Organização sistêmica para concepção de carga útil em CubeSat usando supercapacitor
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Systemic organization for payload desing in CubeSat using supercapacitor
Primeiro orientador
Membros da banca
Rodrigo Lassarote Lavall
Dalton Martini Colombo
Dalton Martini Colombo
Resumo
Recentemente, a Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) iniciou o projeto de um CubeSat, padrão de satélite com requisitos de tamanho e massa, com o propósito de realizar demonstrações tecnológicas, incluindo a avaliação de uma célula supercapacitiva aplicada à eletrônica de baixa potência desenvolvida na própria universidade, além de promover o treinamento de mão de obra especializada. Logo, este trabalho consiste em organizar sistematicamente a concepção da carga útil de um CubeSat usando um supercapacitor. No contexto desse trabalho, a carga útil do CubeSat é composta por uma célula supercapacitiva de eletrólito sólido flexível aplicada ao suprimento de energia em eletrônica de baixa potência, do Sistema para Aquisição Automática de Sinais Elétricos e Caracterização de Supercapacitores (System to Automatic Acquire of Electrical Signals from characterization Supercapacitors- SAAESSC) e seu respectivo software, todos desenvolvidos internamente na UFMG. Para essa concepção, é preciso entender as condições de trabalho do CubeSat em órbita baixa (LEO), verificar quais testes são realizados em CubeSats para validação da carga útil, verificar os testes realizados em supercapacitores para caracterização elétrica, propor e validar um protocolo de testes de temperatura, realizar os testes de validação do SAEESSC, iniciar os testes da célula supercapacitiva, promover a comunicação e integração entre os laboratórios envolvidos. A célula supercapacitiva testada é composta por: eletrólito de polímero gel formado pelo POLI(Líquido Iônico)-PIL = [A2M2Am][TFSI] e o Líquido Iônico- LI [EPPy][TFSI], com eletrodo de óxido de grafeno reduzido (r-GO) com material ativo. Ela foi escolhida observando algumas características elétricas, como capacitância específica, densidade de energia e densidade de potência, além de características físicas como volatilidade e viscosidade do eletrólito. O teste inicial de temperatura foi realizado na amostra da célula supercapacitiva e consistiu em ciclagens galvanostáticas e carga e autodescarga, primeiramente em temperatura ambiente e posteriormente com aumento gradativo de temperatura. Foram realizadas duas rodadas do protocolo sugerido e os resultados mostraram que a amostra continuou operacional após o aumento de temperatura, apresentando melhores resultados nas temperaturas mais elevadas. No entanto, ela sofreu degradação de uma rodada de teste para outra. Visando promover os testes elétricos do supercapacitor, projetou-se o SAAESSC que realiza testes de ciclagem galvanostática e carga e autodescarga, cujos dados coletados são utilizados para caracterização dos parâmetros elétricos do dispositivo e cálculo do seu respectivo circuito elétrico equivalente. O equipamento apresentou-se promissor, pois, ao comparar os resultados obtidos por ele com os resultados obtidos pelo equipamento potenciostato/galvanostato multicanal VMP3 da marca BioLogic, obteve-se um percentual de erro de 0,23%, com desvio padrão muito próximo de zero. Neste trabalho foram identificadas melhorias fundamentais a serem reprojetadas no SAAESSC e na célula supercapacitiva testadas visando aplicação em CubeSat.
Abstract
Recently, the Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) initiated a CubeSat project, a satellite standard with size and mass requirements, with the purpose of conducting technological demonstrations, including the evaluation of a supercapacitive cell applied to low-power electronics developed at the university, as well as promoting specialized workforce training. Therefore, this work consists of systematically organizing the design of the payload of a CubeSat using a supercapacitor. In the context of this work, the CubeSat’s payload is composed of a flexible solid electrolyte supercapacitive cell applied to power supply in low-power electronics, the System to Automatic Acquire of Electrical Signals from characterization Supercapacitors (SAAESSC) and its respective software, all developed internally at UFMG. For this design, it is necessary to understand the working conditions of the CubeSat in low Earth orbit (LEO), verify which tests are performed on CubeSats for payload validation, verify the tests performed on supercapacitors for electrical characterization, propose and validate a temperature test protocol, carry out the validation tests of SAAESSC, start the tests of the supercapacitive cell, and promote communication and integration among the involved laboratories. The tested supercapacitive cell is composed of: gel polymer electrolyte formed by POLY(Ionic Liquid)-PIL = [A2M2Am][TFSI] and the Ionic Liquid- IL [EPPy][TFSI], with reduced graphene oxide (r-GO) electrode with active material. It was chosen considering some electrical characteristics, such as specific capacitance, energy density and power density, as well as physical characteristics like electrolyte volatility and viscosity. The initial temperature test was conducted on the supercapacitive cell sample and consisted of galvanostatic cycling and charge and self-discharge, first at room temperature and later with gradual temperature increase. Two rounds of the suggested protocol were carried out, and the results showed that the sample remained operational after the temperature increase, presenting better results at higher temperatures. However, it suffered degradation from one test round to another. Aiming to promote electrical tests of the supercapacitor, SAAESSC was designed to perform galvanostatic cycling and charge and self-discharge tests, whose collected data are used to characterize the device’s electrical parameters and calculate its respective equivalent electrical circuit. The equipment proved to be promising, as, when comparing the results obtained by it with the results obtained by the potentiostat/galvanostat multichannel VMP3 equipment from the BioLogic brand, an error percentage of 0,23% was obtained, with a standard deviation very close to zero. In this work, fundamental improvements were identified to be redesigned in SAAESSC and the tested supercapacitive cell for application in CubeSat.
Assunto
Engenharia elétrica, Satélites artificiais, Controle de temperatura
Palavras-chave
Supercapacitor, Caracterização elétrica de supercapacitor, CubeSat, Sistema para aquisição automática de sinais elétricos e caracterização de supercapacitores, Teste de aumento gradativo de temperatura, Carga útil