Prototype brandstofmeter voor Orbit

Vloeistoffen gedragen zich niet zo goed in de ruimte als op aarde. In een ruimtevaartuig zorgt microzwaartekracht ervoor dat vloeistoffen vrijelijk kunnen klotsen en rondzweven. Door dit gedrag is de brandstofhoeveelheid in satellieten moeilijk vast te stellen, maar een nieuw prototype brandstofmeter zou een oplossing kunnen bieden. De meter kan de 3D-vorm van een vloeistof digitaal nabootsen op basis van zijn elektrische eigenschappen. Het ontwerp kan satellietoperators mogelijk betrouwbare metingen bieden die kunnen helpen voorkomen dat satellieten met elkaar in botsing komen en ze langer operationeel houden.

Als de tank van een satelliet droogloopt, kan deze in zijn oorspronkelijke baan zonder brandstof blijven steken om te voorkomen dat hij tegen andere satellieten botst en gevaarlijke puinwolken produceert. Om de kans op botsingen te verkleinen, sparen operators de laatste paar druppels brandstof om satellieten uit te werpen in een kerkhofbaan op honderden kilometers afstand van functionerende ruimtevaartuigen. Ze kunnen echter brandstof verspillen in het proces.

Het meten van brandstof in de ruimte is al tientallen jaren geen exacte wetenschap. Een van de meest gebruikte methoden is om te schatten hoeveel brandstof er wordt verbrand bij elke stuwkracht en die hoeveelheid af te trekken van het brandstofvolume in de tank. Deze methode is in het begin vrij nauwkeurig wanneer een tank bijna vol is, maar de fout van elke schatting gaat door naar de volgende en wordt groter bij elke stuwkracht. Tegen de tijd dat een tank bijna leeg is, worden de schattingen meer ruwe gissingen en kunnen ze het doel met maar liefst 10% missen. Zonder betrouwbare metingen kunnen operators satellieten met nog brandstof in de tank naar een vervroegd pensioen sturen, waardoor er mogelijk een aanzienlijk bedrag op tafel blijft liggen.

Het concept van de nieuwe meter maakt gebruik van een goedkope 3D-beeldvormingstechniek die bekend staat als elektrische capaciteitsvolumetomografie (ECVT). Net als een CT-scanner kan ECVT de vorm van een object benaderen door metingen onder verschillende hoeken uit te voeren. Maar in plaats van röntgenstralen te maken, zenden elektroden elektrische velden uit en meten ze het vermogen van het object om elektrische lading of capaciteit op te slaan.

Onderzoekers produceerden sensorelektroden met behulp van een proces dat zachte lithografie wordt genoemd, waarbij ze inktpatronen op koperplaten drukten met een flexibele plastic achterkant. Vervolgens sneed een bijtende chemische stof het blootgestelde koper uit, waarbij de gewenste stroken metaal achterbleven. Het team bekleedde het interieur van een eivormige container gemodelleerd naar een van NASA's brandstoftanks met de flexibele sensoren. Door de hele binnenkant van de tank kunnen elektrische velden die door elke sensor worden uitgezonden, door de andere worden ontvangen. Maar hoeveel van deze velden uiteindelijk worden uitgezonden, hangt af van de capaciteit van het materiaal dat zich in de tank bevindt.

Om te testen hoe de brandstofmeetcapaciteiten van het nieuwe systeem eruit zouden kunnen zien in de ruimte, hebben de onderzoekers een met vloeistof gevulde ballon in de tank opgehangen, die een vloeistofklodder in microzwaartekracht nabootste.

Veel vloeistoffen die gewoonlijk worden gebruikt om satellieten en ruimtevaartuigen voort te stuwen, zoals vloeibare waterstof en hydrazine, zijn licht ontvlambaar in de zuurstofrijke atmosfeer van de aarde, dus kozen de onderzoekers ervoor om iets stabielers te testen. Ze vulden de ballonnen met een warmteoverdrachtsvloeistof - die normaal gesproken wordt gebruikt voor het opslaan of dissiperen van thermische energie in industriële processen - omdat het de elektrische eigenschappen van ruimtebrandstof nauw nabootst.

De onderzoekers activeerden het systeem en voerden de capaciteitsgegevens naar een computer die een reeks 2D-beelden produceerde die de locatie van vloeistof over de hele lengte van de tank in kaart brachten. Bij het compileren gaven de afbeeldingen aanleiding tot een 3D-weergave van de ballon met een diameter die minder dan 6% afwijkt van de werkelijke ballondiameter.