Prototipo innovador de medidor de combustible mejora monitoreo de combustible en satélites

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 floten y se muevan libremente. Este comportamiento ha hecho que la cantidad de combustible en satélites sea difícil de precisar, pero un nuevo prototipo de medidor de combustible podría ofrecer una solución. El medidor puede recrear digitalmente la forma 3D de un fluido basándose en sus propiedades eléctricas. El diseño podría potencialmente proporcionar a operadores de satélites mediciones confiables que ayudarían a prevenir colisiones de satélites y mantenerlos operativos por más tiempo.

Dejar que el tanque de un satélite se quede seco podría dejarlo varado en su órbita original sin combustible para evitar estrellarse contra otros satélites y producir nubes de escombros peligrosos. Para reducir la probabilidad de colisión, los operadores guardan las últimas gotas de combustible para eyectar satélites a una órbita cementerio a cientos de kilómetros de naves espaciales funcionando. Sin embargo, pueden estar desperdiciando combustible en el proceso.

Durante décadas, medir combustible en el espacio no ha sido una ciencia exacta. Uno de los métodos más frecuentemente confiados 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 inicio cuando un tanque está cerca de lleno, pero el error de cada estimación se arrastra al siguiente, acumulándose con cada empuje. Para cuando un tanque está bajo, las estimaciones se vuelven más como conjeturas aproximadas y pueden fallar hasta en un 10%. Sin mediciones confiables, los operadores pueden estar enviando satélites con combustible aún en el tanque a una jubilación temprana, dejando potencialmente una cantidad considerable de dinero sobre la mesa.

El concepto del nuevo medidor hace uso de una técnica de imagen 3D de bajo costo conocida como tomografía de capacitancia volumétrica eléctrica (ECVT). Como un escáner CT, ECVT puede aproximar la forma de un objeto tomando mediciones en diferentes ángulos. Pero en lugar de disparar rayos X, electrodos emiten campos eléctricos y miden la capacidad del objeto para almacenar carga eléctrica, o capacitancia.

Los investigadores produjeron electrodos de sensores usando un proceso llamado litografía suave en el que imprimieron patrones de tinta sobre láminas de cobre con respaldo plástico flexible. Luego, un químico corrosivo talló el cobre expuesto, dejando atrás las tiras de metal deseadas. El equipo revistió el interior de un contenedor en forma de huevo modelado después de uno de los tanques de combustible de la NASA con los sensores flexibles. A lo largo del interior del tanque, los campos eléctricos emitidos por cada sensor pueden ser recibidos por los otros. Pero cuánto de estos campos terminan siendo transmitidos depende de la capacitancia de cualquier material que esté dentro del tanque.

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

Muchos líquidos comúnmente usados para propulsar satélites y naves espaciales, como hidrógeno líquido e hidracina, son altamente inflamables en la atmósfera rica en oxígeno de la Tierra, así que los investigadores optaron por probar algo más estable. Llenaron los globos con un fluido de transferencia de calor — normalmente usado 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 mapeando la ubicación del fluido a lo largo del tanque. Cuando se compilaron, las imágenes dieron origen a una representación 3D del globo con un diámetro que era menos del 6% diferente al diámetro real del globo.