革新的燃料ゲージプロトタイプ、衛星燃料監視を強化

液体は地球上ほど宇宙では良く振る舞いません。宇宙船内では、微小重力により液体が自由に動揺し、浮遊します。この挙動により、衛星の燃料量を正確に把握することが困難でしたが、新しいプロトタイプ燃料ゲージが解決策を提供するかもしれません。このゲージは、流体の電気的特性に基づいてその3D形状をデジタル再現できます。この設計により、衛星運用者は信頼性の高い測定値を得られ、衛星の衝突防止と長寿命化に貢献する可能性があります。

衛星のタンクを空にすると、元の軌道に留まり、他の衛星と衝突して危険なデブリ雲を生成するのを避ける燃料がなくなります。衝突確率を減らすため、運用者は最後の数滴の燃料を温存し、機能している宇宙船から数百キロメートル離れた墓場軌道に衛星を投入します。しかし、その過程で燃料を無駄にしている可能性があります。

数十年にわたり、宇宙での燃料計測は正確な科学ではありませんでした。最も頻繁に頼られている方法の1つは、各噴射でどれだけ燃料が燃焼するかを推定し、その量をタンク内の燃料体積から差し引くことです。この方法はタンクがほぼ満タンの最初の頃はかなり正確ですが、各推定の誤差が次の推定に持ち越され、噴射のたびに複合的に蓄積します。タンクが少なくなる頃には、推定は大まかな推測のようになり、最大10%も外れることがあります。信頼性の高い測定がないため、運用者はまだ燃料が残っている衛星を早期に引退させ、相当額の損失を出している可能性があります。

新しいゲージのコンセプトは、電気容積トモグラフィ（ECVT）として知られる低コスト3Dイメージング技術を利用します。CTスキャナーのように、ECVTは異なる角度から測定を行うことで物体の形状を近似できます。しかしX線を照射する代わりに、電極が電界を放出し、物体の電荷蓄積能力、つまり静電容量を測定します。

研究者たちは、ソフトリソグラフィと呼ばれるプロセスでセンサー電極を作製しました。銅箔にフレキシブルプラスチック基板を裏打ちし、その上にインクパターンを印刷します。次に、腐食性化学薬品で露出した銅を剥離し、目的の金属ストリップを残します。チームは、NASAの燃料タンクを模した卵形容器の内側にフレキシブルセンサーを貼り付けました。タンク内部では、各センサーから放出される電界を他のセンサーが受信できます。しかし、これらの電界がどれだけ伝送されるかは、タンク内の材料の静電容量に依存します。

新しいシステムの燃料計測能力が宇宙でどう見えるかをテストするため、研究者たちは流体で満たした風船をタンク内に吊り下げ、微小重力下の液体塊を模倣しました。

衛星や宇宙船の推進剤として一般的に使用される液体水素やヒドラジンなどは、地球の酸素豊富な大気では高度に可燃性であるため、研究者たちはより安定したものをテストすることにしました。熱伝達流体（通常は産業プロセスでの熱エネルギー蓄積や放散に使用）を風船に注入しました。これは宇宙燃料の電気的特性をよく模倣するからです。

研究者たちはシステムを作動させ、静電容量データをコンピューターに送り、タンク全長にわたる流体位置をマッピングする一連の2D画像を生成しました。これらをまとめると、実際の風船の直径と6%未満の差しかない直径を持つ風船の3D再現像が得られました。