I liquidi non si comportano bene nello spazio come sulla Terra. All'interno di una navicella spaziale, la microgravità consente ai liquidi di scivolare e galleggiare liberamente.

Questo comportamento ha reso difficile definire la quantità di carburante nei satelliti, ma un nuovo prototipo di indicatore di livello del carburante progettato presso il National Institute of Standards and Technology (NIST) potrebbe offrire una soluzione ideale. Il calibro, descritto nel Journal of Spacecraft and Rockets , può ricreare digitalmente la forma 3D di un fluido in base alle sue proprietà elettriche. Il progetto potrebbe potenzialmente fornire agli operatori satellitari misurazioni affidabili che aiuterebbero a prevenire la collisione dei satelliti e a mantenerli operativi più a lungo.

"Ogni giorno in cui un satellite rimane in orbita ammonta probabilmente a milioni di dollari di entrate, " ha detto Nick Dagalakis, un ingegnere meccanico del NIST e coautore dello studio. "Gli operatori vogliono utilizzare ogni goccia di carburante, ma non tanto da svuotare il serbatoio."

Lasciare che il serbatoio di un satellite si prosciughi potrebbe lasciarlo bloccato nella sua orbita originale senza carburante per evitare di schiantarsi contro altri satelliti e produrre pericolose nuvole di detriti.

Per ridurre la probabilità di collisione, gli operatori risparmiano le ultime gocce di carburante per espellere i satelliti nell'orbita di un cimitero, centinaia di chilometri di distanza dal veicolo spaziale funzionante. Potrebbero sprecare carburante nel processo, però.

Per decenni, misurare il carburante nello spazio non è stata una scienza esatta. Uno dei metodi più frequentemente utilizzati prevede la stima della quantità di carburante che viene bruciata con ogni spinta e la sottrazione di tale quantità dal volume di carburante nel serbatoio. Questo metodo è abbastanza preciso all'inizio quando un serbatoio è vicino al pieno, ma l'errore di ogni stima continua a quello successivo, mescolando con ogni spinta. Quando un serbatoio è basso, le stime diventano più simili a congetture approssimative e possono mancare il bersaglio fino al 10%.

Senza misurazioni affidabili, gli operatori potrebbero inviare satelliti con carburante ancora nel serbatoio in un pensionamento anticipato, potenzialmente lasciando una notevole quantità di denaro sul tavolo.

Il concetto del nuovo calibro, originariamente ideato da Manohar Deshpande, un manager del trasferimento tecnologico presso il Goddard Space Flight Center della NASA, utilizza una tecnica di imaging 3D a basso costo nota come tomografia a capacità elettrica (ECVT).

Come uno scanner TC, ECVT può approssimare la forma di un oggetto effettuando misurazioni ad angoli diversi. Ma invece di sparare ai raggi X, gli elettrodi emettono campi elettrici e misurano la capacità dell'oggetto di immagazzinare carica elettrica, o capacità.

Deshpande ha cercato l'esperienza di Dagalakis e dei suoi colleghi del NIST, che avevano precedenti esperienze nella fabbricazione di sensori basati sulla capacità, per contribuire a rendere i suoi progetti una realtà.

Nella camera bianca NanoFab presso il Center for Nanoscale Science and Technology del NIST, i ricercatori hanno prodotto elettrodi sensori utilizzando un processo chiamato litografia morbida, in cui hanno stampato modelli di inchiostro su fogli di rame con un supporto di plastica flessibile. Quindi, una sostanza chimica corrosiva ha intagliato il rame esposto, lasciando le strisce di metallo desiderate, ha detto Dagalakis.

Il team ha rivestito l'interno di un contenitore a forma di uovo modellato su uno dei serbatoi di carburante della NASA con i sensori flessibili. In tutto l'interno del serbatoio, i campi elettrici emessi da ciascun sensore possono essere ricevuti dagli altri. Ma quanto di questi campi finiscono per essere trasmessi dipende dalla capacità di qualunque materiale si trovi all'interno del serbatoio.

"Se non hai carburante, hai la trasmissione più alta, e se hai carburante, avrai una lettura più bassa, perché il carburante assorbe l'onda elettromagnetica, " Ha detto Dagalakis. "Misuriamo la differenza di trasmissione per ogni possibile coppia di sensori, e combinando tutte queste misurazioni, puoi sapere dove c'è e dove non c'è carburante e creare un'immagine 3D."

Per testare come potrebbero essere le capacità di misurazione del carburante del nuovo sistema nello spazio, i ricercatori hanno sospeso un palloncino pieno di liquido nel serbatoio, imitando un blob liquido in microgravità.

Molti liquidi comunemente usati per spingere satelliti e veicoli spaziali, come idrogeno liquido e idrazina, sono altamente infiammabili nell'atmosfera ricca di ossigeno della Terra, quindi i ricercatori hanno deciso di testare qualcosa di più stabile, ha detto Dagalakis.

Su consiglio di Deshpande, hanno riempito i palloncini con un fluido termovettore, normalmente utilizzato per immagazzinare o dissipare energia termica nei processi industriali, perché imitava da vicino le proprietà elettriche del carburante spaziale.

I ricercatori hanno attivato il sistema e hanno inviato i dati sulla capacità a un computer, che ha prodotto una serie di immagini 2-D che mappano la posizione del fluido per tutta la lunghezza del serbatoio. Quando compilato, le immagini hanno dato origine a una resa 3D del palloncino con un diametro che era inferiore al 6% diverso dal diametro effettivo del palloncino.

"Questo è solo un prototipo sperimentale, ma questo è un buon punto di partenza, " disse Dagalakis.

Se ulteriormente sviluppato, il sistema ECVT potrebbe aiutare ingegneri e ricercatori a superare molte altre sfide presentate dal comportamento dei liquidi nello spazio.

"La tecnologia potrebbe essere utilizzata per monitorare continuamente il flusso di fluidi nei numerosi tubi a bordo della Stazione Spaziale Internazionale e per studiare come le piccole forze dei fluidi in movimento possono alterare la traiettoria di veicoli spaziali e satelliti, " disse Deshpande.