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Origami spaziali per rientrare con dolcezza

All’università di Washington si stanno progettando “arti retrattili” con una struttura basata sull’antica arte giapponese di piegare la carta, da utilizzare come punto di partenza per la costruzione di sistemi di atterraggio dei razzi riutilizzabili e ridurre gli effetti dell’impatto con il suolo.

La singola unità pieghevole che il team di ricercatori ha utilizzato come base di partenza per la creazione del cordone sul quale hanno effettuato i test di compressione. Credit: Kiyomi Taguchi/University of Washington

Lanciatori come il Falcon 9 dell’agenzia spaziale SpaceX sono costruiti per essere riutilizzabili. È una delle caratteristiche più innovative nel campo del trasporto spaziale: uno fra i modi più efficaci per raggiungere l’obiettivo di abbassare i costi delle missioni. Il razzo non esaurisce più la sua vita utile dopo un singolo lancio, ma viene riutilizzato grazie al rientro a terra controllato, reso possibile da motori frenanti e da quattro strutture retrattili – praticamente quattro arti robotici – che, aprendosi a pochi metri dalla superficie, ne permettono l’atterraggio in piedi.

Un errore, anche minimo, in questa fase potrebbe causare danni al mezzo, o – nella peggiore delle ipotesi – la sua distruzione. Questo rende l’atterraggio una fase molto delicata, ed è dunque necessario che avvenga nella maniera più corretta possibile. La ricerca in questo campo mira a rendere il landing perfetto. Un accorgimento utile sarebbe poter di “arti retrattili”, la cui struttura consenta di assorbire parte della forza di compressione all’impatto, e attutire così il colpo. Come fare? Un team di ricercatori dell’università di Washington si è ispirato all’antica arte di piegare la carta: avete capito bene, proprio gli origami.

Il risultato è un modello cartaceo di un metamateriale – cioè un materiale creato artificialmente con proprietà peculiari – che usa e sfrutta la caratteristica piegatura ispirata agli origami per attutire e smorzare le forze di compressione dopo una sollecitazione.

«I metamateriali sono come i Lego», spiega Jinkyu Yang, primo autore dell’articolo. «Puoi creare tutti i tipi di struttura che vuoi usando più volte lo stesso tipo di mattoncino – o cella unitaria, come la chiamiamo noi. A seconda di come viene progettata questa cella unitaria, è possibile creare un materiale con proprietà meccaniche uniche che non hanno precedenti in natura».

Una catena costituita da quattro unità, ciascuna disegnata ispirandosi all’arte degli origami. La struttura ridurrebbe le forze d’impatto sulla catena, promuovendo, invece, quelle che ne rilassano gli stress. Credit: Kiyomi Taguchi/University of Washington

Il prototipo di cella unitaria che in questo caso hanno costruito i ricercatori è – come gli origami – fatto di carta e piegato allo stesso modo. Il processo di produzione è stato questo: dopo aver disegnato e costruito lo stampo di carta, prima hanno prodotto il tratteggio che delineava le piegature, poi hanno creato l’unità seguendo le piegature, esattamente come fosse un origami. Il risultato è stato una struttura cilindrica: la cella unitaria – il mattoncino di Lego per intenderci – che vedete nell’immagine a fianco. A questo punto hanno collegato in serie più unità per produrre una lunga catena. Un cordone lungo 20 celle: la struttura composita è stata infine sottoposta a test per valutare l’andamento delle onde di compressione e di tensione, ovvero la capacità della struttura di attutire e smorzare i colpi ricevuti.

Il risultato è stato interessante: la forza  esercitata a un capo della catena (idealmente, la parte dell’arto meccanico che sul razzo tocca la superficie) ha prodotto una compressione che non è mai arrivata all’altro capo, cioè – sempre idealmente – alla navicella. Piuttosto, dicono gli autori, è stata sostituita da una forza di tensione diretta nel senso opposto – quindi verso la superficie – che si è originata quando la prima cella unitaria (il primo blocchetto che è stato compresso) è ritornato nella sua forma di partenza. Una forza che si è poi propagata sempre più rapida lungo la catena facendo in modo che le ultime celle sentissero solo le forze tensive e non già quelle compressive. Per riassumere, continuando a pensare che la catena sia l’arto retrattile del razzo, la struttura così fatta ha praticamente attenuato la forza che la navicella avrebbe subito una volta toccata la superficie, scaricandola in parte su quest’ultima.

«L’impatto è un problema che incontriamo quotidianamente», dice a questo proposito Yang «Il nostro sistema offre un approccio completamente nuovo per ridurne gli effetti. In questo caso abbiamo utilizzato la carta, ma abbiamo in programma di impiegare un materiale composito. Teoricamente, potremmo ottimizzare il materiale per ogni specifica applicazione».

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