Prototype innovant de jauge de carburant améliore la surveillance du carburant des satellites

Les liquides ne se comportent pas aussi bien dans l'espace que sur Terre. À l'intérieur d'un engin spatial, la microgravité permet aux liquides de flotter et de s'agiter librement. Ce comportement a rendu la quantité de carburant dans les satellites difficile à déterminer, mais un nouveau prototype de jauge de carburant pourrait offrir une solution. La jauge peut recréer numériquement la forme 3D d'un fluide basée sur ses propriétés électriques. La conception pourrait potentiellement fournir aux opérateurs de satellites des mesures fiables qui aideraient à prévenir les collisions de satellites et à les maintenir opérationnels plus longtemps.

Laisser le réservoir d'un satellite se vider pourrait le laisser bloqué sur son orbite d'origine sans carburant pour éviter de s'écraser contre d'autres satellites et produire des nuages de débris dangereux. Pour réduire la probabilité de collision, les opérateurs économisent les dernières gouttes de carburant pour éjecter les satellites dans une orbite cimetière à des centaines de kilomètres des engins spatiaux fonctionnels. Ils pourraient cependant gaspiller du carburant dans le processus.

Depuis des décennies, jauger le carburant dans l'espace n'a pas été une science exacte. L'une des méthodes les plus fréquemment utilisées consiste à estimer la quantité de carburant brûlée à chaque poussée et à soustraire ce montant du volume de carburant dans le réservoir. Cette méthode est assez précise au début quand un réservoir est près de plein mais l'erreur de chaque estimation se reporte sur la suivante, se composant à chaque poussée. Au moment où un réservoir est bas, les estimations deviennent plus comme des conjectures approximatives et peuvent manquer la cible de 10 %. Sans mesures fiables, les opérateurs pourraient envoyer des satellites avec encore du carburant dans le réservoir à une retraite anticipée, laissant potentiellement une somme considérable sur la table.

Le concept de la nouvelle jauge utilise une technique d'imagerie 3D à faible coût connue sous le nom de tomographie de volume par capacitance électrique (ECVT). Comme un scanner CT, l'ECVT peut approximer la forme d'un objet en prenant des mesures à différents angles. Mais au lieu de tirer des rayons X, des électrodes émettent des champs électriques et mesurent la capacité de l'objet à stocker une charge électrique, ou capacitance.

Les chercheurs ont produit des électrodes de capteur en utilisant un processus appelé lithographie douce dans lequel ils ont imprimé des motifs d'encre sur des feuilles de cuivre avec un support en plastique flexible. Ensuite, un produit chimique corrosif a creusé le cuivre exposé, laissant derrière les bandes de métal désirées. L'équipe a tapissé l'intérieur d'un récipient en forme d'œuf modélisé d'après l'un des réservoirs de carburant de la NASA avec les capteurs flexibles. À travers l'intérieur du réservoir, les champs électriques émis par chaque capteur peuvent être reçus par les autres. Mais la quantité de ces champs qui finissent par être transmis dépend de la capacitance de n'importe quel matériau à l'intérieur du réservoir.

Pour tester à quoi pourraient ressembler les capacités de jaugeage de carburant du nouveau système dans l'espace, les chercheurs ont suspendu un ballon rempli de fluide dans le réservoir, imitant une goutte de liquide en microgravité.

De nombreux liquides couramment utilisés pour propulser les satellites et engins spatiaux, comme l'hydrogène liquide et l'hydrazine, sont hautement inflammables dans l'atmosphère riche en oxygène de la Terre, donc les chercheurs ont choisi de tester quelque chose de plus stable. Ils ont rempli les ballons avec un fluide de transfert de chaleur — normalement utilisé pour stocker ou dissiper l'énergie thermique dans les processus industriels — parce qu'il imite de près les propriétés électriques du carburant spatial.

Les chercheurs ont activé le système et ont alimenté les données de capacitance à un ordinateur qui a produit une série d'images 2D cartographiant la localisation du fluide à travers la longueur du réservoir. Lorsqu'elles sont compilées, les images ont donné naissance à un rendu 3D du ballon avec un diamètre qui était moins de 6 % différent du diamètre réel du ballon.