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Reportaje publicado en la revista Informacions, número 249 (febrero 2012)
Un pie en Marte, con el ‘Curiosity’
El vehículo todo terreno Curiosity de la misión Mars Science Laboratory (MSL) viaja hacia Marte a bordo de un cohete Atlas que despegó el 26 de noviembre. Es el vehículo mejor equipado que la NASA ha enviado hasta ahora al planeta rojo y dispone de tecnología desarrollada en la Escola Tècnica Superior d'Enginyeria de Telecomunicació de Barcelona (ETSETB), de la UPC.
06/03/2012
Tras casi siete años de trabajo, el vehículo todo terreno Curiosity de la misión Mars Science Laboratory (MSL) de la Nasa viaja hacia Marte a bordo de un cohete Atlas que despegó el 26 de noviembre des del Centro Espacial J.F. Kennedy en cabo Cañaveral, Florida. Es el vehículo más bien equipado que la NASA ha enviado hasta ahora al planeta rojo y dispone de tecnología desarrollada por la ETSETB, de la Universitat Politècnica de Catalunya. BarcelonaTech (UPC).
Si todo transcurre con normalidad, el Curiosity llegará a su destino el mes de agosto después de recorrer millones de quilómetros. El objetivo de la misión MSL, un laboratorio científico en Marte, es estudiar la superficie del planeta rojo mediante los instrumentos alojados en el Curiosity. Entre estos se encuentra una estación de monitorización medioambiental llamada REMS (Rover Environmental Monitoring Station). Es la aportación española a la misión y se encargará de medir la temperatura del aire y del suelo, la presión atmosférica, la radiación ultraviolada y la humedad, así como la velocidad y la dirección del viento.
Estos registros, además de contribuir a la comprensión del clima de Marte, facilitarán la consecución del objetivo final de la misión: determinar si este entorno dispone de condiciones favorables para la vida microbiana.
La estación incorpora un sensor de viento equipado con un chip de silicio diseñado y fabricado en el laboratorio de la sala blanca del Grupo de Investigación en Micro y Nanotecnologías, vinculado al Departamento de Ingeniería Electrónica de la UPC. En la superficie del chip hay grabados en dimensiones micrométricas los nombres de los cinco investigadores del grupo que la han desarrollado: Luis Castañer, Vicente Jiménez, Manuel Domínguez, Lukasz Kowalski y Jordi Ricart.
La atmósfera marciana está compuesta principalmente de dióxido de carboneo (95,32 %), la temperatura media es de 63 grados bajo cero y la presión oscila entre 600 y 1.000 pascales. Sin duda, condiciones extremas para cualquier instrumento. “Una presión atmosférica tan baja (la terrestre supera los 100.000 pascales) implica grandes dificultades a la hora de estudiar las propiedades del aire, ya que limita mucho la interacción entre las moléculas del entorno y cualquier dispositivo”, explica Castañer, investigador del Grupo de Investigación en Micro y Nanotecnologías y director del equipo científico que ha diseñado el chip.
Los responsables de la misión han escogido como punto de aterrizaje del Curiosity el cráter Gale, de unos cien quilómetros de diámetro y con un montículo central de cinco quilómetros de altura. “Es un agujero de las dimensiones del Grand Canyon en Colorado. La zona de exploración tiene grandes desniveles, lo que hace que los flujos de viento sean especialmente notables”, añade Castañer.
Desde que se inició la era de exploración de Marte en 1960 con la misión rusa Korabl 4, a la que siguieron, entre otras, la Mariner en 1971, la Mars Global Surveyor y la Mars Pathfinder en 1997 o la Phoenix en 2008, alrededor de 40 misiones se han acercado al planeta rojo. Algunas de las misiones han incluido vehículos equipados con instrumentos de medición de la velocidad del viento. La mayoría de datos de la superficie de Marte los recogieron la instrumentación de la misión Viking de la NASA en 1976.
Para medir el viento, el sistema que han desarrollado los investigadores de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación de Barcelona (ETSETB) se basa en el principio físico conocido como anemometría de hilo caliente. El método tradicional de hacerlo, que se ha usado con éxito otras veces, consiste en calentar un hilo de platino (muy utilizado en electrónica porque su resistencia es sensible a la temperatura) mediante un corriente eléctrico y medir el cambio de temperatura cuando el viento lo refrigera. Es precisamente la diferencia de temperatura lo que permite saber la velocidad del viento. “Nosotros, en lugar de utilizar un hilo o una película de platino, lo que hemos utilizado son volúmenes semiconductores que se calientan con ayuda de unas resistencias grabadas en la superficie del chip”, afirma el investigador Vicente Jiménez.
En una misión espacial un requisito fundamental de cualquier instrumento es la funcionalidad. Este parámetro se tiene que demostrar en las condiciones ambientales, en este caso de Marte, que son baja temperatura y baja presión. La instrumentación también tiene que pasar unas pruebas de vibración, choque o estrés térmico.
Estas condiciones se han reproducido en una cámara de baja presión, la MarsLab-UPC, en las instalaciones del Parc UPC, en el edificio K2M del Campus Nord de Barcelona.
La validación del chip se hizo bajo la supervisión del Jet Propulsion Laboratory de California. Pero superar los ensayos no ha sido un camino fácil. “Hasta que no hicimos la primera demostración con el prototipo, lo pusimos en una atmosfera marciana, encendimos motores para generar viento y obtuvimos las primeras mediciones gráficas que demostraban que el diseño funcionaba, nadie daba crédito a nuestros modelos y cálculos”, recuerda el científico Lukasz Kowalski.
El inicio de la participación de la UPC se remonta al año 2004, cuando el Centro de Astrobiología (CAB) de Madrid se dirigió al Grupo de Investigación en Micro y Nanotecnologías por su experiencia previa en la medición de caudales de viento y agua. “Pero esto no nos aseguraba la participación en la misión. Antes es necesario pasar muchos testeos y exámenes, y si no los superas hay otros competidores que te pasan por delante”, asegura el investigador Manuel Domínguez.
Financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación, a través del Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial español, en el consorcio que ha desarrollado la estación REMS también ha participado el CAB, la empresa CRISA, la división espacial de la Compañía Europea de Defensa Aeronáutica y Espacio y la Universidad Complutense de Madrid.
Otro factor calve de los instrumentos desarrollados para cada misión espacial es que sean operativos dentro de unos límites estrictos de peso y consumo de potencia. “Este es un punto crítico. Para que el sensor de viento sea sensible a las velocidades de viento previsibles, hay que subministrar una potencia eléctrica para calentar los chips que están en contacto con el medio”, explica Domínguez. “Para no superar la potencia máxima establecida para este dispositivo, hemos tenido que utilizar estrategias de control muy estrictas”, concluye. Para hacernos una idea, el sensor de viento consume 100 milivatios (mW), una potencia que no permite encender una bombilla.
Los ingenieros de la UPC aseguran que la tecnología que se desarrolla es muy valiosa porque ha sido calificada para una misión espacial. Es como tener un sello distintivo que te permite estar bien posicionado en el competitivo mundo de las misiones espaciales.
Además, el conocimiento generado, en general, suele tener continuidad de una misión a otra y, por tanto, la tecnología que ha funcionado se posiciona como candidata para las misiones futuras. Así ha sucedido precisamente con este grupo, que ha firmado un contrato de tres años para otro proyecto, centrado en desarrollar un sensor de viento en Marte. Será para una misión conjunta entre España, Rusia, Finlandia y China. El objetivo de la misión es lanzar una red de 16 estaciones meteorológicas que envíen información a una nave en órbita. De esta manera se obtendrán datos globales del planeta rojo.
Si todo transcurre con normalidad, el Curiosity llegará a su destino el mes de agosto después de recorrer millones de quilómetros. El objetivo de la misión MSL, un laboratorio científico en Marte, es estudiar la superficie del planeta rojo mediante los instrumentos alojados en el Curiosity. Entre estos se encuentra una estación de monitorización medioambiental llamada REMS (Rover Environmental Monitoring Station). Es la aportación española a la misión y se encargará de medir la temperatura del aire y del suelo, la presión atmosférica, la radiación ultraviolada y la humedad, así como la velocidad y la dirección del viento.
Estos registros, además de contribuir a la comprensión del clima de Marte, facilitarán la consecución del objetivo final de la misión: determinar si este entorno dispone de condiciones favorables para la vida microbiana.
La estación incorpora un sensor de viento equipado con un chip de silicio diseñado y fabricado en el laboratorio de la sala blanca del Grupo de Investigación en Micro y Nanotecnologías, vinculado al Departamento de Ingeniería Electrónica de la UPC. En la superficie del chip hay grabados en dimensiones micrométricas los nombres de los cinco investigadores del grupo que la han desarrollado: Luis Castañer, Vicente Jiménez, Manuel Domínguez, Lukasz Kowalski y Jordi Ricart.
La atmósfera marciana está compuesta principalmente de dióxido de carboneo (95,32 %), la temperatura media es de 63 grados bajo cero y la presión oscila entre 600 y 1.000 pascales. Sin duda, condiciones extremas para cualquier instrumento. “Una presión atmosférica tan baja (la terrestre supera los 100.000 pascales) implica grandes dificultades a la hora de estudiar las propiedades del aire, ya que limita mucho la interacción entre las moléculas del entorno y cualquier dispositivo”, explica Castañer, investigador del Grupo de Investigación en Micro y Nanotecnologías y director del equipo científico que ha diseñado el chip.
Los responsables de la misión han escogido como punto de aterrizaje del Curiosity el cráter Gale, de unos cien quilómetros de diámetro y con un montículo central de cinco quilómetros de altura. “Es un agujero de las dimensiones del Grand Canyon en Colorado. La zona de exploración tiene grandes desniveles, lo que hace que los flujos de viento sean especialmente notables”, añade Castañer.
Desde que se inició la era de exploración de Marte en 1960 con la misión rusa Korabl 4, a la que siguieron, entre otras, la Mariner en 1971, la Mars Global Surveyor y la Mars Pathfinder en 1997 o la Phoenix en 2008, alrededor de 40 misiones se han acercado al planeta rojo. Algunas de las misiones han incluido vehículos equipados con instrumentos de medición de la velocidad del viento. La mayoría de datos de la superficie de Marte los recogieron la instrumentación de la misión Viking de la NASA en 1976.
Para medir el viento, el sistema que han desarrollado los investigadores de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación de Barcelona (ETSETB) se basa en el principio físico conocido como anemometría de hilo caliente. El método tradicional de hacerlo, que se ha usado con éxito otras veces, consiste en calentar un hilo de platino (muy utilizado en electrónica porque su resistencia es sensible a la temperatura) mediante un corriente eléctrico y medir el cambio de temperatura cuando el viento lo refrigera. Es precisamente la diferencia de temperatura lo que permite saber la velocidad del viento. “Nosotros, en lugar de utilizar un hilo o una película de platino, lo que hemos utilizado son volúmenes semiconductores que se calientan con ayuda de unas resistencias grabadas en la superficie del chip”, afirma el investigador Vicente Jiménez.
Medición más eficiente
Pero, más que el método de medición, la diferencia fundamental implementada por el equipo de la UPC respeto a otras soluciones es la utilización de varios volúmenes a temperatura constante. “Esto no es una cosa habitual. Lo que hemos hecho es fijar la temperatura con un incremento (diez grados o más) por encima de la del aire. Entonces, calculando la potencia que se necesita para mantener la temperatura, deducimos la velocidad del aire”, añade Vicente Jiménez. De este modo el sensor es más eficiente energéticamente que los existentes hasta ahora. En una misión espacial un requisito fundamental de cualquier instrumento es la funcionalidad. Este parámetro se tiene que demostrar en las condiciones ambientales, en este caso de Marte, que son baja temperatura y baja presión. La instrumentación también tiene que pasar unas pruebas de vibración, choque o estrés térmico.
Estas condiciones se han reproducido en una cámara de baja presión, la MarsLab-UPC, en las instalaciones del Parc UPC, en el edificio K2M del Campus Nord de Barcelona.
La validación del chip se hizo bajo la supervisión del Jet Propulsion Laboratory de California. Pero superar los ensayos no ha sido un camino fácil. “Hasta que no hicimos la primera demostración con el prototipo, lo pusimos en una atmosfera marciana, encendimos motores para generar viento y obtuvimos las primeras mediciones gráficas que demostraban que el diseño funcionaba, nadie daba crédito a nuestros modelos y cálculos”, recuerda el científico Lukasz Kowalski.
El inicio de la participación de la UPC se remonta al año 2004, cuando el Centro de Astrobiología (CAB) de Madrid se dirigió al Grupo de Investigación en Micro y Nanotecnologías por su experiencia previa en la medición de caudales de viento y agua. “Pero esto no nos aseguraba la participación en la misión. Antes es necesario pasar muchos testeos y exámenes, y si no los superas hay otros competidores que te pasan por delante”, asegura el investigador Manuel Domínguez.
Financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación, a través del Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial español, en el consorcio que ha desarrollado la estación REMS también ha participado el CAB, la empresa CRISA, la división espacial de la Compañía Europea de Defensa Aeronáutica y Espacio y la Universidad Complutense de Madrid.
Otro factor calve de los instrumentos desarrollados para cada misión espacial es que sean operativos dentro de unos límites estrictos de peso y consumo de potencia. “Este es un punto crítico. Para que el sensor de viento sea sensible a las velocidades de viento previsibles, hay que subministrar una potencia eléctrica para calentar los chips que están en contacto con el medio”, explica Domínguez. “Para no superar la potencia máxima establecida para este dispositivo, hemos tenido que utilizar estrategias de control muy estrictas”, concluye. Para hacernos una idea, el sensor de viento consume 100 milivatios (mW), una potencia que no permite encender una bombilla.
Tecnología muy valiosa
Si las condiciones que experimentan los instrumentos y componentes espaciales son muy exigentes, sus prestaciones tienen que ser, además de sofisticadas, robustas, ya que las reparaciones son en la mayoría de casos inviables. Por tanto, poder participar en un proyecto de la NASA de esta envergadura no sólo proporciona visibilidad, sino que también significa tener la oportunidad de demostrar que se puede responder a todos los requisitos que la Agencia establece para sus equipos. Los ingenieros de la UPC aseguran que la tecnología que se desarrolla es muy valiosa porque ha sido calificada para una misión espacial. Es como tener un sello distintivo que te permite estar bien posicionado en el competitivo mundo de las misiones espaciales.
Además, el conocimiento generado, en general, suele tener continuidad de una misión a otra y, por tanto, la tecnología que ha funcionado se posiciona como candidata para las misiones futuras. Así ha sucedido precisamente con este grupo, que ha firmado un contrato de tres años para otro proyecto, centrado en desarrollar un sensor de viento en Marte. Será para una misión conjunta entre España, Rusia, Finlandia y China. El objetivo de la misión es lanzar una red de 16 estaciones meteorológicas que envíen información a una nave en órbita. De esta manera se obtendrán datos globales del planeta rojo.
Una Tierra simplificada
Marte se encuentra en la zona de habitabilidad del sistema solar. La posibilidad que se pueda desarrollar vida microbiana la determina la existencia de agua líquida. Si un planeta está demasiado cerca de su estrella anfitriona, el agua que pueda contener se evapora; si está demasiado lejos, se congela. El cuarto planeta del sistema solar tiene un enorme interés para la astrobiología, la ciencia que estudia el origen y la evolución de la vida. Así, la posibilidad de descubrir que hay agua líquida seria un éxito para la misión MSL.
Pero este no es el único motivo de interés científico por el planeta rojo. Marte es el más parecido a la Tierra en cuanto a las características geológicas. Oxigen, silicio y hierro son los componentes principales de este planeta rocoso, el diámetro del cual es aproximadamente la mitad del terrestre (6.794 km) y la superficie y la masa, una cuarta parte y un 10 % de las de la Tierra, respectivamente. El día solar marciano es similar al de la Tierra, 24 horas y 41 minutos, pero el año dura el doble por la distancia que le separa del Sol (686 días). Además, comprender el funcionamiento del clima de Marte puede ayudar a resolver el modelo climático terrestre.
Marte se encuentra en la zona de habitabilidad del sistema solar. La posibilidad que se pueda desarrollar vida microbiana la determina la existencia de agua líquida. Si un planeta está demasiado cerca de su estrella anfitriona, el agua que pueda contener se evapora; si está demasiado lejos, se congela. El cuarto planeta del sistema solar tiene un enorme interés para la astrobiología, la ciencia que estudia el origen y la evolución de la vida. Así, la posibilidad de descubrir que hay agua líquida seria un éxito para la misión MSL.
Pero este no es el único motivo de interés científico por el planeta rojo. Marte es el más parecido a la Tierra en cuanto a las características geológicas. Oxigen, silicio y hierro son los componentes principales de este planeta rocoso, el diámetro del cual es aproximadamente la mitad del terrestre (6.794 km) y la superficie y la masa, una cuarta parte y un 10 % de las de la Tierra, respectivamente. El día solar marciano es similar al de la Tierra, 24 horas y 41 minutos, pero el año dura el doble por la distancia que le separa del Sol (686 días). Además, comprender el funcionamiento del clima de Marte puede ayudar a resolver el modelo climático terrestre.
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