Uno Starshade può aiutare a trovare esopianeti, ma inserirne uno all'interno di un razzo è una sfida. Credito:Manan Arya
Se hai mai realizzato una gru di carta origami, usando pieghe e pieghe per trasformare un pezzo quadrato di carta artigianale nel delicato uccello dal collo lungo, può sembrare strano che quelle stesse tecniche di piegatura vengano utilizzate per sviluppare strutture utilizzate in uno dei le aree più avanzate della tecnologia moderna:le missioni spaziali.
Eppure gli ingegneri aerospaziali si sono rivolti all'arte millenaria dell'origami per risolvere un serio enigma:come si adattano strutture enormi, come scudi che possono bloccare la luce delle stelle e vele che possono aiutare a spingere i veicoli spaziali, nei razzi significativamente più piccoli che trasportano queste strutture nello spazio? Anche se le dimensioni di ciascuna di queste strutture variano, immaginati mentre cerchi di inserire un ombrellone con un diametro di 28 metri (circa la lunghezza di un campo da basket) in un minivan.
Capire la risposta a questa domanda è fondamentale per consentire future missioni spaziali che un giorno cercheranno esopianeti simili alla Terra e veicoli spaziali che misureranno meglio il sistema Terra usando il telerilevamento radar. E in prima linea nell'utilizzo dei principi dell'origami per scoprire potenziali soluzioni a questo problema c'è l'ingegnere aerospaziale Manan Arya.
"Quando parliamo di grandi strutture simili a lastre, cose come pannelli solari o riflettori di antenne per veicoli spaziali, sembrano grandi e sottili fogli di materiale", afferma Arya, che guida lo Stanford Morphing Space Structures Lab. "Quindi è abbastanza naturale pensare, 'oh, mettiamo le pieghe, mettiamo le pieghe ovunque'".
Matematici e fisici sono diventati sempre più incuriositi dagli origami negli ultimi 30 anni, afferma Arya, comprendendo in particolare i meccanismi di piegatura di materiali sottili simili a fogli. L'origami, spiega Arya, solleva molte domande e problemi sulla geometria, sui modelli di piega e sui meccanismi di piegatura e accartocciamento di materiali simili a fogli come la carta. "Alcuni di questi problemi sono stati affrontati da matematici e fisici e molti di questi allettanti problemi sono irrisolti."
Non sono gli unici ad aver sperimentato il fascino degli origami. "Negli ultimi 20 anni circa", dice, "ci sono stati sempre più ingegneri che hanno preso tutti questi tipi di idee matematiche e fisiche e le hanno adattate per l'uso nella realizzazione di prodotti".
Arya ha iniziato in questo campo come studente universitario presso l'Università di Toronto mentre lavorava con le vele solari, che sono vele molto sottili che utilizzano la radiazione solare per azionare piccole astronavi, liberandole dalla necessità di trasportare propellente pesante. Per catturare quanta più radiazione possibile, queste vele solari sono enormi, fino a 20 x 20 metri, mentre il veicolo spaziale stesso ha le dimensioni di una pagnotta. "Molto rapidamente, sono passato al problema di come imballare queste vele nella navicella?" dice Aria. "È finito per essere un problema piuttosto interessante in termini di come lo confezioniamo, come lo pieghiamo ed è così che sono entrato nell'origami."
Arya si è laureata all'Università di Toronto nel 2011 e ha conseguito il dottorato di ricerca. nel 2016 da Caltech. Prima di arrivare a Stanford all'inizio di quest'anno, ha portato il suo interesse per gli origami al Jet Propulsion Laboratory del Caltech. Mentre era lì, ha progettato e testato schemi di piegatura ispirati agli origami per aiutare a risolvere una sfida significativa nell'ingegneria aerospaziale:la ricerca di esopianeti simili alla Terra.
La ricerca di tali esopianeti è un'area critica di esplorazione all'interno della NASA, ma cercare di trovare questi pianeti, dice Arya, è "come cercare di scattare una foto di una lucciola che si libra accanto a un riflettore". Le stelle attorno alle quali orbitano questi esopianeti sono da 1 a 10 miliardi di volte più luminose del pianeta stesso, quindi anche i telescopi più potenti faticano a captare il loro relativo debole bagliore. (Secondo Arya, se fai i conti, fotografare la lucciola è circa mille volte più facile.)
Una possibile soluzione a questa sfida è la creazione di un dispositivo chiamato Starshade, che è essenzialmente un grande disco che crea una sorta di eclissi artificiale in grado di sopprimere la luce stellare di un fattore di 10 miliardi, consentendo agli scienziati di vedere finalmente gli esopianeti che stanno cercando . Il modello di Arya per un paralume è oro brillante e riflettente, con una spirale che si apre come un fiore che sboccia. Quando è completamente aperto, lo starshade di Arya ha un diametro di 26 metri, all'incirca la lunghezza di un campo da basket, ed è stato progettato per adattarsi a un cilindro alto circa 2 metri e con un diametro di 2,5 metri.
Ma per quanto sia elegante e visivamente sorprendente, dice che non è ancora pronto per essere distribuito. "Starshade non volerà nella sua versione attuale. Siamo ancora molto nello sviluppo tecnologico", afferma Arya. Questo perché, spiega, la NASA desidera che le nuove tecnologie siano a un certo livello di preparazione tecnologica, o TRL, prima che vengano incorporate nelle missioni spaziali. Starshade è compreso tra TRL4 e TRL5, il che significa che ha bisogno di ulteriori test e analisi prima di raggiungere TRL6, quando la NASA inizia a prepararsi per una missione spaziale.
Più recentemente, Arya si è interessata all'origami che non inizia con quello che è essenzialmente un semplice foglio di carta piatto, ma piuttosto qualcosa di più simile a piegare un enorme pezzo di cavolo. "È friabile, ha tutta questa ondulazione; non puoi mai appiattire quel pezzo di cavolo", spiega Arya. Le corrugazioni aggiungono forza e stabilità alle strutture dei veicoli spaziali, che consentono loro di assumere funzioni aggiuntive, come la capacità di carico, che non sono possibili con materiali simili a fogli sottili. Per Arya questo presenta una nuova serie di sfide:come prendi le regole degli origami, che sono state sviluppate per fogli di carta piatti, e le applichi a cose che non sono piatte?
Tra i puristi dell'origami, questo può sembrare una piega troppo lontana. Gli appassionati tradizionali dell'arte si aspettano che ogni modello di origami inizi con un singolo foglio di carta, senza tagli, senza incollare più fogli di carta insieme. Ma quando Arya entra nel regno del confezionamento di strutture spaziali simili a cavoli, sa che dovrà infrangere questa regola cardinale. "Siamo ingegneri, giusto? Possiamo eseguire tagli. Possiamo incollare più carta o impilare più fogli di carta insieme. E questo dà origine a comportamenti interessanti, meccaniche interessanti che sono utili per gli ingegneri".
Infatti, man mano che le regole vengono piegate e infrante, il numero di soluzioni per il morphing delle strutture spaziali si espande. "Lo spazio di progettazione", afferma Arya, "è illimitato". + Esplora ulteriormente
