Un nuevo tipo de sistema de micropropulsión para satélites en miniatura llamado CubeSats utiliza un diseño innovador de pequeñas boquillas que liberan ráfagas precisas de vapor de agua para maniobrar la nave espacial.

"Microsatélites" y "nanosatélites" de bajo costo mucho más pequeños que las naves espaciales convencionales, se han vuelto cada vez más frecuentes. Se podrían lanzar miles de satélites en miniatura para realizar una variedad de tareas, de servicios de Internet y de imágenes de alta resolución, a la respuesta ante desastres, vigilancia ambiental y vigilancia militar.

"Ofrecen una oportunidad para nuevas misiones, como el vuelo de constelaciones y la exploración que sus contrapartes más grandes no pueden lograr económicamente, "dijo Alina Alexeenko, profesor de la Escuela de Aeronáutica y Astronáutica de la Universidad de Purdue.

Sin embargo, para alcanzar su máximo potencial, CubeSats requerirá dispositivos de micropropulsión para entregar "bits de impulso" precisos de bajo empuje para científicos, aplicaciones espaciales comerciales y militares.

Ha dirigido investigaciones para desarrollar un nuevo sistema de micropropulsión que utiliza agua ultrapurificada.

"Se cree que el agua es abundante en la luna marciana Fobos, ", dijo." Haciéndola potencialmente una enorme estación de servicio en el espacio. El agua también es un propulsor muy limpio, reduciendo el riesgo de contaminación de instrumentos sensibles por el reflujo de las plumas de los propulsores ".

Los hallazgos de la investigación sobre el nuevo sistema se detallan en un documento que se presentó durante la 31a Conferencia de AIAA / USU sobre satélites pequeños, 5-10 de agosto en Logan, Utah.

El nuevo sistema, llamada matriz sintonizable MEMS de evaporación de película, o propulsor FEMTA, utiliza capilares lo suficientemente pequeños como para aprovechar las propiedades microscópicas del agua. Debido a que los capilares tienen solo unos 10 micrómetros de diámetro, la tensión superficial del fluido evita que fluya, incluso en el vacío del espacio. La activación de pequeños calentadores ubicados cerca de los extremos de los capilares crea vapor de agua y proporciona empuje. De este modo, los capilares se convierten en válvulas que pueden encenderse y apagarse activando los calentadores. La tecnología es similar a una impresora de inyección de tinta, que utiliza calentadores para expulsar las gotas de tinta.

El artículo de investigación fue escrito por la estudiante de posgrado Katherine Fowee; estudiantes de pregrado Steven Pugia, Ryan Clay, Matthew Fuehne y Margaret Linker; asociado de investigación postdoctoral Anthony Cofer; y Alexeenko

"Es muy inusual que los estudiantes de pregrado tengan un papel tan destacado en una investigación avanzada como esta, "Dijo Alexeenko.

Los estudiantes realizaron la investigación como parte de un curso de diseño de propulsión.

Los CubeSats se componen de varias unidades, cada uno mide 10 centímetros en cubos. En la investigación de Purdue, cuatro propulsores FEMTA cargados con aproximadamente una cucharadita de agua se integraron en un prototipo de CubeSat de una unidad y se probaron en el vacío. El Prototipo, que pesa 2,8 kilogramos, o alrededor de seis libras, electrónica contenida y un sensor de unidad de medición inercial para monitorear el rendimiento del sistema de propulsión, que hace girar el satélite utilizando ráfagas de vapor de agua de corta duración.

Los satélites típicos son del tamaño de un autobús escolar, Pesan miles de libras y a veces cuestan cientos de millones de dólares. Y aunque los satélites convencionales requieren una electrónica especializada que pueda soportar las duras condiciones del espacio, CubeSats se pueden construir con bajo costo, componentes listos para usar. Constelaciones de muchos económicos, podrían lanzarse satélites desechables, minimizar el impacto de perder satélites individuales.

Sin embargo, Se necesitan mejoras en los sistemas de micropropulsión para movilizar y controlar con precisión los satélites.

"Se han realizado mejoras sustanciales en las tecnologías de micropropulsión, pero nuevas reducciones de masa, volumen, y la potencia son necesarios para la integración con pequeñas naves espaciales, "Dijo Alexeenko.

La tecnología FEMTA es un sistema microelectromecánico, o un MEMS, que son máquinas diminutas que contienen componentes medidos en la escala de micrones, o millonésimas de metro. El propulsor demostró una relación de empuje a potencia de 230 micronewtons por vatio para impulsos que duran 80 segundos.

"Esta es una potencia muy baja, ", Dijo Alexeenko." Demostramos que una rotación de 180 grados se puede realizar en menos de un minuto y requiere menos de un cuarto de vatio, mostrando que FEMTA es un método viable para el control de actitud de CubeSats ".

Los propulsores FEMTA son boquillas a microescala fabricadas en obleas de silicio utilizando técnicas de nanofabricación comunes en la industria. El modelo fue probado en la gran cámara de vacío de la instalación de alto vacío de Purdue.

Aunque los investigadores utilizaron cuatro propulsores, que permiten que el satélite gire sobre un solo eje, un satélite completamente funcional requeriría 12 propulsores para la rotación de 3 ejes.

El equipo construyó el sistema con dispositivos disponibles comercialmente que son integrales para el "Internet de las cosas, "un fenómeno emergente en el que muchos objetos cotidianos, como electrodomésticos y automóviles, tienen sus propias direcciones de Internet.

"Estos estudiantes de pregrado integraron todas las tecnologías IOT, cuales, francamente, ellos saben más que yo, " ella dijo.

La unidad de medición inercial maneja 10 tipos diferentes de mediciones necesarias para maniobrar y controlar el satélite. Una computadora a bordo recibe de forma inalámbrica señales para disparar el propulsor y transmite datos de movimiento utilizando este chip IMU.

"Lo que realmente queremos hacer a continuación es integrar nuestro sistema en un satélite para una misión espacial real, " ella dijo.

La investigación involucró una colaboración con el Goddard Space Flight Center de la NASA a través del programa SmallSat Technology Partnership de la agencia espacial, que proporcionó una financiación fundamental desde el inicio del concepto en 2013.

Se ha presentado una solicitud de patente para el concepto a través de la Oficina de Comercialización de Tecnología de la Purdue Research Foundation. Las boquillas para el sistema se fabricaron en Scifres

Laboratorio de nanofabricación en el centro de nanotecnología Birck en Discovery Park de Purdue.