Un breve cenno storico
Le origini degli origami risalgono al Giappone antico, e il termine stesso deriva da due parole giapponesi, Ori=piegato e Kami=carta (chi lo avrebbe mai detto?). All’inizio erano limitati alla classe aristocratica, a causa del prezzo elevato della carta, e solo nel periodo Edo (1603-1868) gli origami si diffusero nella società giapponese grazie alla riduzione del prezzo della carta washi: ciò diede origine alla pratica culturale dei pacchetti regalo formali (noshi), alle buste di carta (tato) e alle pieghe delle lettere per una popolazione più ampia. Con la fine poi del Sakoku (la politica estera isolazionista del Giappone) nel 1853, i praticanti di origami iniziarono a incorporare le influenze occidentali.
Circa un secolo più tardi, Akira Yoshizawa, considerato il padre dell’origami moderno, è riuscito ad ispirare un interesse nazionale e internazionale per questa forma d’arte. Yoshizawa ha ideato l’attuale standard di diagramma delle istruzioni per gli origami e ha disegnato innumerevoli modelli, evitando i tagli utilizzati negli origami tradizionali e sviluppando una tecnica di piegatura a umido per rendere le linee più morbide e naturalistiche.
L’antica arte giapponese nel piegare la carta è diventata quindi sempre più complessa nel corso degli anni, e le applicazioni dei principi dell’origami si sono estese al design di mobili, all’arredamento, all’architettura, alla progettazione robotica, alle soluzioni mediche e anche all’ingegneria aerospaziale, dove permettono il dispiegamento di strutture meccaniche molto estese da volumi molto compatti.
La loro applicazione in campo spaziale
ISS
L’applicazione più comune risiede nei pannelli solari e nei radiatori, come nel caso della Stazione Spaziale Internazionale: mentre i pannelli solari vengono “srotolati” come delle antiche pergamene partendo dalla base ancorata alla ISS verso l’esterno, i radiatori sono dispiegati più semplicemente a “fisarmonica”, come si vede nell’immagine sotto (una piegatura che ricorda quella dei bigliettini più raffinati).
Photo: ©ESA
Starshade
Un’altra applicazione più sofisticata degli origami si può trovare nello Starshade, un immenso schermo pieghevole progettato dalla NASA per smorzare la luminosità della luce delle stelle di fondo per ampliare la capacità di rilevamento (di un telescopio spaziale) di esopianeti in orbita attorno ad esse. Per capirci: immaginate di essere in una giornata estiva senza nuvole con il sole che picchia dall’alto; volete fotografare un aeroplano che sta volando a bassa quota, ma la luce del sole rende praticamente bianca la vostra foto. Cosa fate? Se non avete un filtro adatto o sufficientemente “forte”, cercate riparo all’ombra per scattare una nuova foto. Ecco, Starshade può essere combinato con dei telescopi spaziali per migliorarne le foto. Un progetto futuro che si sta valutando per un possibile utilizzo con Starshade è il Wide Field Infrared Survey Telescope, che consentirebbe di rilevare anche i pianeti più piccoli attorto le stelle che osserva.
Qualcosa di così grande (si parla di circa 26 metri di diametro!) può essere facilmente colpito da micrometeoriti, e qualsiasi perforazione potrebbe far passare la luce e peggiorare la capacità di un telescopio di focalizzarsi su oggetti lontani. Per questo motivo il JPL ha scelto un modello di piegatura ispirato agli origami che consente allo Starshade di ripiegarsi in modo fluido, prevedibile e ripetuto. Nelle immagini qui sotto si possono vedere due frame del test che i ricercatori del JPL hanno eseguito durante il dispiegamento del prototipo del disco interno della struttura (trovate il video completo qui https://exoplanets.nasa.gov/resources/2218/10m-starshade-inner-disk-deployment/ )
@Credit: NASA/JPL-Caltech
La tecnica di piegatura dello Starshade è simile a quella dello square-twist, in cui da un foglio quadrato bidimensionale si arriva ad una struttura tridimensionale attraverso una serie di torsioni e piegature di quadrati di base. La tecnica effettivamente utilizzata è “simile” in quanto la parte centrale dello Starshade è circolare (così come la sua geometria bidimensionale) e la struttura si richiude in un cilindro anziché un cubo, ma il principio sottostante è lo stesso.
@Credit: NASA/JPL-Caltech
In ambito accademico la caratterizzazione di fenomeni meccanici come la distorsione, l’accumulo di tensione e la torsione nelle strutture reticolari piegate con tecniche origami è molto complessa. Tre ricercatori dell’Università di Tianjin e Oxford hanno pubblicato un paper [1] dedicato esclusivamente allo studio dello square-twist: il modello a torsione quadrata (square-twist) ha infatti un grande potenziale nella progettazione di metamateriali meccanici (strutture artificiali caratterizzate da proprietà meccaniche definite dalla trama ripetitiva con la quale sono disposte le “celle” di cui sono costituiti, più che dal materiale stesso con cui sono realizzati). Esso ha un forte comportamento autobloccante ed è relativamente facile combinarlo con gli altri modelli (di torsione quadrata) rigidi e non rigidi per formare metamateriali con un’ampia gamma di proprietà sintonizzabili. Tuttavia, la relazione quantitativa tra le proprietà meccaniche del modello e i parametri geometrici e di progettazione del materiale, che è essenziale per la programmabilità dei metamateriali, è finora poco chiara e richiede ulteriori studi.
Fuel bladder by WSU
Un ulteriore utilizzo, questa volta più inusuale, dell’arte degli origami, risiede nello stoccaggio e nel trasporto di carburante nella propulsione spaziale a propellenti liquidi. I ricercatori della Washington State University hanno sviluppato una membrana di plastica (piegata come nell’immagine sotto) ispirandosi agli origami, la quale non si rompe a temperature molto basse e che un giorno potrebbe essere utilizzata per immagazzinare e pompare il carburante. Attraverso una ricerca in letteratura, Westra (uno dei ricercatori coinvolti) si è imbattuto in un vecchio articolo in cui degli ingegneri statunitensi avevano iniziato a studiare gli origami negli anni ’80 e ’90 con l’idea di sfruttarne le forme complesse e l’interessante comportamento meccanico: le pieghe degli origami distribuiscono infatti le sollecitazioni sul materiale, rendendolo meno soggetto a strappi. Utilizzando un sottile foglio di plastica Mylar, Westra e i collaboratori del laboratorio Hydrogen Properties for Energy Research hanno deciso di applicare il design che aveva visto per sviluppare una fuel bladder, tradotta letteralmente come “membrana di carburante”
I ricercatori hanno scoperto che la membrana può essere schiacciata almeno 100 volte senza rompersi o subire perdite in condizioni operative molto fredde e stanno ora iniziando a condurre test più rigorosi. Hanno in programma di effettuare dei test con l’idrogeno liquido, valutando la capacità di immagazzinare ed espellere il carburante e confrontando le velocità di flusso della loro membrana con i sistemi attuali.
Photo: © Washington State University
Per concludere
L’uso degli origami nello spazio rappresenta un campo di ricerca e sviluppo molto promettente, e le loro peculiarità come la leggerezza, la compattezza e la capacità di essere ripiegati e dispiegati con precisione, possono offrire forti vantaggi per la progettazione di dispositivi spaziali. Tuttavia, per massimizzare il loro potenziale, è necessario continuare ad approfondire la comprensione delle loro proprietà meccaniche e a sviluppare modelli accurati per prevedere il loro comportamento nello spazio.
A CURA DI
FONTI:
https://paper.gatech.edu/kinetic-joy/history-origami
https://www.youtube.com/watch?v=Ly3hMBD4h5E
https://www.jpl.nasa.gov/news/what-looks-good-on-paper-may-look-good-in-space
https://globalnews.ca/news/10037710/origami-in-space/
https://www.youtube.com/watch?v=HWZRhg0iez0
https://news.wsu.edu/press-release/2020/12/15/researchers-use-origami-solve-space-travel-challenge/
[1] Shixi Zang, Jiayao Ma, Zhong You, Yan Chen,Deformation characteristics and mechanical properties tuning of a non-rigid square-twist origami structure with rotational symmetry,Thin-Walled Structures, Volume 179, 2022.FONTI IMMAGINI E VIDEO:
https://exoplanets.nasa.gov/resources/1015/flower-power-nasa-reveals-spring-starshade-animation/
https://exoplanets.nasa.gov/resources/2218/10m-starshade-inner-disk-deployment/
https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2013/05/Ammonia_radiators_on_Station
https://news.wsu.edu/press-release/2020/12/15/researchers-use-origami-solve-space-travel-challenge/