Protótipo Inovador de Medidor de Combustível Aprimora Monitoramento de Combustível em Satélites

Líquidos não se comportam tão bem no espaço quanto na Terra. Dentro de uma espaçonave, a microgravidade permite que líquidos flutuem e se movam livremente. Este comportamento tornou a quantidade de combustível em satélites difícil de determinar mas um novo protótipo de medidor de combustível poderia oferecer uma solução. O medidor pode recriar digitalmente a forma 3D de um fluido baseada em suas propriedades elétricas. O design poderia potencialmente fornecer operadores de satélite com medições confiáveis que ajudariam a prevenir colisões de satélites e mantê-los operacionais por mais tempo.

Deixar o tanque de um satélite secar poderia 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, operadores guardam as últimas gotas de combustível para ejetar satélites em uma órbita cemitério a centenas de quilômetros de espaçonaves funcionais. 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 frequentemente confiados 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 próximo do cheio mas o erro de cada estimativa carrega para a próxima, compondo a cada impulso. Quando um tanque está baixo, as estimativas se tornam mais como palpites aproximados e podem errar a marca em até 10%. Sem medições confiáveis, operadores 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 capacitância elétrica de volume (ECVT). Como um scanner CT, ECVT pode aproximar a forma de um objeto tomando medições em diferentes ângulos. Mas em vez de disparar raios-X, eletrodos emitem campos elétricos e medem a capacidade do objeto de armazenar carga elétrica, ou capacitância.

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

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

Muitos líquidos comumente usados para propelir satélites e espaçonaves, como hidrogênio líquido e hidrazina, são altamente inflamáveis na atmosfera rica em oxigênio da Terra, então os pesquisadores optaram por testar algo mais estável. 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 a um computador que produziu uma série de imagens 2D mapeando a localização do fluido ao longo do comprimento do tanque. Quando compiladas, as imagens deram origem a uma renderização 3D do balão com um diâmetro que era menos de 6% diferente do diâmetro real do balão.