Origami: Vom Papierkranich zum Solarpanel im Weltraum

Ein quadratisches Blatt, ein paarmal falten – und schon steht ein Kranich auf dem Tisch. Die Prinzipien der traditionellen japanischen Papierkunst Origami reichen heute jedoch weit über das Falten von Papier hinaus. Die Ingenieurstechnik macht sie sich für Solarpanels im Weltraum, Roboter und neue technische Strukturen zunutze. Was macht das Falten so interessant?

Was haben ein Papierkranich, ein Solarpanel im Weltraum und bestimmte Roboter gemeinsam? Mehr, als man auf den ersten Blick vermuten würde. Hinter allen drei steckt dasselbe Prinzip: Eine plane Fläche wird so geschickt gefaltet, dass daraus etwas völlig Neues entstehen kann.

Beim Origami funktioniert das seit Jahrhunderten mit einem einfachen Blatt Papier. Ohne Schere oder Klebstoff entstehen Tiere, Pflanzen und komplexe geometrische Figuren. Zu den bekanntesten Motiven gehört der Kranich, der in Japan als Symbol für Glück gilt. Einer Legende zufolge soll sogar ein Wunsch in Erfüllung gehen, wenn man 1.000 Kraniche faltet – wer damit anfangen möchte, findet hier die passende Anleitung. 

Doch längst interessiert sich nicht mehr nur die Papierkunst dafür, was durch geschicktes Falten möglich wird. Auch Forschung und Technik nutzen die dahinterliegenden Prinzipien. So begegnet uns Origami heute an überraschenden Orten: in der Robotik, in technischen Strukturen und sogar im Weltraum.

Die Geschichte des Origami beginnt vermutlich im 6. Jahrhundert, als die Kunst der Papierherstellung von China nach Japan gelangte. Weil Papier kostbar war, wurde es vor allem bei religiösen Zeremonien und formellen Anlässen verwendet. Auch für das Überreichen von Geschenken galten bestimmte Regeln und Techniken des Faltens.
Mit der Zeit wurde Papier erschwinglicher und aus dem zeremoniellen Brauch entwickelte sich zunehmend eine Kunstform. Die frühen Formen des Papierfaltens waren als „Orikata“ bekannt. Später setzte sich die Bezeichnung „Origami“ durch – zusammengesetzt aus den japanischen Begriffen für „falten“ und „Papier“.
Im 20. Jahrhundert prägte vor allem der japanische Künstler Akira Yoshizawa das moderne Origami. Er entwickelte neue Falttechniken, schuf Tausende Modelle und trug dazu bei, Origami international bekannt zu machen. Was über Jahrhunderte immer komplexer wurde, basiert auf einem einfachen Prinzip: Eine Fläche verändert durch gezielte Faltungen ihre Form und ihre Eigenschaften. Genau an diesem Punkt wird aus der Papierkunst eine technische Idee.
 

Wie viel Geometrie in einem gefalteten Blatt steckt, offenbart schon ein einfacher Fächer: Zusammengeschoben braucht er kaum Platz, aufgefaltet entsteht eine große Fläche. Besonders eindrucksvoll zeigt das die Miura-Faltung. Der japanische Astrophysiker Kōryō Miura entwickelte ein Faltmuster aus Parallelogrammen, bei dem sich eine große Fläche in einem Bewegungsablauf öffnen und wieder zusammenlegen lässt. 

Wie das funktioniert, lässt sich virtuell ausprobieren. Der interaktive Origami-Simulator[VZ1] macht das Faltmuster dreidimensional sichtbar und erlaubt es, die Fläche am Bildschirm auf- und zuzufalten. So wird aus einem flachen Linienmuster plötzlich eine bewegliche Struktur.

Was zunächst wie eine geometrische Spielerei aussieht, löst in der Technik ein praktisches Problem: Wie lässt sich eine möglichst große Fläche möglichst klein verpacken? Genau diese Frage führt ins Weltall.

Was mit einer Rakete ins All befördert werden soll, muss beim Start möglichst kompakt verstaut sein. Gleichzeitig werden oft große Flächen gebraucht – zum Beispiel für Solarpanels. Forschende des Jet Propulsion Laboratory der NASA und der Brigham Young University machten sich daran, diesen Konflikt aufzulösen. 2014 entwickelten sie einen Prototyp für eine Solaranlage, die sich nach Origami-Prinzipien zusammenfalten und wieder entfalten lässt. Der Entwurf sah eine Struktur von 25 Metern Durchmesser vor, die sich auf nur 2,7 Meter zusammenlegen lässt.

Für die Entwicklung arbeiteten die Forschenden mit dem Origami-Experten Robert Lang zusammen. Statt einer klassischen Miura-Faltung nutzten sie eine Kombination verschiedener Faltungen: Beim Öffnen breitet sich die kreisförmige Struktur von der Mitte nach außen aus.

Die Idee, Solarpanels für den Einsatz im Weltraum zu falten, war dabei nicht völlig neu. Bei Weltraummissionen kamen schon zuvor einfache Faltungen zum Einsatz. Origami ermöglicht jedoch komplexere Faltmuster, die zudem die mechanische Struktur und das Entfalten vereinfachen können. Aus der jahrhundertealten Papierkunst wird so ein Konstruktionsprinzip für die Raumfahrt.

Was mit großen Solarpanels funktioniert, lässt sich noch auf ganz andere Dimensionen übertragen. In der Robotik beschäftigen sich Forschende mit der Frage, ob sich Maschinen nach einem ähnlichen Prinzip selbst in Form bringen können.

Wie verblüffend das aussehen kann, zeigte 2014 ein Forschungsteam des Wyss Institute, der Harvard School of Engineering and Applied Sciences sowie des MIT. Es entwickelte einen nahezu flachen Roboter, der sich innerhalb von rund vier Minuten selbstständig zu einer dreidimensionalen Form entfaltete – und sich anschließend fortbewegte.

Möglich wurde das durch einen Verbund aus Papier und wärmeempfindlichem Kunststoff sowie programmierten Gelenken. Ein Mikrocontroller aktivierte kleine Heizelemente und löste so die Entfaltung aus. Anschließend konnte sich die Konstruktion mithilfe zweier Motoren fortbewegen.

Bei diesem Versuch blieb es nicht. Einige Jahre später entwickelten Forschende am Wyss Institute faltbare Roboter, die ohne eigene Batterie auskommen und über ein elektromagnetisches Feld mit Energie versorgt und gesteuert werden können.

Das Papier selbst spielt bei solchen Entwicklungen nicht mehr die Hauptrolle. Entscheidend ist das Prinzip dahinter: Eine komplexe dreidimensionale Struktur kann auch aus einer zunächst flachen Form entstehen – wenn ihre späteren Faltungen von Anfang an mitgedacht werden.

Genau darin liegt vielleicht das eigentlich Geniale an Origami: Es verbindet Ästhetik und Funktion. Durch das Falten entstehen besondere Formen und geometrische Strukturen. Gleichzeitig verändern sich Eigenschaften wie Größe, Stabilität oder Beweglichkeit.

Wie eindrucksvoll sich diese Formensprache auf andere Materialien und Maßstäbe übertragen lässt, zeigt die Architektur. Bei der „Caseta del Notari“ nahe Valencia erinnert die außergewöhnliche, japanisch inspirierte Dachkonstruktion an ein begehbares Origami aus Holz. Was sonst in Papierform auf einem Tisch Platz findet, prägt hier die Gestaltung eines ganzen Gebäudes.

In der Materialforschung steht erwartungsgemäß die Funktion im Mittelpunkt. Forschende entwickeln beispielsweise origami-inspirierte Metamaterialien, deren Form, Volumen oder Steifigkeit sich gezielt verändern lassen. Was Forschung und Technik vom Origami übernehmen, ist also weniger das Falten von Papier, sondern ein Prinzip, mit dem sich Formen und Strukturen neu denken lassen.

Und trotzdem bleibt Papier das einfachste Material, um dieses Prinzip selbst auszuprobieren. 
Ein Blatt und ein paar präzise Faltungen reichen aus, um zu erleben, was Gestaltung bewirken kann. Denn der Papierkranich, das gefaltete Holzdach und das Solarpanel beginnen alle mit derselben Frage: Was kann aus einer Fläche werden, wenn wir sie an der richtigen Stelle falten?

Titelbild: AdobeStock_1970638536