Innovatief brandstofmeter-prototype verbetert satelliet-brandstofmonitoring

Vloeistoffen gedragen zich in de ruimte niet zo goed als op aarde. Binnenin een ruimtevaartuig laat microgravitatie vloeistoffen vrij sloseren en zweven. Dit gedrag heeft brandstofhoeveelheid in satellieten moeilijk te bepalen gemaakt, maar een nieuw prototype brandstofmeter kan een oplossing bieden. De meter kan de 3D-vorm van een vloeistof digitaal hercreëren gebaseerd op zijn elektrische eigenschappen. Het ontwerp kan potentiëel satellietoperators betrouwbare metingen bieden die helpen voorkomen dat satellieten botsen en ze langer operationeel houden.

Een satellietstank leeg laten lopen kan het stranden in zijn oorspronkelijke baan zonder brandstof om te vermijden in andere te botsen en gevaarlijke debriswolken te produceren. Om de kans op botsing te verminderen, besparen operators de laatste druppels brandstof om satellieten in een graveyard-baan honderden kilometers van functionerende ruimtevaartuigen te ejecten. Ze kunnen echter brandstof verspillen in het proces.

Decennialang is brandstof meten in de ruimte geen exacte wetenschap geweest. Een van de meest betrouwbare methoden omvat het schatten hoeveel brandstof er verbrand wordt met elke duw en dat bedrag aftrekken van het volume brandstof in de tank. Deze methode is vrij nauwkeurig aan het begin als een tank bijna vol is, maar de fout van elke schatting draagt door naar de volgende, samengesteld met elke duw. Op het moment dat een tank laag is, worden de schattingen meer ruwe gokken en kunnen ze het doel met zoveel als 10% missen. Zonder betrouwbare metingen kunnen operators satellieten met nog brandstof in de tank in een vroege pensioen sturen, potentieel een aanzienlijk bedrag geld op tafel laten liggen.

Het concept van de nieuwe meter maakt gebruik van een goedkope 3D-imaging techniek bekend als electrical capacitance volume tomography (ECVT). Als een CT-scanner, kan ECVT een objectsvorm benaderen door metingen op verschillende hoeken te nemen. Maar in plaats van Röntgenstralen te schieten, emitteren elektrode elektriciteitsvelden en meten het vermogen van het object om elektrische lading op te slaan, of capaciteit.

Onderzoekers produceerden sensorelektroden met een proces genaamd zachte lithografie waarin ze patronen inkt over koperen vellen printten met een flexibele plastic backing. Vervolgens graveerde een bijtende chemikalie de blootgestelde koper weg, wat de gewenste metalen stroken achterliet. Het team kleedde het interieur van een eivormige container gemodelleerd naar een van NASA's brandstoftanks met de flexibele sensoren. Door de binnenkant van de tank, kunnen elektriciteitsvelden geëmiteerd door elke sensor ontvangen worden door de anderen. Maar hoeveel van deze velden uiteindelijk getransmitteerd worden hangt af van de capaciteit van wat voor materiaal er in de tank zit.

Om te testen hoe de nieuwe systeem brandstofmetercapaciteiten eruit zouden kunnen zien in de ruimte, hangden de onderzoekers een vloeistof-gevulde ballon in de tank op, wat een vloeistofklonter in microgravitatie namiddelde.

Veel vloeistoffen die gebruikt worden om satellieten en ruimtevaartuigen voort te stuwen, zoals vloeibare waterstof en hydrazine, zijn hoogst brandbaar in de zuurstofrijke atmosfeer van de aarde, dus de onderzoekers kozen om iets stabielers te testen. Ze vulden de ballonnen met een warmteoverdrachtsvloeistof — normaal gebruikt voor het opslaan of dissiperen van thermische energie in industriële processen — omdat het de elektrische eigenschappen van ruimtebrandstof nauwkeurig namiddelde.

De onderzoekers activeerden het systeem en voerden de capaciteitsdata in een computer die een reeks 2D-beelden produceerde die de locatie van vloeistof door de lengte van de tank mappen. Wanneer gecompileerd, gaven de beelden aanleiding tot een 3D-weergave van de ballon met een diameter die minder dan 6% verschilde van de daadwerkelijke diameter van de ballon.