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 se derramen y floten libremente.

Este comportamiento ha hecho que la cantidad de combustible en los satélites sea difícil de precisar, pero un nuevo prototipo de indicador de combustible diseñado en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) podría ofrecer una solución ideal. El calibre descrito en el Diario de naves espaciales y cohetes , puede recrear digitalmente la forma tridimensional de un fluido en función de sus propiedades eléctricas. El diseño podría proporcionar a los operadores de satélites mediciones confiables que ayudarían a evitar que los satélites colisionen y mantenerlos operativos durante más tiempo.

"Cada día que un satélite permanece en órbita equivale probablemente a millones de dólares en ingresos, "dijo Nick Dagalakis, ingeniero mecánico del NIST y coautor del estudio. "Los operadores quieren utilizar cada gota de combustible, pero no tanto como para vaciar el tanque ".

Dejar que el tanque de un satélite se seque podría dejarlo varado en su órbita original sin combustible para evitar chocar contra otros satélites y producir peligrosas nubes de escombros.

Para reducir la probabilidad de colisión, los operadores ahorran las últimas gotas de combustible para expulsar satélites a una órbita cementerio, a cientos de kilómetros de las naves espaciales en funcionamiento. Pueden estar desperdiciando combustible en el proceso, sin embargo.

Por décadas, medir el combustible en el espacio no ha sido una ciencia exacta. Uno de los métodos más utilizados consiste en estimar la cantidad de combustible que se quema con cada empuje y restar esa cantidad del volumen de combustible en el tanque. Este método es bastante preciso al principio cuando un tanque está casi lleno, pero el error de cada estimación se traslada a la siguiente, agravando con cada estocada. Para cuando un tanque está bajo, las estimaciones se vuelven más como estimaciones aproximadas y pueden fallar hasta en un 10%.

Sin medidas fiables, Los operadores pueden estar enviando satélites con combustible aún en el tanque a una jubilación anticipada, potencialmente dejando una cantidad considerable de dinero sobre la mesa.

El concepto del nuevo medidor, originalmente diseñado por Manohar Deshpande, gerente de transferencia de tecnología en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, utiliza una técnica de imágenes en 3D de bajo costo conocida como tomografía de volumen por capacitancia eléctrica (ECVT).

Como un escáner de tomografía computarizada, ECVT puede aproximar la forma de un objeto tomando medidas en diferentes ángulos. Pero en lugar de disparar rayos X, los electrodos emiten campos eléctricos y miden la capacidad del objeto para almacenar carga eléctrica, o capacitancia.

Deshpande buscó la experiencia de Dagalakis y sus colegas en NIST, quienes tenían experiencia previa en la fabricación de sensores basados ​​en capacitancia, para ayudar a hacer realidad sus diseños.

En la sala limpia NanoFab del Centro de Ciencia y Tecnología a Nanoescala del NIST, los investigadores produjeron electrodos sensores mediante un proceso llamado litografía blanda, en el que imprimieron patrones de tinta sobre láminas de cobre con un respaldo de plástico flexible. Luego, un químico corrosivo esculpió el cobre expuesto, dejando atrás las deseadas tiras de metal, Dijo Dagalakis.

El equipo forró el interior de un contenedor en forma de huevo inspirado en uno de los tanques de combustible de la NASA con sensores flexibles. En todo el interior del tanque, los campos eléctricos emitidos por cada sensor pueden ser recibidos por los demás. Pero la cantidad de estos campos que se transmiten depende de la capacitancia de cualquier material que haya dentro del tanque.

"Si no tienes combustible, tienes la transmisión más alta, y si tienes combustible, vas a tener una lectura más baja, porque el combustible absorbe la onda electromagnética, ", Dijo Dagalakis." Medimos la diferencia en la transmisión para cada posible par de sensores, y combinando todas estas medidas, puede saber dónde hay y dónde no hay combustible y crear una imagen en 3-D ".

Para probar cómo se verían las capacidades de medición de combustible del nuevo sistema en el espacio, los investigadores suspendieron un globo lleno de líquido en el tanque, imitando una gota líquida en microgravedad.

Muchos líquidos comúnmente utilizados para propulsar satélites y naves espaciales, como el hidrógeno líquido y la hidracina, son altamente inflamables en la atmósfera rica en oxígeno de la Tierra, por lo que los investigadores optaron por probar algo más estable, Dijo Dagalakis.

Por recomendación de Deshpande, llenaron los globos con un fluido de transferencia de calor, normalmente utilizado 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 enviaron los datos de capacitancia a una computadora, que produjo una serie de imágenes 2-D que mapean la ubicación del fluido a lo largo del tanque. Cuando se compila, las imágenes dieron lugar a una interpretación tridimensional del globo con un diámetro que era menos del 6% diferente al diámetro real del globo.

"Este es solo un prototipo experimental, pero ese es un buen punto de partida, "Dijo Dagalakis.

Si se desarrolla más, el sistema ECVT podría ayudar a ingenieros e investigadores a superar varios otros desafíos presentados por el comportamiento de los líquidos en el espacio.

"La tecnología podría usarse para monitorear continuamente el flujo de fluidos en las muchas tuberías a bordo de la Estación Espacial Internacional y para estudiar cómo las pequeñas fuerzas de los fluidos chapoteando pueden alterar la trayectoria de las naves espaciales y los satélites". "Dijo Deshpande.