Un nuovo tipo di sistema di micropropulsione per satelliti in miniatura chiamato CubeSats utilizza un design innovativo di minuscoli ugelli che rilasciano precise raffiche di vapore acqueo per manovrare il veicolo spaziale.

"microsatelliti" e "nanosatelliti" a basso costo molto più piccoli dei veicoli spaziali convenzionali, sono diventati sempre più diffusi. Migliaia di satelliti in miniatura potrebbero essere lanciati per svolgere una varietà di compiti, da immagini ad alta risoluzione e servizi Internet, alla risposta ai disastri, monitoraggio ambientale e sorveglianza militare.

"Offrono un'opportunità per nuove missioni, come il volo di costellazioni e l'esplorazione che le loro controparti più grandi non possono raggiungere economicamente, " ha detto Alina Alexeenko, professore alla Scuola di Aeronautica e Astronautica della Purdue University.

Però, per raggiungere il loro pieno potenziale, CubeSats richiederà dispositivi di micropropulsione per fornire precisi "bit di impulso" a bassa spinta per scopi scientifici, applicazioni spaziali commerciali e militari.

Ha guidato la ricerca per sviluppare un nuovo sistema di micropropulsione che utilizza acqua ultra purificata.

"Si pensa che l'acqua sia abbondante sulla luna marziana Phobos, " ha detto. "rendendolo potenzialmente un enorme distributore di benzina nello spazio. L'acqua è anche un propellente molto pulito, riducendo il rischio di contaminazione degli strumenti sensibili dal riflusso dai pennacchi del propulsore."

I risultati della ricerca sul nuovo sistema sono dettagliati in un documento presentato durante la 31a Conferenza AIAA/USU sui piccoli satelliti, 5-10 agosto a Logan, Utah.

Il nuovo sistema, chiamato Array sintonizzabile MEMS a evaporazione di film, o propulsore FEMTA, utilizza capillari abbastanza piccoli da sfruttare le proprietà microscopiche dell'acqua. Poiché i capillari hanno solo un diametro di circa 10 micrometri, la tensione superficiale del fluido ne impedisce la fuoriuscita, anche nel vuoto dello spazio. L'attivazione di piccoli riscaldatori situati vicino alle estremità dei capillari crea vapore acqueo e fornisce spinta. In questo modo, i capillari diventano valvole che possono essere accese e spente attivando i riscaldatori. La tecnologia è simile a una stampante a getto d'inchiostro, che utilizza riscaldatori per espellere goccioline di inchiostro.

Il documento di ricerca è stato scritto dalla studentessa laureata Katherine Fowee; studenti universitari Steven Pugia, Ryan Clay, Matthew Fuehne e Margaret Linker; associato di ricerca post-dottorato Anthony Cofer; e Alexeenko

"È molto insolito per gli studenti universitari avere un ruolo così importante in ricerche avanzate come questa, " ha detto Aleksenko.

Gli studenti hanno svolto la ricerca nell'ambito di un corso di progettazione di propulsioni.

I CubeSat sono composti da più unità, ciascuno misura 10 centimetri cubi. Nella ricerca Purdue, quattro propulsori FEMTA caricati con circa un cucchiaino d'acqua sono stati integrati in un prototipo CubeSat di un'unità e testati nel vuoto. Il prototipo, che pesa 2,8 chilogrammi, o circa sei libbre, conteneva elettronica e un sensore dell'unità di misura inerziale per monitorare le prestazioni del sistema di propulsione, che ruota il satellite utilizzando raffiche di vapore acqueo di breve durata.

I satelliti tipici hanno le dimensioni di uno scuolabus, pesano migliaia di sterline e talvolta costano centinaia di milioni di dollari. E mentre i satelliti convenzionali richiedono un'elettronica specializzata in grado di resistere alle dure condizioni dello spazio, CubeSat può essere costruito con costi contenuti, componenti di serie. Costellazioni di molti economici, potrebbero essere lanciati satelliti usa e getta, minimizzando l'impatto della perdita di singoli satelliti.

Però, sono necessari miglioramenti nei sistemi di micropropulsione per mobilitare e controllare con precisione i satelliti.

"Ci sono stati miglioramenti sostanziali nelle tecnologie di micropropulsione, ma ulteriori riduzioni di massa, volume, e potenza sono necessari per l'integrazione con piccoli veicoli spaziali, " ha detto Aleksenko.

La tecnologia FEMTA è un sistema microelettromeccanico, o un MEMS, che sono minuscole macchine che contengono componenti misurati sulla scala dei micron, o milionesimi di metro. Il propulsore ha dimostrato un rapporto spinta-potenza di 230 micronewton per watt per impulsi della durata di 80 secondi.

"Questa è una potenza molto bassa, " ha detto Alexeenko. " Dimostriamo che una rotazione di 180 gradi può essere eseguita in meno di un minuto e richiede meno di un quarto di watt, dimostrando che FEMTA è un metodo praticabile per il controllo dell'assetto di CubeSats."

I propulsori FEMTA sono ugelli in microscala prodotti su wafer di silicio utilizzando tecniche di nanofabbricazione comuni nell'industria. Il modello è stato testato nella grande camera a vuoto della Purdue High Vacuum Facility.

Sebbene i ricercatori abbiano utilizzato quattro propulsori, che permettono al satellite di ruotare su un unico asse, un satellite completamente funzionante richiederebbe 12 propulsori per la rotazione su 3 assi.

Il team ha costruito il sistema con poco costoso, dispositivi disponibili in commercio che sono parte integrante dell'"Internet delle cose, "un fenomeno emergente in cui molti oggetti di uso quotidiano come elettrodomestici e automobili hanno i propri indirizzi internet.

"Questi studenti universitari hanno integrato tutte le tecnologie IOT, quale, francamente, ne sanno più di me, " lei disse.

L'unità di misura inerziale gestisce 10 diversi tipi di misure necessarie per manovrare e controllare il satellite. Un computer di bordo riceve in modalità wireless i segnali per attivare il propulsore e trasmette i dati di movimento utilizzando questo chip IMU.

"Quello che vogliamo veramente fare dopo è integrare il nostro sistema in un satellite per una vera missione spaziale, " lei disse.

La ricerca ha comportato una collaborazione con il Goddard Space Flight Center della NASA attraverso il programma SmallSat Technology Partnership dell'agenzia spaziale, che ha fornito finanziamenti critici sin dall'inizio del concetto nel 2013.

Una domanda di brevetto per il concetto è stata depositata tramite l'Office of Technology Commercialization della Purdue Research Foundation. Gli ugelli per il sistema sono stati fabbricati nella Scifres

Laboratorio di nanofabbricazione nel Birck Nanotechnology Center nel Discovery Park di Purdue.