Un nuevo tipo de sistema de micropropulsión para satélites en miniatura llamado CubeSats utiliza un diseño innovador de pequeñas boquillas que liberan explosiones precisas de vapor de agua para maniobrar la nave espacial.
Los "microsatélites" y los "nanatélites" de bajo costo, mucho más pequeños que las naves espaciales convencionales, se han vuelto cada vez más frecuentes. Se podrían lanzar miles de satélites en miniatura para realizar una variedad de tareas, desde imágenes de alta resolución y servicios de Internet hasta respuesta a desastres, monitoreo ambiental y vigilancia militar.
"Ofrecen una oportunidad para nuevas misiones, como vuelo de constelaciones y exploración que sus contrapartes más grandes no pueden lograr económicamente", dijo Alina Alexeenko, profesora de la Escuela de Aeronáutica y Astronáutica de la Universidad de Purdue.
Sin embargo, para alcanzar su máximo potencial, CubeSats requerirá dispositivos de micropropulsión para entregar "bits de impulso" precisos de bajo empuje para aplicaciones espaciales científicas, comerciales y militares.
Ha liderado investigaciones para desarrollar un nuevo sistema de micropropulsión que utiliza agua ultra purificada.
"Se cree que el agua es abundante en la luna marciana Fobos", dijo. "Lo que la convierte potencialmente en una enorme estación de servicio en el espacio. El agua también es un propulsor muy limpio, lo que reduce el riesgo de contaminación de instrumentos sensibles por el flujo de retorno del propulsorpenachos "
Los hallazgos de la investigación sobre el nuevo sistema se detallan en un documento presentado durante la 31ª Conferencia AIAA / USU sobre satélites pequeños, del 5 al 10 de agosto en Logan, Utah. Un video de YouTube sobre el trabajo está disponible en http://youtu.be/zP72l08yD3Q .
El nuevo sistema, denominado matriz de sintonización MEMS de evaporación de película, o hélice FEMTA, utiliza capilares lo suficientemente pequeños como para aprovechar las propiedades microscópicas del agua. Debido a que los capilares tienen un diámetro de solo 10 micrómetros, la tensión superficial del fluido lo mantienede fluir, incluso en el vacío del espacio. La activación de pequeños calentadores ubicados cerca de los extremos de los capilares crea vapor de agua y proporciona empuje. De esta manera, los capilares se convierten en válvulas que pueden encenderse y apagarse activando los calentadores. La tecnologíaes similar a una impresora de inyección de tinta, que usa calentadores para expulsar gotas de tinta.
El trabajo de investigación fue escrito por la estudiante de posgrado Katherine Fowee; estudiantes de pregrado Steven Pugia, Ryan Clay, Matthew Fuehne y Margaret Linker; asociado de investigación postdoctoral Anthony Cofer; y Alexeenko
"Es muy inusual que los estudiantes de pregrado tengan un papel tan destacado en la investigación avanzada como esta", dijo Alexeenko.
Los estudiantes realizaron la investigación como parte de un curso de diseño de propulsión.
Los CubeSats están formados por varias unidades, cada una de 10 centímetros en cubos. En la investigación de Purdue, cuatro propulsores FEMTA cargados con aproximadamente una cucharadita de agua se integraron en un prototipo CubeSat de una unidad y se probaron al vacío. El prototipo,que pesa 2.8 kilogramos, o alrededor de seis libras, contenía componentes electrónicos y un sensor de unidad de medición inercial para monitorear el rendimiento del sistema de propulsión, que gira el satélite usando explosiones de vapor de agua de corta duración.
Los satélites típicos son aproximadamente del tamaño de un autobús escolar, pesan miles de libras y algunas veces cuestan cientos de millones de dólares. Y si bien los satélites convencionales requieren dispositivos electrónicos especializados que puedan soportar las duras condiciones del espacio, los CubeSats se pueden construir con bajo costo, componentes listos para usar. Se pueden lanzar constelaciones de muchos satélites económicos y desechables, minimizando el impacto de la pérdida de satélites individuales.
Sin embargo, se necesitan mejoras en los sistemas de micropropulsión para movilizar y controlar con precisión los satélites.
"Se han realizado mejoras sustanciales en las tecnologías de micropropulsión, pero se necesitan reducciones adicionales en masa, volumen y potencia para la integración con pequeñas naves espaciales", dijo Alexeenko.
La tecnología FEMTA es un sistema microelectromecánico, o MEMS, que son máquinas pequeñas que contienen componentes medidos en la escala de micras, o millonésimas de metro. El propulsor demostró una relación de empuje a potencia de 230 micronewtons porvatios para impulsos que duran 80 segundos.
"Esta es una potencia muy baja", dijo Alexeenko. "Demostramos que una rotación de 180 grados se puede realizar en menos de un minuto y requiere menos de un cuarto de vatio, lo que demuestra que FEMTA es un método viable para el control de actitud deCubeSats "
Los propulsores FEMTA son boquillas de microescala fabricadas en obleas de silicio utilizando técnicas de nanofabricación comunes en la industria. El modelo se probó en la gran cámara de vacío de la instalación de alto vacío de Purdue.
Aunque los investigadores utilizaron cuatro propulsores, que permiten que el satélite gire en un solo eje, un satélite completamente funcional requeriría 12 propulsores para la rotación de 3 ejes.
El equipo construyó el sistema con dispositivos económicos y disponibles comercialmente que son esenciales para el "internet de las cosas", un fenómeno emergente en el que muchos objetos cotidianos, como electrodomésticos y automóviles, tienen sus propias direcciones de internet.
"Estos estudiantes universitarios integraron todas las tecnologías IOT, de las cuales, francamente, saben más que yo", dijo.
La unidad de medición inercial maneja 10 tipos diferentes de mediciones necesarias para maniobrar y controlar el satélite. Una computadora a bordo recibe de forma inalámbrica señales para disparar el propulsor y transmite datos de movimiento utilizando este chip IMU.
"Lo que realmente queremos hacer a continuación es integrar nuestro sistema en un satélite para una misión espacial real", dijo.
La investigación involucró una colaboración con el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA a través del programa SmallSat Technology Partnership de la agencia espacial, que proporcionó fondos críticos desde el inicio del concepto en 2013.
Se ha presentado una solicitud de patente para el concepto a través de la Oficina de Comercialización de Tecnología de la Fundación de Investigación Purdue. Las boquillas para el sistema se fabricaron en los Scifres
Laboratorio de nanofabricación en el Centro de Nanotecnología Birck en Purdue's Discovery Park.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Purdue . Original escrito por Emil Venere. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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