Innovativer Kraftstoffmesser-Prototyp verbessert Satelliten-Kraftstoffüberwachung

Flüssigkeiten verhalten sich im Weltraum nicht so gut wie auf der Erde. In einem Raumfahrzeug erlaubt Mikrogravitation Flüssigkeiten, frei zu schwappen und zu schweben. Dieses Verhalten hat die Kraftstoffmengenerfassung in Satelliten erschwert, aber ein neuer Prototyp-Kraftstoffmesser könnte eine Lösung bieten. Der Messer kann die 3D-Form einer Flüssigkeit basierend auf ihren elektrischen Eigenschaften digital nachbilden. Das Design könnte Satellitenbetreibern zuverlässige Messungen liefern, die helfen, Kollisionen zu verhindern und Satelliten länger betriebsbereit zu halten.

Einen Satellitentank trockenlaufen zu lassen, könnte ihn in seiner ursprünglichen Umlaufbahn stranden lassen, ohne Treibstoff, um Zusammenstöße mit anderen Satelliten und die Erzeugung gefährlicher Trümmerwolken zu vermeiden. Um die Kollisionswahrscheinlichkeit zu reduzieren, bewahren Betreiber die letzten Tropfen Treibstoff auf, um Satelliten in einen Friedhofsorbit hunderte Kilometer von funktionsfähigen Raumfahrzeugen entfernt zu manövrieren. Dabei verschwenden sie jedoch möglicherweise Treibstoff.

Jahrzehntelang war die Treibstoffmessung im Weltraum keine exakte Wissenschaft. Eine der häufigsten Methoden besteht darin, zu schätzen, wie viel Treibstoff bei jedem Schub verbrannt wird, und diesen Betrag vom Volumen des Treibstoffs im Tank abzuziehen. Diese Methode ist am Anfang ziemlich genau, wenn der Tank fast voll ist, aber der Fehler jeder Schätzung trägt sich fort und addiert sich bei jedem Schub. Wenn der Tank niedrig ist, werden die Schätzungen mehr zu groben Vermutungen und können das Ziel um bis zu 10 % verfehlen. Ohne zuverlässige Messungen schicken Betreiber möglicherweise Satelliten mit noch vorhandenem Treibstoff in einen vorzeitigen Ruhestand, was potenziell erhebliche Geldmittel auf dem Tisch lässt.

Das Konzept des neuen Messers nutzt eine kostengünstige 3D-Imaging-Technik namens Electrical Capacitance Volume Tomography (ECVT). Wie ein CT-Scanner kann ECVT die Form eines Objekts approximieren, indem es Messungen aus verschiedenen Winkeln vornimmt. Aber statt Röntgenstrahlen aussenden, emittieren Elektroden elektrische Felder und messen die Fähigkeit des Objekts, elektrische Ladung zu speichern, also Kapazität.

Forscher produzierten Sensorelektroden mit einem Verfahren namens Soft Lithography, bei dem sie Tintenmuster auf Kupferfolien mit flexiblem Kunststoffträger druckten. Dann fraß ein ätzendes Chemikalien das freiliegende Kupfer weg und hinterließ die gewünschten Metallstreifen. Das Team kleidete das Innere eines eiförmigen Behälters, modelliert nach einem von NASAs Treibstofftanks, mit den flexiblen Sensoren aus. Im gesamten Tankinneren können von jedem Sensor emittierte elektrische Felder von den anderen empfangen werden. Aber wie viel dieser Felder 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, schwebten die Forscher einen flüssigkeitsgefüllten Ballon im Tank, der einen Flüssigkeitsblob in Mikrogravitation nachahmte.

Viele Flüssigkeiten, die häufig zum Antrieb von Satelliten und Raumfahrzeugen verwendet werden, wie flüssiger Wasserstoff und Hydrazin, sind in der sauerstoffreichen Erdatmosphäre hochentzündlich, daher entschieden sich die Forscher, etwas Stabileres zu testen. Sie füllten die Ballons mit einem Wärmeträgerfluid – normalerweise verwendet zum Speichern oder Ableiten thermischer Energie in industriellen Prozessen – weil es die elektrischen Eigenschaften von Weltraumtreibstoff genau nachahmte.

Die Forscher aktivierten das System und speisten die Kapazitätsdaten in einen Computer ein, der eine Reihe von 2D-Bildern erzeugte, die die Flüssigkeitsposition über die Länge des Tanks abbildeten. Zusammengesetzt ergaben die Bilder ein 3D-Rendering des Ballons mit einem Durchmesser, der weniger als 6 % vom tatsächlichen Ballondurchmesser abwich.