellt haben, bei dem Sie ein quadratisches Stück Bastelpapier durch Falten und Falten in den zarten langhalsigen Vogel verwandelt haben, mag es seltsam erscheinen, dass dieselben Falttechniken verwendet werden, um Strukturen zu entwickeln, die in einem von verwendet werden die fortschrittlichsten Bereiche der modernen Technologie: Weltraummissionen.
Doch Luft- und Raumfahrtingenieure haben sich der jahrtausendealten Kunst des Origami zugewandt, um ein ernstes Rätsel zu lösen: Wie passt man massive Strukturen, wie Schilde, die das Sternenlicht blockieren können, und Segel, die helfen können, Raumfahrzeuge anzutreiben, in die wesentlich kleineren Raketen, die diese Strukturen in den Weltraum tragen? Während die Größen jeder dieser Strukturen variieren, stellen Sie sich vor, Sie versuchen, einen Sonnenschirm mit einem Durchmesser von 28 Metern (etwa die Länge eines Basketballplatzes) in einen Minivan zu passen.
Die Beantwortung dieser Frage ist von zentraler Bedeutung, um zukünftige Weltraummissionen zu ermöglichen, die eines Tages nach erdähnlichen Exoplaneten und Raumfahrzeugen suchen werden, die das Erdsystem mithilfe von Radarfernerkundung besser vermessen werden. Und an vorderster Front bei der Nutzung der Origami-Prinzipien zur Entdeckung möglicher Lösungen für dieses Problem steht der Luft- und Raumfahrtingenieur Manan Arya.
„Wenn wir über große plattenartige Strukturen sprechen, Dinge wie Solaranlagen oder Antennenreflektoren für Raumfahrzeuge, sehen sie aus wie große, dünne Materialschichten“, sagt Arya, die das Stanford Morphing Space Structures Lab leitet. „Also ist es irgendwie natürlich zu denken: ‚Oh, wir machen Falten, wir machen überall Falten.’“
Mathematiker und Physiker seien in den letzten 30 Jahren immer mehr von Origami fasziniert worden, sagt Arya, insbesondere weil sie die Mechanik des Faltens dünner, blattartiger Materialien verstehen. Origami, erklärt Arya, wirft viele Fragen und Probleme über Geometrie, Faltmuster und die Mechanik des Faltens und Knüllens von blattartigen Materialien wie Papier auf. „Einige dieser Probleme wurden von Mathematikern und Physikern angegangen, und einige dieser verlockenden Probleme sind ungelöst.“
Sie sind nicht die einzigen, die den Reiz von Origami erfahren haben. „In den letzten 20 Jahren“, sagt er, „gab es immer mehr Ingenieure, die all diese mathematischen und physikalischen Ideen nahmen und sie für die Verwendung bei der Herstellung von Produkten anpassten.“
Arya begann in diesem Bereich als Student an der University of Toronto, während er mit Sonnensegeln arbeitete, sehr dünnen Segeln, die die Sonnenstrahlung nutzen, um kleine Raumfahrzeuge anzutreiben, wodurch sie von der Notwendigkeit befreit werden, schwere Treibstoffe zu tragen. Um so viel Strahlung wie möglich einzufangen, sind diese Sonnensegel massiv, bis zu 20 mal 20 Meter groß, während das Raumschiff selbst die Größe eines Brotlaibs hat. „Sehr schnell bin ich auf das Problem gekommen, wie Sie diese Segel in das Raumschiff packen?“ sagt Arya. „Am Ende war es ein ziemlich interessantes Problem, wie wir das verpacken, wie wir das falten, und so kam ich zu Origami.“
Arya graduierte 2011 an der University of Toronto und erhielt seinen Ph.D. im Jahr 2016 von Caltech. Bevor er Anfang dieses Jahres nach Stanford kam, brachte er sein Interesse an Origami zum Jet Propulsion Laboratory von Caltech. Dort entwarf und testete er Origami-inspirierte Faltschemata, um eine bedeutende Herausforderung in der Luft- und Raumfahrttechnik zu lösen: die Suche nach erdähnlichen Exoplaneten.
Die Suche nach solchen Exoplaneten ist ein kritischer Forschungsbereich innerhalb der NASA, aber der Versuch, diese Planeten zu finden, ist laut Arya „wie der Versuch, ein Bild von einem Glühwürmchen zu machen, das neben einem Suchscheinwerfer schwebt“. Die Sterne, um die diese Exoplaneten kreisen, sind 1–10 Milliarden Mal heller als der Planet selbst, sodass selbst die leistungsstärksten Teleskope Schwierigkeiten haben, ihr relativ schwaches Leuchten aufzunehmen. (Laut Arya ist es tausendmal einfacher, ein Foto des Glühwürmchens zu machen, wenn man nachrechnet.)
Eine mögliche Lösung für diese Herausforderung ist die Schaffung eines Geräts namens Starshade, das im Wesentlichen eine große Scheibe ist, die eine Art künstliche Sonnenfinsternis erzeugt, die das Sternenlicht um den Faktor 10 Milliarden unterdrücken kann, sodass Wissenschaftler endlich die Exoplaneten sehen können, nach denen sie suchen . Aryas Modell für einen Sternenschirm ist hellgolden und reflektierend, mit einer Spirale, die sich wie eine blühende Blume entfaltet. Im vollständig aufgeklappten Zustand hat Aryas Sternenschirm einen Durchmesser von 26 Metern, etwa die Länge eines Basketballplatzes, und wurde so konzipiert, dass er in einen Zylinder passt, der etwa 2 Meter hoch und 2,5 Meter im Durchmesser ist.
Aber so elegant und optisch auffällig es auch ist, sagt er, es sei noch nicht ganz einsatzbereit. „Starshade wird in seiner jetzigen Version nicht fliegen. Wir befinden uns noch sehr in der Technologieentwicklung“, sagt Arya. Dies liegt daran, dass die NASA wünscht, dass neue Technologien ein bestimmtes Technology Readiness Level (TRL) haben, bevor sie in Weltraummissionen integriert werden. Starshade liegt zwischen TRL4 und TRL5, was bedeutet, dass es noch weitere Tests und Analysen benötigt, bevor es TRL6 erreicht, wo die NASA mit den Vorbereitungen für eine Weltraummission beginnt.
In jüngerer Zeit interessiert sich Arya für Origami, das nicht mit einem einfachen flachen Blatt Papier beginnt, sondern mit etwas, das eher dem Falten eines riesigen Stücks Grünkohl ähnelt. „Er ist gerüscht, er hat all diese Riffelungen; man kann dieses Stück Grünkohl niemals plattdrücken“, erklärt Arya. Die Wellungen verleihen den Raumfahrzeugstrukturen Festigkeit und Stabilität, wodurch sie zusätzliche Funktionen übernehmen können, wie z. B. das Tragen von Lasten, die mit dünnen plattenartigen Materialien nicht möglich sind. Für Arya stellt dies eine Reihe neuer Herausforderungen dar: Wie nimmt man die Origami-Regeln, die für flache Papierbögen entwickelt wurden, und wendet sie auf Dinge an, die nicht flach sind?
Unter den Origami-Puristen mag dies wie eine Falte zu weit erscheinen. Traditionelle Liebhaber der Kunst erwarten, dass jedes Origami-Muster mit einem einzelnen Blatt Papier beginnt, ohne Schnitte, ohne Zusammenkleben mehrerer Blätter Papier. Aber als Arya in das Reich der Verpackung grünkohlartiger Raumstrukturen eindringt, weiß er, dass er diese Kardinalregel brechen muss. „Wir sind Ingenieure, richtig? Wir können Schnitte machen. Wir können mehr Papier aufkleben oder mehrere Blätter Papier zusammenstapeln. Und das führt zu interessanten Verhaltensweisen, interessanten Mechaniken, die für Ingenieure nützlich sind.“
In der Tat, wenn die Regeln verbogen und gebrochen werden, erweitert sich die Anzahl der Lösungen für das Morphen von Raumstrukturen. „Der Gestaltungsspielraum“, sagt Arya, „ist unbegrenzt.“