Protótipo do medidor de combustível para órbita

Os líquidos não se comportam tão bem no espaço quanto na Terra. Dentro de uma espaçonave, a microgravidade permite que os líquidos se espalhem e flutuem livremente. Esse comportamento tornou difícil determinar a quantidade de combustível nos satélites, mas um novo protótipo de medidor de combustível pode oferecer uma solução. O medidor pode recriar digitalmente a forma 3D de um fluido com base em suas propriedades elétricas. O projeto poderia fornecer aos operadores de satélite medições confiáveis ​​que ajudariam a evitar a colisão de satélites e mantê-los operacionais por mais tempo.

Deixar o tanque de um satélite secar pode deixá-lo preso em sua órbita original sem combustível para evitar colidir com outros satélites e produzir nuvens de detritos perigosas. Para reduzir a probabilidade de colisão, os operadores economizam as últimas gotas de combustível para ejetar satélites em uma órbita de cemitério a centenas de quilômetros de distância da espaçonave em funcionamento. Eles podem estar desperdiçando combustível no processo, no entanto.

Por décadas, medir combustível no espaço não tem sido uma ciência exata. Um dos métodos mais utilizados envolve estimar quanto combustível está sendo queimado com cada impulso e subtrair essa quantidade do volume de combustível no tanque. Este método é bastante preciso no início, quando um tanque está quase cheio, mas o erro de cada estimativa continua para a próxima, aumentando a cada impulso. No momento em que um tanque está baixo, as estimativas se tornam mais aproximadas e podem errar o alvo em até 10%. Sem medições confiáveis, as operadoras podem estar enviando satélites com combustível ainda no tanque para uma aposentadoria antecipada, potencialmente deixando uma quantia considerável de dinheiro na mesa.

O conceito do novo medidor faz uso de uma técnica de imagem 3D de baixo custo conhecida como tomografia de volume de capacitância elétrica (ECVT). Como um scanner de TC, o ECVT pode aproximar a forma de um objeto fazendo medições em diferentes ângulos. Mas, em vez de disparar raios-X, os eletrodos emitem campos elétricos e medem a capacidade do objeto de armazenar carga elétrica, ou capacitância.

Os pesquisadores produziram eletrodos sensores usando um processo chamado litografia suave, no qual imprimiram padrões de tinta sobre folhas de cobre com um suporte de plástico flexível. Então, um produto químico corrosivo esculpiu o cobre exposto, deixando para trás as tiras de metal desejadas. A equipe forrou o interior de um recipiente em forma de ovo modelado após um dos tanques de combustível da NASA com os sensores flexíveis. Em todo o interior do tanque, os campos elétricos emitidos por cada sensor podem ser recebidos pelos demais. Mas quanto desses campos acabam sendo transmitidos depende da capacitância de qualquer material que esteja dentro do tanque.

Para testar como as capacidades de medição de combustível do novo sistema podem parecer no espaço, os pesquisadores suspenderam um balão cheio de fluido no tanque, imitando uma bolha de líquido na microgravidade.

Muitos líquidos comumente usados ​​para impulsionar satélites e naves espaciais, como hidrogênio líquido e hidrazina, são altamente inflamáveis ​​na atmosfera rica em oxigênio da Terra, então os pesquisadores optaram por testar algo mais estável. Eles encheram os balões com um fluido de transferência de calor – normalmente usado para armazenar ou dissipar energia térmica em processos industriais – porque imitava de perto as propriedades elétricas do combustível espacial.

Os pesquisadores ativaram o sistema e alimentaram os dados de capacitância para um computador que produziu uma série de imagens 2D mapeando a localização do fluido em todo o comprimento do tanque. Quando compiladas, as imagens deram origem a uma versão 3D do balão com um diâmetro inferior a 6% diferente do diâmetro real do balão.