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Cómo entraron los investigadores españoles en la misión Curiosity de la NASA

Historia de 30 chips: así llegó España a Marte

El interés por Marte tiene muchos ángulos. Como nuestro vecino más próximo, un amplio sector de la ciencia ha considerado la posibilidad de que albergase algún tipo de forma de vida. Desde los inicios de la observación astronómica los telescopios han apuntado hacia su superficie buscado indicios de alguna civilización aún viva o, quizá, ya desaparecida. Si Marte tuvo vida en algún momento de su historia, quizá podría volver a tenerla. Quizá nuestra ciencia sería capaz de regenerar su atmósfera para volverla respirable, y hacer de su clima un elemento algo más amigable para el ser humano.

Las sucesivas misiones de exploración, iniciadas en la década de los 60 del siglo pasado por soviéticos y americanos, han ido aproximándose cada vez más al objetivo. Primero mapeando fotográficamente su superficie, colocando satélites y, luego, con la puesta sobre su superficie de vehículos controlados remotamente. Las exploraciones han seguido casi ininterrumpidamente hasta nuestros días. La última de ellas, con el rover Curiosity, tiene por delante un larga temporada sobre suelo marciano tomando todo tipo de datos acerca de sus posibilidades de habitabilidad. Los planes para un futuro relativamente inmediato son mandar una tripulación humana al planeta rojo. ¿Y después? Quizá colonias habitadas, quizá explotaciones geomineras, quizá nuevos desarrollos científicos, quizá un nuevo destino turístico, quizá todo ello junto. Sea como sea, el futuro de Marte se está escribiendo desde la Tierra.

Prólogo

6 de agosto de 2012. Son poco más de las 05:30 UTC cuando, desde el Mars Science Laboratory, el rover Curiosity desciende sobre suelo marciano. Su objetivo es conocer la historia y las condiciones medioambientales del planeta rojo, detectar compuestos orgánicos e identificar indicios de vida pasada, presente y futura. De los casi 900 kilos de peso que tiene, 75 corresponden a material científico. Diversas cámaras, difractómetro de rayos X, detector remoto por láser, analizador de muestras y detectores de radiación y de emisión de neutrones. Y junto a este instrumental el REMS (Rover Enviromental Monitoring Station), un aparato creado bajo dirección española destinado a medir cosas como la presión atmosférica, la radiación ultravioleta, la humedad, la velocidad y dirección del viento y las temperaturas de suelo y aire. Con el REMS España llegaba por primera vez a Marte. Esta es la historia de los acontecimientos que nos llevaron ese día a poner “pie” en suelo marciano.

In illo tempore

Ley de Moore

Chip de Intel
Descrita en 1965 por Gordon Moore, co fundador de Intel, establecía que el número de transistores por chip se duplicaría cada dos años. Una tendencia que se ha cumplido hasta la fecha basándose en dos factores: la miniaturización de los transistores mediante una fotolitografía de mayor resolución cada vez, y el yield o rendimiento del proceso, de manera que los chips de mayor área tienen también una tasa de fallo mayor. Si la tasa de fallo es muy alta, la fabricación se hace económicamente inviable.

Actualmente una fábrica de chips necesita una inversión de 10.000 millones de dólares. Esta es una de las razones por las que sólo hay unas 10 empresas importantes capaces de fabricar chips para un alto número de clientes. Imagen: Yellowcloud.

Para poder entender mejor el camino por el que los científicos españoles lograron introducirse en este proyecto de la NASA hay que remontarse a finales de los años 50 del siglo XX, y poner nuestros ojos en dos puntos de nuestra geografía: Badalona y Mondragón. En Badalona nació, hasta su traslado a la ciudad navarra Tudela, Piher: una empresa que por aquel entonces fabricaba resistencias de carbón pirolítico y condensadores para radio y televisión, y que tuvo a Motorola entre sus clientes, llegando a fabricar seis millones de resistencias al día. En Mondragón estaba Fagor Electrónica, donde se fabricaban placas y rectificadores de selenio. Fagor Electrónica comenzó siendo una división de Ulgor y se constituyó como empresa independiente en 1966. Dos años antes habían abierto el primer laboratorio propio de investigación.

Antes de eso, los transistores habían evolucionado desde su invención en 1947 hasta el desarrollo de transistores con tecnología planar en 1957 (en realidad fue descrita en 1960 por Fairchild) . El año siguiente fue el del circuito integrado, en 1962 se fabrica el primer diafragma con piezoresistencias difundidas para la medida de presión y algo después se publicaba un artículo describiendo las propiedades mecánicas del silicio. Todo ello supuso un impulso fundamental a la fabricación de dispositivos activos y circuitos integrados de estado sólido. Así Piher y Fagor Electrónica se lanzaron a la fabricación de dispositivos de silicio. Por un lado Piher se enfocó en los transistores bipolares con tecnología planar; por el otro Fagor Electrónica adquirió licencia para encapsular diodos rectificadores de silicio de 100 amperios, al tiempo que desarrollaba tecnología propia para fabricar diodos de un amperio en 1964.

El mismo Charles Sporck, considerado uno de los padres fundadores de Silicon Valley, estuvo en conversaciones con Piher para iniciar la fabricación en serie de transistores bipolares con tecnología de National Semiconductors. Antes de trabajar para National, Sporck inició su actividad en la fabricación de transistores en Fairchild Semiconductors. También estaban en el centro de la dirección de este proyecto Jean Hoerni, inventor de la tecnología planar, y los dos fundadores (algunos años más tarde) de Intel, Gordon Moore y Robert Noyce. Cuando Sporck vio la escasez de staff técnico para realizar este cambio tecnológico le dijo al responsable del proyecto técnico: “you have a challenge”. Posteriormente a eso, ni Piher ni Fagor entraron en la fabricación de circuitos integrados, puede que acertadamente visto el cierre de tantas empresas de semiconductores a causa de la ley de Moore.

Luis, you have a challenge

Luis Castañer Muñoz es académico de la RAI desde 1994 y Doctor Ingeniero en Telecomunicación por la Universidad Politécnica de Cataluña desde 1975. Su interés por los semiconductores viene desde sus tiempos de estudiante en la UPM durante el curso 1965-66. El profesor Antonio Luque acababa de crear el Laboratorio de Semiconductores, y Castañer tuvo la posibilidad de aprender con él el proceso de fotolitografía. Después de hacer su tesis en células solares, entró en contacto con Piher, que le ofreció una colaboración en 1979 para diseñar un proceso de fabricación industrial de células solares de silicio de tres pulgadas. Durante los meses que trabajó para la empresa catalana conoció de cerca los procesos de difusión, ataque anisotrópico y serigrafía. Gracias a esta etapa Castañer decantó su trabajo hacia los dispositivos semiconductores funcionales.

A finales de los 80 el profesor José Antonio Martín Pereda es nombrado presidente del comité GAME para el desarrollo de la microelectrónica en España, especialmente del diseño de circuitos a medida y de los dispositivos de potencia, más propensos a no verse afectados por la ley de Moore. Gracias a este comité Castañer conoce a Santiago Álvarez, quien propuso el desarrollo de un sensor de caudal de agua para los electrodomésticos. Álvarez había identificado este componente como capaz de mejorar el funcionamiento de dichos aparatos, razón por la que él y Castañer comenzaron a colaborar juntos para fabricar los prototipos. El sensor aprovechaba que las características de los transistores bipolares dependían de la temperatura. ¿Cuáles eran las características de este sensor? Consistía en un circuito integrado con dos sensores de temperatura. Cada uno de estos sensores contenía cuatro uniones emisor-base conectadas en serie y una resistencia calefactora de NiCr, todo encapsulado en plástico. Aunque el dispositivo nunca se fabricó, este trabajo fue el que llevó a Castañer a entrar en el proyecto Curiosity de la NASA.

Luis Vazquez, profesor de la Facultad de Informática de la Universidad Complutense supo del trabajo de Castañer y le ofreció la posibilidad de entrar en un equipo para diseñar y construir un sensor de viento específico para la atmósfera del planeta rojo. Vazquez era el responsable de la primera etapa de desarrollo de una estación meteorológica proyectada por Juan Pérez Mercader, director del centro de Astrobiología. Mercader había conseguido que la agencia americana seleccionara su programa de REMS (Remote Enviromental Monitoring Station) para el Mars Science Laboratory, y ahora Castañer estaba dentro. Él mismo cuenta que, recordando la experiencia vivida por Piher, se repetía a sí mismo: “Luis, you have a challenge”.

Sensor de vientoSensor de viento de REMS.

El reto en este caso consistía en transformar un sensor de caudal líquido a presión atmosférica en un sensor de velocidad y dirección del viento para la superficie de Marte; algo que supone no pocas dificultades para los científicos. La primera de ellas estaba en el TRL (Technology Readiness Level). El TRL es una medida que evalúa la madurez de la evolución de las tecnologías y sus posibilidades de convertirse en producto comercial. Aunque habitualmente estos productos se desarrollan específicamente para cada misión, también tienen un claro destino comercial. Para el equipo español el TRL era especialmente “cruel y definitivo”, según el profesor Castañer. La ley de Moore jugaba en contra, así que hubo que demostrar su viabilidad a través de sucesivas evaluaciones: PDR (Preliminary Desing Review) y CDR (Critical Desing Review).

Evolución de los chips

¿Qué pasa EN Marte?

Marte
El diámetro de Marte poco mayor de la mitad del de la Tierra, su gravedad es menos de la mitad y su día dura 29 minutos más que el de nuestro planeta. Si contamos todas las latitudes y estaciones del año, su temperatura en superficie puede rondar entre los 150K y los 300K, y su presión atmosférica entre 6 y 12 mBar. Además, entre otras cosas, el 95% de su atmósfera se compone de anhídrido carbónico con poco oxígeno y vapor de agua. En Marte hay cambios en el clima y el comportamiento térmico de la atmósfera ocasionados por tormentas de polvo gigantescas, que afectan a buena parte del planeta.

Los miembros de evaluación tanto del PDR como del CDR miraban con lupa cada uno de los elementos del REMS. Era necesario dar una buena respuesta a todas las cuestiones planteadas por los evaluadores si querían continuar en el proyecto.Y es que las características del planeta rojo hacen especialmente complicado el diseño de dispositivos de medida de su atmósfera.

Las particularidades de la atmósfera y el viento marcianos obligaron a los científicos a avanzar enormemente en el desarrollo de la anemometría térmica. Los métodos que se basan en medir la presión dinámica no son capaces de trabajar con valores de entre 0,01 y 1 Pa, que son los habituales para una velocidad del viento de 1 a 60 mps. Los métodos basados en ultrasonidos no pueden trabajar con presiones por debajo de los 15 mBar debido a que requieren una potencia muy alta. Por su parte, los métodos basados en iones necesitan un ánodo radioactivo y su diseño mecánico es muy complejo. Finalmente, los basados en el efecto doppler y láser todavía no están preparados para este tipo de usos. Así es que, hecho este repaso, sólo queda la anemometría térmica como la más cercana a satisfacer las necesidades de medida en Marte, de hecho, prácticamente todos los datos que se conocen actualmente sobre el viento marciano se han logrado gracias a este sistema.

La anemometría térmica es un sistema carente de partes móviles que, además, pesa poco. El peso es un factor importante en los vuelos espaciales. Poner un kilo de peso en Marte cuesta 2,75 millones de dólares, por lo que la cuenta en el caso del Curiosity es importante: de los 899 kilos que pesa el rover, unos 80 kg corresponden al instrumental científico. El anemómetro térmico también cuenta entre sus ventajas con un consumo energético bastante bajo y su capacidad para trabajar en condiciones extremas de presión y temperatura, perfecto para la dureza de las condiciones marcianas. Por contra, las medidas que arroja dependen de la temperatura del aire y el dispositivo pierde calor por conducción.

fotodados640Cuatro chips sensores en el PCB para detectar la dirección del viento en Marte.

El primer sensor que midió la velocidad y dirección del viento en Marte fue desarrollado por el profesor James E. Tillman de la Universidad de Washington en Seattle. Este ingenio viajó a bordo del Viking en 1976, y el principal componente del mismo era un cilindro de 1 cm de longitud y medio milímetro de diámetro cubierto por una película de platino muy fina, dando lugar a una resistencia. El sensor en conjunto estaba compuesto por dos de estos elementos trabajando a una temperatura superior al medio, un tercer elemento de referencia y un sensor de cuadrante para poder diferenciar la dirección del viento. Posteriormente, en 1997, la misión Pathfinder  contó con un sensor de viento basado en los principios de la anemometría térmica. En este caso se basaba en un cilindro de 2,7 cm, con seis bandas laterales de hilos arrollados de platino iridio de 65 micras.

Cuando la presión atmosférica es baja la interacción del sensor con el medio es débil. El profesor Castañer explica que “la relación entre el camino libre medio de las moléculas de la atmósfera y la dimensión de característica del sensor es mucho mayor que en condiciones de atmósfera terrestre“, por eso las simulaciones tienen que realizar determinadas correcciones (número de Nusselt y número de Mach) para ajustarse a los resultados de Viking y Pathfinder “y situar nuestro diseño en un espacio de trabajo más favorable en términos del número de Knudsen y de la relación entre la potencia consumida y el incremento de temperatura respecto al ambiente para todo el dominio de medida entre 6 y 12 mBar y entre 200K y 300K de temperatura“, cuenta Castañer.

El camino hacia Marte

El sensor desarrollado por el equipo de Luis Castañer acabó siendo un prisma de silicio de un milímetro de lado y medio milímetro de grueso. Cuando el prisma se calienta respecto al medio, el intercambio de calor depende de la velocidad del fluido. Para que el sensor funcionara como tal hay que calentar el silicio y conocer su temperatura para cerrar el lazo de control. El platino funciona muy bien para producir resistencias sensibles a la temperatura en un rango muy amplio. A continuación, los investigadores emplearon, según describe Castañer, “una tecnología convencional de silicio incluyendo una oxidación térmica para procurar aislamiento eléctrico“, a lo cual se sumó el depósito de sendas películas de titanio y platino. Mediante una técnica lift-off se delinea todo en forma de tres resistencias: una calefactora, otra sensora de temperatura y, la última, para fijar electrónicamente la diferencia de temperatura consigna respecto a la del ambiente.

En los prototipos ya se había detectado previamente un problema de pérdida de calor por conducción a través de los hilos metálicos de conexión eléctrica y de los soportes. Para solventar esta pérdida se pensó en pedestales de pyrex para aislar el circuito impreso. Los pedestales de pyrex se sustituyeron después por fibras de vidrio. A la hora de crear la estrategia para medir la temperatura existen dos posibilidades: la de potencia constante y la de temperatura constante. Con el sistema de potencia constante, usado en Pathfinder, se aplica siempre la misma potencia calefactora y se miden los cambios de temperatura; con el sistema de temperatura constante, empleado en Viking, se cambia la potencia de calefacción de manera que la temperatura del punto caliente sea siempre fijada de antemano. Como curiosidad, la diferencia en el incremento de temperatura entre el punto caliente y el ambiente era, en Viking y Pathfinder, de 90º y de 10º respectivamente.

Para el REMS se empleó un sistema de medida por medio de un lazo, que mantenía constante la diferencia de temperatura entre el punto caliente y el ambiente. Para lograrlo se contó con un chip de referencia, igual en todo a los otros, pero sin calentar. Este chip, junto con la tercera resistencia de consigna, servía para ajustar el incremento de la temperatura de trabajo respecto a la de ambiente. Además, al usar platino para las resistencias sensora, calefactora y de ajuste, era posible discriminar la medición de la velocidad del viento de la temperatura ambiente.

En cuanto a la determinación de la dirección del viento, el problema se resolvió disponiendo cuatro chips de forma coplanar, de manera que los chips directamente enfrentados al ángulo de donde viene el viento resultan más refrigerados que los otros. Ubicando varias de estas tarjetas en distintas orientaciones era posible determinar los tres componentes del viento. Dado que la REMS iba a estar adosada al mástil de la cámara principal de Curiosity, se duplicó el sensor de viento y se colocó un nuevo cilindro más alto y en un ángulo de orientación acimutal respecto al otro cilindro.

MNT1-1200Nombre de los cinco investigadores creadores de REMS.

Hechas todas las validaciones, el 26 de noviembre de 2011 la misión MSL parte a bordo de un cohete Atlas rumbo a Marte. Nueve meses después, en medio de la expectación de medio mundo y de una gran emoción por parte de los científicos españoles, el rover Curiosity equipado con el REMS pisa suelo marciano. En la superficie de los chips está grabado, con el mismo metal que se usó para fabricar las resistencias, los nombres del equipo de la UPC que hizo que España llegara a Marte: Luis Castañer, Manuel Domínguez, Vicente Giménez, Lukasz Kowalski y Jordi Ricart.

Imprevistos y previsiones

Uno de los primeros datos que llegaron a la Tierra desde Curiosity fue que el sensor de viento se había dañado durante el aterrizaje. Al posarse sobre la superficie de Marte gracias a los propulsores del rover, junto con el polvo del suelo también se levantaron pequeñas piedras, algunas de las cuales golpearon los chips. Durante las pruebas en tierra se había probado el comportamiento de la maquinaria en presencia de polvo, así como la repercusión de las vibraciones y el impacto del aterrizaje, pero no se previó la posibilidad de la gravilla y los cabezales no estaban protegidos en el momento de posarse.

El resultado fue que 3 de los 30 chips que viajaron a Marte quedaron dañados y no enviaban señal, por lo que las medidas de dos de las tarjetas de uno de los instrumentos quedaban invalidadas parcialmente. Esto, sin embargo, el resto de los chips funcionan perfectamente y envían datos puntualmente. Lo único que hay que tener en cuenta ahora es que el cálculo de la velocidad y dirección del viento a partir de los datos proporcionados debe tener en cuenta esa circunstancia para reajustarse y aportar información fidedigna. De hecho los sensores han detectado ya la presencia de remolinos de viento que no eran detectables antes a causa del movimiento del polvo de la superficie del planeta. La intensidad del viento no se mide a todas horas ni todos los días, sino que sigue una programación de actividad prevista para todos los instrumentos. Desde la zona donde está Curiosity, la dirección predominante del viento es Sur y la intensidad más frecuente está entre 5 y 15 mps.

Equipo del profesor CastañerEl equipo al completo junto al profesor Castañer (derecha).

A pesar de estos contratiempos, la presencia de REMS en la misión Insight de la NASA, prevista para marzo de 2016, está asegurada. El equipo español hizo duplicados por si se producían accidentes durante el montaje o fallaba algo. Como eso no ocurrió, este REMS extra (pero mejorado) ayudará al sismógrafo del Insight a diferenciar los movimientos sísmicos de los que produce el viento. La NASA también cuenta con un proyecto español para la misión Mars 2020, la estación MEDA (Mars Enviromental Dynamics Analyzer) dirigida por José Antonio Rodríguez Manfredi del Centro de Astrobiología, en la que el equipo de Castañer espera poder colaborar. “Nunca pude prever que el cierzo de mi tierra fuera una premonición de mi vinculación a un viento tan lejano como el de Marte“, unas palabras del profesor Castañer para cerrar las crónicas de la aventura de 30 chips en suelo marciano.

 

Fuente: Lección inaugural de la Real Academia de Ingeniería dictada por Luis Castañer, académico de la RAI e Ingeniero de Telecomunicaciones, para el curso académico 2015.

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