Prototipo de indicador de combustible para órbita

Los líquidos no se comportan tan bien en el espacio como en la Tierra. Dentro de una nave espacial, la microgravedad permite que los líquidos se deslicen y floten libremente. Este comportamiento ha hecho que la cantidad de combustible en los satélites sea difícil de precisar, pero un nuevo prototipo de indicador de combustible podría ofrecer una solución. El medidor puede recrear digitalmente la forma 3D de un fluido en función de sus propiedades eléctricas. El diseño podría proporcionar a los operadores de satélites mediciones fiables que ayudarían a evitar que los satélites colisionen y mantenerlos operativos durante más tiempo.

Dejar que el tanque de un satélite se seque podría dejarlo varado en su órbita original sin combustible para evitar chocar contra otros satélites y producir peligrosas nubes de desechos. Para reducir la probabilidad de colisión, los operadores ahorran las últimas gotas de combustible para expulsar los satélites a una órbita de cementerio a cientos de kilómetros de distancia de las naves espaciales en funcionamiento. Sin embargo, pueden estar desperdiciando combustible en el proceso.

Durante décadas, medir el combustible en el espacio no ha sido una ciencia exacta. Uno de los métodos en los que se confía con más frecuencia implica estimar cuánto combustible se quema con cada empuje y restar esa cantidad del volumen de combustible en el tanque. Este método es bastante preciso al principio cuando un tanque está casi lleno, pero el error de cada estimación continúa con la siguiente y se agrava con cada empuje. En el momento en que un tanque está bajo, las estimaciones se vuelven más como conjeturas aproximadas y pueden perder la marca hasta en un 10%. Sin mediciones confiables, los operadores pueden enviar satélites con combustible aún en el tanque a una jubilación anticipada, lo que podría dejar una cantidad considerable de dinero sobre la mesa.

El concepto del nuevo indicador hace uso de una técnica de imagen 3D de bajo costo conocida como tomografía de volumen de capacitancia eléctrica (ECVT). Al igual que un escáner CT, ECVT puede aproximarse a la forma de un objeto tomando medidas en diferentes ángulos. Pero en lugar de disparar rayos X, los electrodos emiten campos eléctricos y miden la capacidad del objeto para almacenar carga eléctrica o capacitancia.

Los investigadores produjeron electrodos sensores utilizando un proceso llamado litografía blanda en el que imprimieron patrones de tinta sobre láminas de cobre con un respaldo de plástico flexible. Luego, un químico corrosivo esculpió el cobre expuesto, dejando atrás las deseadas tiras de metal. El equipo revistió el interior de un contenedor en forma de huevo inspirado en uno de los tanques de combustible de la NASA con los sensores flexibles. En todo el interior del tanque, los campos eléctricos emitidos por cada sensor pueden ser recibidos por los demás. Pero la cantidad de estos campos que terminan siendo transmitidos depende de la capacitancia del material que haya dentro del tanque.

Para probar cómo se verían las capacidades de medición de combustible del nuevo sistema en el espacio, los investigadores suspendieron un globo lleno de líquido en el tanque, imitando una gota de líquido en microgravedad.

Muchos líquidos comúnmente utilizados para impulsar satélites y naves espaciales, como el hidrógeno líquido y la hidracina, son altamente inflamables en la atmósfera rica en oxígeno de la Tierra, por lo que los investigadores optaron por probar algo más estable. Llenaron los globos con un fluido de transferencia de calor, normalmente utilizado para almacenar o disipar energía térmica en procesos industriales, porque imitaba de cerca las propiedades eléctricas del combustible espacial.

Los investigadores activaron el sistema y alimentaron los datos de capacitancia a una computadora que produjo una serie de imágenes 2D que mapeaban la ubicación del fluido a lo largo del tanque. Cuando se compilaron, las imágenes dieron lugar a una representación 3D del globo con un diámetro que era menos del 6 % diferente al diámetro real del globo.