Team designer en prototype brændstofmåler til kredsløb

Væsker opfører sig ikke så godt i rummet, som de er på Jorden. Inde i et rumfartøj, mikrotyngdekraften tillader væsker frit at skvulpe og flyde rundt.

Denne adfærd har gjort det vanskeligt at fastlægge brændstofmængden i satellitter, men en ny prototype brændstofmåler udviklet ved National Institute of Standards and Technology (NIST) kunne tilbyde en ideel løsning. Måleren, beskrevet i Journal of Spacecraft and Rockets , kan digitalt genskabe en væskes 3D-form baseret på dens elektriske egenskaber. Designet kunne potentielt give satellitoperatører pålidelige målinger, der ville hjælpe med at forhindre satellitter i at kollidere og holde dem operationelle i længere tid.

"Hver dag, en satellit forbliver i kredsløb, beløber sig til sandsynligvis millioner af dollars i indtægter, " sagde Nick Dagalakis, en NIST maskiningeniør og medforfatter til undersøgelsen. "Operatørerne ønsker at udnytte hver eneste dråbe brændstof, men ikke så meget, at de tømmer tanken."

At lade en satellits tank løbe tør kan efterlade den strandet i sin oprindelige bane uden brændstof for at undgå at smadre ind i andre satellitter og producere farlige affaldsskyer.

For at reducere sandsynligheden for kollision, operatører sparer de sidste par dråber brændstof for at skubbe satellitter ud i en kirkegårdsbane, hundredvis af kilometer væk fra fungerende rumfartøjer. De spilder muligvis brændstof i processen, imidlertid.

I årtier, at måle brændstof i rummet har ikke været en eksakt videnskab. En af de mest anvendte metoder indebærer at estimere, hvor meget brændstof der forbrændes med hvert tryk og trække denne mængde fra mængden af ​​brændstof i tanken. Denne metode er ret præcis i starten, når en tank er tæt på fuld, men fejlen i hvert skøn fortsætter til det næste, sammensat med hvert tryk. Når en tank er lav, estimaterne bliver mere som grove gæt og kan misse målet med så meget som 10 %.

Uden pålidelige målinger, operatører sender muligvis satellitter med brændstof stadig i tanken til en førtidspension, potentielt efterlade et betydeligt beløb på bordet.

Konceptet med den nye måler - oprindeligt udtænkt af Manohar Deshpande, en teknologioverførselsleder hos NASA Goddard Space Flight Center - gør brug af en billig 3-D billedbehandlingsteknik kendt som elektrisk kapacitansvolumentomografi (ECVT).

Som en CT-scanner, ECVT kan tilnærme et objekts form ved at tage målinger i forskellige vinkler. Men i stedet for at tage røntgenbilleder, elektroder udsender elektriske felter og måler objektets evne til at lagre elektrisk ladning, eller kapacitans.

Deshpande søgte ekspertisen hos Dagalakis og hans kolleger hos NIST - som havde tidligere erfaring med at fremstille kapacitansbaserede sensorer - for at hjælpe med at gøre hans design til virkelighed.

I NanoFab-renrummet på NIST's Center for Nanoscale Science and Technology, forskerne producerede sensorelektroder ved hjælp af en proces kaldet blød litografi, hvor de trykte mønstre af blæk over kobberplader med en fleksibel plastikbagside. Derefter, et ætsende kemikalie udskåret det blottede kobber, efterlader de ønskede metalstrimler, sagde Dagalakis.

Holdet forede det indre af en ægformet beholder modelleret efter en af ​​NASAs brændstoftanke med de fleksible sensorer. I hele tankens inderside, elektriske felter udsendt af hver sensor kan modtages af de andre. Men hvor meget af disse felter, der ender med at blive transmitteret, afhænger af kapacitansen af ​​det materiale, der er inde i tanken.

"Hvis du ikke har brændstof, du har den højeste transmission, og hvis du har brændstof, du vil have en lavere læsning, fordi brændstoffet absorberer den elektromagnetiske bølge, " sagde Dagalakis. "Vi måler forskellen i transmission for hvert muligt sensorpar, og ved at kombinere alle disse målinger, du kan vide, hvor der er og ikke er brændstof og skabe et 3-D-billede."

For at teste, hvordan det nye systems brændstofmålerfunktioner kan se ud i rummet, forskerne suspenderede en væskefyldt ballon i tanken, efterligner en flydende klat i mikrogravitation.

Mange væsker, der almindeligvis bruges til at drive satellitter og rumfartøjer, såsom flydende brint og hydrazin, er meget brandfarlige i jordens iltrige atmosfære, så forskerne valgte at teste noget mere stabilt, sagde Dagalakis.

Efter Deshpandes anbefaling, de fyldte ballonerne med en varmeoverførselsvæske – der normalt bruges til at lagre eller sprede termisk energi i industrielle processer – fordi den tæt efterlignede rumbrændstofs elektriske egenskaber.

Forskerne aktiverede systemet og førte kapacitansdataene til en computer, som producerede en række 2-D billeder, der kortlagde væskens placering i hele tankens længde. Når det er kompileret, billederne gav anledning til en 3-D gengivelse af ballonen med en diameter, der var mindre end 6 % forskellig fra den faktiske ballonens diameter.

"Dette er bare en eksperimentel prototype, men det er et godt udgangspunkt " sagde Dagalakis.

Hvis den videreudvikles, ECVT-systemet kunne hjælpe ingeniører og forskere med at overvinde adskillige andre udfordringer, som væskes adfærd i rummet giver.

"Teknologien kunne bruges til kontinuerligt at overvåge væskestrømmen i de mange rør ombord på den internationale rumstation og til at studere, hvordan de små kræfter af skvulpende væsker kan ændre banen for rumfartøjer og satellitter, " sagde Deshpande.