En ny typ av mikroframdrivningssystem för miniatyrsatelliter som kallas CubeSats använder en innovativ design av små munstycken som släpper ut exakta utbrott av vattenånga för att manövrera rymdfarkosten.

Lågpris "mikrosatelliter" och "nanosatelliter" mycket mindre än konventionella rymdfarkoster, har blivit allt vanligare. Tusentals av miniatyrsatelliterna kan skjutas upp för att utföra en mängd olika uppgifter, från högupplöst bildbehandling och internettjänster, till katastrofinsatser, miljöövervakning och militär övervakning.

"De erbjuder en möjlighet för nya uppdrag, såsom konstellationsflygning och utforskning som deras större motsvarigheter inte kan uppnå ekonomiskt, sa Alina Alexeenko, professor vid Purdue Universitys School of Aeronautics and Astronautics.

Dock, att uppnå sin fulla potential, CubeSats kommer att kräva mikroframdrivningsenheter för att leverera exakta "impulsbitar" med låg dragkraft för vetenskapliga, kommersiella och militära rymdtillämpningar.

Hon har lett forskning för att utveckla ett nytt mikroframdrivningssystem som använder ultrarenat vatten.

"Vatten tros vara rikligt på Marsmånen Phobos, " sa hon. "gör det potentiellt en enorm bensinstation i rymden. Vatten är också ett mycket rent drivmedel, minska risken för kontaminering av känsliga instrument genom tillbakaflödet från propellerplymer."

Forskningsresultat om det nya systemet beskrivs i ett dokument som presenteras under den 31:a AIAA/USU-konferensen om små satelliter, 5-10 augusti i Logan, Utah.

Det nya systemet, kallas en Film-Evaporation MEMS Tunable Array, eller FEMTA thruster, använder kapillärer som är tillräckligt små för att utnyttja vattnets mikroskopiska egenskaper. Eftersom kapillärerna bara är cirka 10 mikrometer i diameter, vätskans ytspänning hindrar den från att rinna ut, även i rymdens vakuum. Aktivering av små värmare placerade nära ändarna av kapillärerna skapar vattenånga och ger dragkraft. På det här sättet, kapillärerna blir ventiler som kan slås på och av genom att aktivera värmarna. Tekniken liknar en bläckstråleskrivare, som använder värmare för att trycka ut bläckdroppar.

Forskningsuppsatsen skrevs av doktoranden Katherine Fowee; studenter Steven Pugia, Ryan Clay, Matthew Fuehne och Margaret Linker; postdoktoral forskarassistent Anthony Cofer; och Alexeenko

"Det är väldigt ovanligt att studenter på grundutbildningen har en så framträdande roll i avancerad forskning som denna, sa Alexeenko.

Studenterna utförde forskningen som en del av en framdrivningsdesignkurs.

CubeSats består av flera enheter, vardera mäter 10-centimeter i kub. I Purdue-forskningen, fyra FEMTA-propeller laddade med ungefär en tesked vatten integrerades i en CubeSat-prototyp med en enhet och testades i vakuum. Prototypen, som väger 2,8 kg, eller ungefär sex pund, innehöll elektronik och en tröghetsmätenhetssensor för att övervaka prestandan hos thrustersystemet, som roterar satelliten med kortlivade skurar av vattenånga.

Typiska satelliter är ungefär lika stora som en skolbuss, väger tusentals pund och kostar ibland hundratals miljoner dollar. Och medan konventionella satelliter kräver specialiserad elektronik som kan motstå rymdens hårda förhållanden, CubeSats kan byggas till låg kostnad, hyllplanskomponenter. Konstellationer av många billiga, engångssatelliter kan skjutas upp, minimera effekten av att förlora enskilda satelliter.

Dock, förbättringar behövs i mikroframdrivningssystem för att mobilisera och exakt styra satelliterna.

"Det har gjorts avsevärda förbättringar i mikroframdrivningstekniker, men ytterligare minskningar i massa, volym, och kraft är nödvändiga för integration med små rymdfarkoster, sa Alexeenko.

FEMTA-tekniken är ett mikroelektromekaniskt system, eller en MEMS, som är små maskiner som innehåller komponenter mätt på mikronskalan, eller miljondelar av en meter. Thrustern visade ett dragkraft-till-effekt-förhållande på 230 mikronewton per watt för impulser som varade i 80 sekunder.

"Detta är en mycket låg effekt, ", sa Alexeenko. "Vi visar att en 180-graders rotation kan utföras på mindre än en minut och kräver mindre än en kvarts watt, visar att FEMTA är en användbar metod för attitydkontroll av CubeSats."

FEMTA-propellerna är munstycken i mikroskala tillverkade på kiselskivor med nanotillverkningstekniker som är vanliga inom industrin. Modellen testades i Purdues högvakuumanläggnings stora vakuumkammare.

Även om forskarna använde fyra propeller, som låter satelliten rotera på en enda axel, en fullt fungerande satellit skulle kräva 12 thrustrar för 3-axlig rotation.

Teamet byggde systemet med billiga, kommersiellt tillgängliga enheter som är integrerade för "sakernas internet, " ett framväxande fenomen där många vardagliga föremål som apparater och bilar har sina egna internetadresser.

"Dessa studenter integrerade alla IOT-tekniker, som, uppriktigt sagt, de vet mer om än jag, " Hon sa.

Tröghetsmätenheten hanterar 10 olika typer av mätningar som behövs för att manövrera och styra satelliten. En inbyggd dator tar trådlöst emot signaler för att avfyra thrustern och sänder rörelsedata med detta IMU-chip.

"Vad vi verkligen vill göra härnäst är att integrera vårt system i en satellit för ett verkligt rymduppdrag, " Hon sa.

Forskningen involverade ett samarbete med NASA:s Goddard Space Flight Center genom rymdorganisationens SmallSat Technology Partnership-program, som gav kritisk finansiering sedan konceptets start 2013.

En patentansökan för konceptet har lämnats in via Purdue Research Foundations Office of Technology Commercialization. Munstyckena för systemet tillverkades i Scifres

Nanofabrication Laboratory i Birck Nanotechnology Center i Purdues Discovery Park.