Vloeistoffen gedragen zich niet zo goed in de ruimte als op aarde. In een ruimtevaartuig, microzwaartekracht zorgt ervoor dat vloeistoffen vrij kunnen klotsen en rondzweven.

Door dit gedrag is de hoeveelheid brandstof in satellieten moeilijk vast te stellen, maar een nieuw prototype brandstofmeter ontworpen door het National Institute of Standards and Technology (NIST) zou een ideale oplossing kunnen bieden. de meter, beschreven in de Journal of Spacecraft and Rockets , kan de 3D-vorm van een vloeistof digitaal nabootsen op basis van zijn elektrische eigenschappen. Het ontwerp kan satellietoperators mogelijk voorzien van betrouwbare metingen die kunnen helpen voorkomen dat satellieten met elkaar in botsing komen en ze langer operationeel houden.

"Elke dag dat een satelliet in een baan om de aarde blijft, levert waarschijnlijk miljoenen dollars aan inkomsten op, " zei Nick Dagalakis, een NIST werktuigbouwkundig ingenieur en co-auteur van de studie. "De operators willen elke druppel brandstof benutten, maar niet zozeer dat ze de tank legen."

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 een aanvaring te verkleinen, operators sparen de laatste paar druppels brandstof om satellieten in een baan om het kerkhof te werpen, honderden kilometers verwijderd van een functionerend ruimtevaartuig. Ze kunnen brandstof verspillen in het proces, echter.

Al decenia, het meten van brandstof in de ruimte is geen exacte wetenschap geweest. 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 vrij nauwkeurig in het begin wanneer een tank bijna vol is, maar de fout van elke schatting gaat door naar de volgende, verergeren met elke stuwkracht. Tegen de tijd dat een tank bijna leeg is, de schattingen worden meer ruwe gissingen en kunnen het doel met maar liefst 10% missen.

Zonder betrouwbare metingen, operators sturen mogelijk satellieten met nog brandstof in de tank voor vervroegd pensioen, mogelijk een aanzienlijk bedrag op tafel laten liggen.

Het concept van de nieuwe meter, oorspronkelijk bedacht door Manohar Deshpande, een technologieoverdrachtmanager bij NASA Goddard Space Flight Center - maakt gebruik van een goedkope 3D-beeldvormingstechniek die bekend staat als elektrische capaciteitsvolumetomografie (ECVT).

Als een CT-scanner, ECVT kan de vorm van een object benaderen door metingen onder verschillende hoeken uit te voeren. Maar in plaats van röntgenfoto's te maken, elektroden zenden elektrische velden uit en meten het vermogen van het object om elektrische lading op te slaan, of capaciteit.

Deshpande zocht de expertise van Dagalakis en zijn collega's bij NIST - die eerdere ervaring hadden met het fabriceren van op capaciteit gebaseerde sensoren - om zijn ontwerpen te helpen realiseren.

In de NanoFab cleanroom bij NIST's Center for Nanoscale Science and Technology, de onderzoekers produceerden sensorelektroden met behulp van een proces dat zachte lithografie wordt genoemd, waarin ze inktpatronen printten over koperen platen met een flexibele plastic achterkant. Vervolgens, een bijtende chemische stof heeft het blootgestelde koper eruit gesneden, het achterlaten van de gewenste stroken metaal, zei Dagalakis.

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, elektrische velden die door elke sensor worden uitgezonden, kunnen 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.

"Als je geen brandstof hebt, je hebt de hoogste transmissie, en als je brandstof hebt, je zult een lagere waarde hebben, omdat de brandstof de elektromagnetische golf absorbeert, " zei Dagalakis. "We meten het verschil in transmissie voor elk mogelijk sensorpaar, en door al deze metingen te combineren, je kunt weten waar er wel en geen brandstof is en een 3D-beeld maken."

Om te testen hoe de brandstofmeetmogelijkheden van het nieuwe systeem eruit kunnen zien in de ruimte, de onderzoekers hingen een met vloeistof gevulde ballon in de tank, het nabootsen van een vloeibare klodder in microzwaartekracht.

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, zei Dagalakis.

Op aanraden van Deshpande, 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 nauw nabootste.

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. Wanneer gecompileerd, de afbeeldingen gaven aanleiding tot een 3D-weergave van de ballon met een diameter die minder dan 6% afweek van de werkelijke ballondiameter.

"Dit is slechts een experimenteel prototype, maar dat is een goed uitgangspunt, ' zei Dagalakis.

Indien verder ontwikkeld, het ECVT-systeem zou ingenieurs en onderzoekers kunnen helpen bij het overwinnen van verschillende andere uitdagingen die het gedrag van vloeistoffen in de ruimte met zich meebrengt.

"De technologie zou kunnen worden gebruikt om continu de vloeistofstroom in de vele pijpen aan boord van het internationale ruimtestation te volgen en om te bestuderen hoe de kleine krachten van klotsende vloeistoffen het traject van ruimtevaartuigen en satellieten kunnen veranderen, ' zei Deshpande.