太空探索的折纸艺术

本科生罗伯特·萨拉查正在运用他的折纸专业知识,帮助美国国家航空航天局为月球基地创建可展开的太阳能反射器 

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点


罗伯特·萨拉查认为:“如果你从艺术和科学的角度研究自然,同时精通你的媒介,你可以让你的艺术追求催生工程应用,让你的工程追求催生艺术作品。”

萨拉查是艺术与科学之间完美平衡的专家。作为折纸大师和环境研究专业的学生,他能够运用他的艺术和科学技能,在美国国家航空航天局喷气推进实验室(JPL)的一个项目中建造太阳能反射器。萨拉查付出了巨大的努力:在上了五所不同的高中并失去家园之后,他设法通过找到让他的艺术努力应用于令人印象深刻的工程追求的方法来实现他的梦想。他在他的网站上记录了他所有的探索,我们也很幸运能在这里和他聊聊他的故事。查看下面的对话,为了清晰起见,对话已经过编辑。

特里·伯恩斯:请告诉我你的背景,你在学校学习什么,以及你的一些兴趣。


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罗伯特·萨拉查:在转学到加州大学圣巴巴拉分校(UCSB)攻读物理专业之前,我获得了副学士学位,之后我转为环境研究专业,辅修哲学。

在学校里,我抓住机会去了解世界各地正在发生的环境和人与人之间的事情,以及我们对世界的理解加上我们的行为如何带来免于环境退化和非自愿痛苦或其他情况的自由。我非常有兴趣进一步发展我用来解决这些问题的框架,并在网络环境中识别相关的定理。

此外,我努力进一步发展日本古代折纸艺术,使其成为一种强大的表达媒介,能够激发社会变革,走向环境可持续性和和平。我花了17年时间折叠折纸,8年时间严谨地设计它们。我折叠的所有东西都是用一张未切割的纸张进行原创设计的。我的学习课程非常适合折纸设计,其目标是在许多相互关联且几何相关的折叠特征之间建立和谐,并占用有限的纸张。在折纸中,这些关系可以被转换,但它们永远不能被剪刀剪断,也不能添加纸张。

特里·伯恩斯:请告诉我你现在作为JPL实习生所做的工作。

罗伯特·萨拉查:在JPL,我目前正在为“月球极端环境变形金刚”项目开发大型折纸可展开太阳能反射器。该项目的任务是照亮月球南极沙克尔顿陨石坑内部永久阴影区域。虽然沙克尔顿陨石坑的边缘几乎全年都沐浴在阳光下,但其内部已在黑暗中存在数十亿年,使其温度冷却至约90K(约-300°F),这个温度非常适合捕获来自附近彗星撞击的冰冷碎片。太阳能反射器将成对安装在陨石坑边缘的支撑结构上,并将跟踪太阳,以照亮并为位于下方约10公里处的感兴趣区域的机器人探测器供电。

在这个项目中,我设计太阳能反射器及其展开机构。我使用有限元分析和模拟来确定哪些材料可以使反射器在张力下非常平坦地展开,偏差在1毫米/米以内,并在持续的太阳辐射和极端温度下运行多年,同时保持>95%的定向反射率。然后,我编写算法来设计折纸折痕图案,使太阳能反射器能够从体积约1立方米、重量约100公斤的包裹中展开到自由女神像的大小。

特里·伯恩斯:你的背景故事是什么?你是如何走到今天的?

罗伯特·萨拉查:我高中毕业时遇到了困难。我上过五所高中,在那段时间里失去了两次房子。后来,我的第一个研究暑期是在加州大学圣巴巴拉分校,在那里我发现了纳米结构薄金属薄膜中的光声效应。这一发现最终促成了光声相控阵的诞生,以及一种更便宜的超高频超声生产替代方案。接下来的夏天,我在JPL开发用于冷却太空望远镜上的X射线探测器的热电材料。

2015年夏天,我作为实习生回到JPL,参与星罩项目[一种自由飞行的航天器,可以阻挡遥远恒星的眩光,以便独立的太空望远镜可以看到其更暗淡的行星]。我的任务是开发一种折痕图案,使星罩的略微锥形的光学屏蔽罩能够收纳成一个明确的体积,并在整个展开过程中与其机械桁架形成完美的光密封。这项挑战要求我编写一个算法,该算法可以设计一个折痕图案,以适应其给定的收纳要求、边界条件和材料厚度。我在星罩项目上的成功使我在第二年夏天得以参与变形金刚项目。

特里·伯恩斯:你是如何对太阳能反射器产生特别的兴趣的,它们为什么重要?

罗伯特·萨拉查:可再生能源的优势和变形金刚项目的使命让我对开发太阳能反射器产生了兴趣。它们产生和重定向能量、催化化学反应、推进航天器以及从小型轻便的包裹部署到大型表面积的能力进一步巩固了我的兴趣。它们传统上的低成本、简单性以及对丰富但分散的能源的依赖,使它们成为一项有吸引力的技术。

特里·伯恩斯:你职业生涯想做什么?你认为10年后自己会在哪里?

罗伯特·萨拉查:我计划继续留在JPL,迎接未来折纸艺术的挑战,并继续将我的公司Orisun建设成为一家能够为因战争、气候变化和自然灾害而流离失所的人们提供便携式折纸可展开太阳能聚光器用于海水淡化、水净化、雨水收集、能源发电、大气水生成和太阳能烹饪的公司。我还将继续将折纸发展成为一种强大的媒介,它非常熟悉各种各样的互动材料,可用于艺术表达和工程。

特里·伯恩斯:在你的研究领域,你希望有一天看到什么发生?

罗伯特·萨拉查:正如一张纸的每个表面单元都会产生折纸的所有折叠特征一样,能量和物质也会产生我们参与的系统。

我希望看到考虑到下游生命周期的技术兴起。我希望看到结束将材料和能量标记为废物的做法,因为每种材料和能量都有其独特的潜力成为新的东西或做“有用的”工作。在任何能量和物质守恒的有限系统中,你几乎可以肯定能量在流动,物质在变化。一切结束的事物都在孕育着新的事物。如果我们能够开发一个世界,让我们在我们制造的每件东西的整个生命周期中都能找到效用,我们就可以实现可持续发展,正如大自然向我们展示的那样,我们可以做到。

特里·伯恩斯:对于可能对从事你所做的工作感兴趣的其他学生,你有什么建议?

罗伯特·萨拉查:好好了解世界上的问题。你永远不知道你制作或发现的东西对于许多其他用途来说会有多么有价值。

如果你从艺术和科学的角度研究自然,同时精通你的媒介,你可以让你的艺术追求催生工程应用,让你的工程追求催生艺术作品。一起追求它们,可以将你的设计和你的媒介带到非常有趣的地方。

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