Prototyp-Treibstoffanzeige für Orbit

Flüssigkeiten verhalten sich im Weltraum nicht so gut wie auf der Erde. In einem Raumschiff ermöglicht die Mikrogravitation Flüssigkeiten, frei zu schwappen und herumzuschwimmen. Dieses Verhalten hat es schwierig gemacht, die Kraftstoffmenge in Satelliten zu bestimmen, aber ein neuer Prototyp der Kraftstoffanzeige könnte eine Lösung bieten. Das Messgerät kann die 3D-Form einer Flüssigkeit basierend auf ihren elektrischen Eigenschaften digital nachbilden. Das Design könnte Satellitenbetreibern möglicherweise zuverlässige Messungen liefern, die dazu beitragen würden, Satellitenkollisionen zu verhindern und sie länger betriebsbereit zu halten.

Wenn der Tank eines Satelliten leer läuft, könnte er ohne Treibstoff in seiner ursprünglichen Umlaufbahn festsitzen, um zu vermeiden, dass er in andere Satelliten prallt und gefährliche Trümmerwolken erzeugt. Um die Wahrscheinlichkeit einer Kollision zu verringern, sparen die Betreiber die letzten paar Tropfen Treibstoff, um Satelliten in eine Friedhofsbahn zu schleudern, die Hunderte von Kilometern von funktionierenden Raumfahrzeugen entfernt ist. Möglicherweise verschwenden sie dabei jedoch Treibstoff.

Jahrzehntelang war die Messung von Treibstoff im Weltraum keine exakte Wissenschaft. Eine der am häufigsten verwendeten Methoden besteht darin, abzuschätzen, wie viel Kraftstoff bei jedem Schub verbrannt wird, und diese Menge von dem Kraftstoffvolumen im Tank abzuziehen. Diese Methode ist am Anfang ziemlich genau, wenn ein Tank fast voll ist, aber der Fehler jeder Schätzung setzt sich zur nächsten fort und verstärkt sich mit jedem Schub. Wenn ein Tank zur Neige geht, werden die Schätzungen eher zu groben Schätzungen und können das Ziel um bis zu 10 % verfehlen. Ohne zuverlässige Messungen könnten Betreiber Satelliten mit noch im Tank befindlichem Treibstoff in den vorzeitigen Ruhestand schicken, wodurch möglicherweise eine beträchtliche Summe Geld auf dem Tisch bleibt.

Das Konzept des neuen Messgeräts nutzt ein kostengünstiges 3D-Bildgebungsverfahren, das als elektrische Kapazitäts-Volumentomographie (ECVT) bekannt ist. Wie ein CT-Scanner kann ECVT die Form eines Objekts annähern, indem es Messungen in verschiedenen Winkeln vornimmt. Aber anstatt Röntgenstrahlen zu schießen, geben Elektroden elektrische Felder ab und messen die Fähigkeit des Objekts, elektrische Ladung oder Kapazität zu speichern.

Die Forscher stellten Sensorelektroden mit einem Verfahren namens Softlithographie her, bei dem sie Tintenmuster auf Kupferbleche mit einer flexiblen Kunststoffunterlage druckten. Dann schnitt eine ätzende Chemikalie das freigelegte Kupfer heraus und hinterließ die gewünschten Metallstreifen. Das Team kleidete das Innere eines eiförmigen Behälters, der einem der Treibstofftanks der NASA nachempfunden war, mit den flexiblen Sensoren aus. Im gesamten Inneren des Tanks können von jedem Sensor emittierte elektrische Felder von den anderen empfangen werden. Aber wie viel von diesen Feldern letztendlich übertragen wird, hängt von der Kapazität des Materials ab, das sich im Tank befindet.

Um zu testen, wie die Treibstoffmessfähigkeiten des neuen Systems im Weltraum aussehen könnten, hängten die Forscher einen mit Flüssigkeit gefüllten Ballon in den Tank, der einen Flüssigkeitsklecks in der Mikrogravitation nachahmte.

Viele Flüssigkeiten, die üblicherweise zum Antrieb von Satelliten und Raumfahrzeugen verwendet werden, wie flüssiger Wasserstoff und Hydrazin, sind in der sauerstoffreichen Atmosphäre der Erde leicht entzündlich, daher entschieden sich die Forscher, etwas Stabileres zu testen. Sie füllten die Ballons mit einer Wärmeübertragungsflüssigkeit – die normalerweise zum Speichern oder Ableiten von Wärmeenergie in industriellen Prozessen verwendet wird – weil sie die elektrischen Eigenschaften von Weltraumtreibstoff nachahmte.

Die Forscher aktivierten das System und gaben die Kapazitätsdaten an einen Computer weiter, der eine Reihe von 2D-Bildern erstellte, die die Position der Flüssigkeit über die gesamte Länge des Tanks abbildeten. Bei der Zusammenstellung der Bilder entstand eine 3D-Darstellung des Ballons mit einem Durchmesser, der weniger als 6 % vom Durchmesser des tatsächlichen Ballons abwich.