Een zachte landing maken is niet gemakkelijk. Dat weten turners, maar ook ingenieurs. Zo heb je flinke demping nodig om een raket heel te houden tijdens touchdown. Amerikaanse ruimtevaartonderzoekers hebben nu een nieuwe dempingstechniek ontwikkeld, geïnspireerd op origami.
De tweetrapsraket Falcon 9 van het ruimtetransportbedrijf SpaceX is gemaakt voor hergebruik. Deze raket brengt bijvoorbeeld satellieten de ruimte in en keert daarna netjes terug naar de aarde. Tijdens de landing moet het landingsgestel een behoorlijke klap opvangen. Er wordt verschillende materialen en technieken gebruikt om zulke klappen te dempen, zoals veren, hydrologische systemen en simpelweg rubber. Aan het rijtje met schokdempers voegen Amerikaanse onderzoekers nu een nieuw metamateriaal toe: een kunstmatig materiaal met ongewone eigenschappen die niet voorkomen in de natuur.
Dempend metamateriaal
De onderzoekers hebben een metamateriaal ontworpen de samendrukkende krachten van een klap zelfs omzet in een uitzetting. ‘Als je een helm gemaakt van dit materiaal opzet en een voorwerp raakt de helm, dan voel je niets’, zegt hoogleraar Jinkyu Yang van de University of Washington. ‘Tegen de tijd dat de klap bij je hoofd komt, wordt het materiaal niet meer samengedrukt, maar zet het uit.’
Deze bijzondere eigenschap ontstaat door de structuur van het metamateriaal, dat bestaan uit veel identieke bouwstenen. Die stapel je als legoblokjes op elkaar om grotere structuren te maken. De vorm van de bouwstenen en de manier waarop je ze stapelt, bepalen de precieze eigenschappen van het materiaal.
Origami bouwsteen
Voor de bouwsteen lieten de onderzoekers zich inspireren door de Japanse papiervouwkunst origami. Door vouwlijnen te maken in een papier, kun je sturen waar het papier vouwt als je het samendrukt. Zo stuur je met vouwlijnen dus in feite hoe een materiaal op druk reageert.
Hun prototypes maakten de onderzoekers van papier. In het papier brachten ze vouwlijnen aan door er lijnen van gaatjes in te snijden. Daarna vouwden ze er cilindrische bouwsteentjes van die een plastic kapje kregen en aan elkaar werden geschroefd. Zo maakten ze een ketting van twintig bouwstenen.
De onderzoekers testten het materiaal door de ketting aan een kant vast te maken en er aan de andere kant op te duwen. De samendrukkende kracht bleek uit te doven voordat het aan het einde van de ketting kon komen. Sterker nog, de ketting werd een beetje uitgerekt. Nadat het eerste bouwsteentje hersteld is van de duw, rekt het uit. Die oprekking bleek door de hele ketting te reizen en zo alle bouwstenen iets op te rekken. De vastgemaakte bouwsteen aan het einde voelt dus niet de samendrukkende kracht, maar wel de uitrekking die erop volgt.
De volgende stap is om bouwstenen te maken van andere materialen dan papier zodat ze breder toepasbaar zijn, vertelt Yang. Bijvoorbeeld voor auto’s of raketten. Dit is mogelijk omdat metamaterialen hun eigenschappen danken aan hun structuur en niet aan het materiaal waarvan ze gemaakt zijn.
