Chips en marte

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MADRID MMXV

DISCURSO DEL ACADÉMICO

EXCMO. SR. D. LUIS CASTAÑER MUÑOZ

LEÍDO EN LA SESIÓN INAUGURAL DEL AÑO ACADÉMICO

EL DÍA 20 DE ENERO DE 2015

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REAL ACADEMIA DE INGENIERÍA

Señor Presidente de esta Real Academia, Excelentísimos Académicos,señoras y señores, amigos todos.

Me corresponde a mí el honor de pronunciar esta lección inauguraldel curso académico 2015, siguiendo la tradición que señala a los

académicos constituyentes para desarrollarlas y cumplir así con la deudacontraída con esta Institución con motivo de nuestro nombramiento.

Me siento muy honrado sucediendo en este estrado a mis com-pañeros que han desplegado su magisterio exponiendo cuestionescientíficas y tecnológicas de mucha relevancia para la ingeniería ypara el desarrollo de la sociedad.

El día 8 de Agosto de 2012, se produjo un acontecimiento histó-rico en la exploración espacial. Un vehículo de 750 kilos de peso fuédescolgado con éxito en el crater Gale de la superficie de Marte des-pués de un viaje de casi nueve meses.

No es una tarea fácil puesto que de las 41 misiones que se han in-tentado, incluyendo observadores de paso –flyby–, ingenios en órbita,instrumentos fijos puestos en el suelo –landers– y vehículos en la su-perficie, solo 18 han sido declaradas total o parcialmente éxito [1].

La exploración espacial suscita un enorme interés en la sociedad; elinterés por lo desconocido, que es la fuerza que motiva la experi-mentación, adquiere un carácter mucho mas universal. Muchísimaspersonas se sienten aventureros y descubridores cuando están ex-puestos a noticias o experiencias sobre la exploración del espacio.Los escritores dan rienda suelta a la imaginación de escenarios y si-tuaciones inéditas como hizo Ray Bradbury y sus Crónicas Marcia-nas en 1950, [2] y que sirvieron de guión a una serie de tres episodiosen Televisión en 1980 protagonizados por Rock Hudson.

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Cuando se produce un acontecimiento real de estas característi-cas, la imaginación se contrasta con la realidad y surgen nuevas pre-guntas. El nivel tecnológico de nuestra cotidianeidad, que nospermite disfrutar de comunicaciones móviles, o de sistemas de po-sicionamiento, depende en gran medida de satélites, lo que hace per-cibir socialmente a la tecnología espacial no solamente comoinspiradora y excitante sino también como útil y práctica.

Mucho más cuando se trata de intentar averiguar si hay eviden-cias de vida pasada o posibilidades de vida futura en Marte, el pla-neta mas cercano a nosotros. La curiosidad que se despertó cuandola misión Mars Science Laboratory [3] fué anunciada tuvo el reflejoadecuado cuando por votación popular, el vehículo –rover– fué bau-tizado con el nombre de ’Curiosity’.

Los programas de investigación espacial movilizan un volumende recursos muy elevado propiciando, incluso en la época de la gue-rra fría, la colaboración internacional. Este ha sido también el caso del’Curiosity’ donde en torno a los objetivos científicos de (1) buscarcompuestos orgánicos, (2) buscar los constituyentes químicos de lavida, (3) identificar resultantes de procesos biológicos, (4) investigarla composición química y mineralógica de superficie de Marte, (5)estudiar los procesos de evolución de la atmósfera, (6) determinar elestado del ciclo del agua y del anhídrido carbónico y (7) caracteri-zar el espectro de la radiación, reúne un conjunto de instrumentos [4]que incluye dos cámaras, difractómetro de rayos X, detección remotapor laser, análisis de muestras, detector de radiación, de emisón deneutrones un espectrómetro y por último la estación meteorológicadenominada REMS (Rover Environmental Monitoring Station) [5],[6] para medir la presión atmosférica, la humedad, la radiación ul-travioleta, la velocidad y dirección del viento, la temperatura delsuelo y la temperatura del aire, bajo dirección española.

El conjunto de instrumentos ha contado con las contribuciones yaportaciones de varios países: Canadá, Francia, Rusia, Alemania, Fin-landia y España, incorporando diversos tipos de sensores.

Me gustaría hoy atraer su atención sobre el sensor de viento parala superficie de Marte que se encuentra a bordo del rover Curiosity. Es-pero que mi narración sea de su interés, agrado y entretenimiento.

Los sensores forman parte del arsenal tecnológico desde hace muchotiempo tanto en aplicaciones industriales como domésticas o científicas,

si bien su impacto social se ha manifestado más claramente con la re-ciente incorporación de sensores inerciales, como acelerómetros y gi-róscopos, a los automóviles, teléfonos, tabletas y juegos electrónicos.De tener una microelectrónica de proceso digital de información consensores fuera del chip o del propio sistema, estamos viendo cada vezmás sensores compatibles con el proceso tecnológico microelectrónico.Los sensores se han hecho mayores de edad.

La evolución de la tecnología y del negocio de los sensores mo-dernos está ligada a la historia de los semiconductores. Si en 1947 seinventó el transistor [7], en 1954 se midió el efecto piezoresistivo delsilicio [8]; si en 1957 se hizo el primer transistor con tecnología planar,[9] y en 1958 se inventó el circuito integrado [10], en 1962 se hizo elprimer diafragma con piezoresistencias difundidas para la medida depresión [11]. Algo mas tarde Kurt Petersen publicó un famoso artículoen el que se describían las propiedades mecánicas del silicio [12] loque consiguó estimular definitivamente las tecnologías de microme-canizado para realizar partes móviles con dicho material.

La tecnología industrial de componentes electrónicos en Españaen la década de los 60 tuvo dos núcleos, uno en el área de Barcelona,donde la empresa Piher fabricaba resistencias de carbón pirolítico ycondensadores para la industria de radio y televisión y otro en Mon-dragón, donde Fagor Electrónica hacía rectificadores de selenio. Elimpulso que el silicio había dado a la realización de dispositivos ac-tivos y circuitos integrados de estado sólido, motivó que en ambosnúcleos se abordara la realización de dispositivos de silicio. Mien-tras que en Piher se optó por fabricar transistores bipolares con tec-nología planar, mediante transferencia tecnológica de NationalSemiconductors a mediados de los años 60, por la misma época, Fa-gor Electrónica adquirió licencia para encapsular diodos rectifica-dores de silicio de 100 amperios, y simultáneamente desarrollótecnología propia de fabricación de diodos de 1 amperio. En amboscasos fué un éxito comercial y de fabricación y Fagor Electronica hoydia sigue fabricando diodos rectificadores, diodos zener y tiristores,mientras que Piher fabricó los chips de los transistores hasta su cie-rre a mediados de los años 80.

Hay una anécdota de aquella época, creo que desconocida, y es lavisita a la empresa Piher de Charles Sporck, [13]. Charles Sporck esuno de los grandes nombres del nacimiento de la industria de semi-conductores. Fué contratado por Fairchild Semiconductors para po-

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ner en marcha la fabricación en serie de los transistores bipolares conproceso planar y formó parte del núcleo de dirección junto a JeanHoerni, inventor del proceso planar, Gordon Moore y Robert Noyceque posteriormente fundarían Intel. Charles Sporck dijo al respon-sable de poner en marcha el proyecto técnico en Piher: ’you have achallenge’ cuando estaban transfiriendo la tecnología de montaje pri-mero y luego de fabricación de transistores, a la vista del cambio tec-nológico tan importante que suponía para una empresa decomponentes pasivos.

Ninguna de las dos empresas, Piher ni Fagor, entraron poste-riormente a fabricar circuitos integrados. Es conocida la ley que pre-dice la evolución de la tecnología microelectrónica, enunciada porGordon Moore en 1965 [14], estableciendo que el número de tran-sistores por chip iba a duplicarse cada 18 meses. Esta tendencia, quese ha cumplido durante décadas, incluye dos cosas principales: laminiaturización de cada transistor, mediante una fotolitografía cadavez de mejor resolución y, el yield –rendimiento– del proceso. Chipsde área mayor tienen una mayor tasa de fallo y, si ésta es excesiva,hace económicamente inviable su fabricación en serie.

Quizá las dos empresas españolas anticiparon que la ley de Moorese iba a llevar por delante a muchas empresas de semiconductores,como así ha sido en realidad. Hoy en día una fabrica de chips necesitauna inversión de 10.000 millones de dólares, lo que hace que haya po-cas en el mundo, del orden de 10 importantes [15] y que fabriquenpara muchos clientes que son quienes comercializan los chips.

A mí me interesaron los semiconductores desde que los estudiéen la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación dela Universidad Politécnica de Madrid en el curso 1965-66 y tuve des-pués la fortuna de aprender el proceso de la fotolitografía en el re-cién creado Laboratorio de Semiconductores por el Profesor AntonioLuque, Académico de esta Institución. En el año 1979 la empresaPiher me ofreció una colaboración para diseñar un proceso de fabri-cación industrial de células solares de silicio de tres pulgadas, cosaque hice durante unos meses, en los que aprendí y apliqué los pro-cesos de difusión, ataque anisotrópico, y serigrafía. Llegaron a ha-cerse algunas pequeñas series de estos dispositivos de los que guardodos ejemplares.

Fué para mi una importante experiencia que me permitió disfru-tar de la ingeniería del proceso de fabricación y entender mejor el

entorno industrial. Me sirvió para consolidar mi preferencia de tra-bajar en dispositivos semiconductores funcionales.

A finales de los años 80, principios de los 90, conocí a SantiagoÁlvarez, protagonista de la fabricación de los diodos rectificado-res en Fagor Electrónica, con motivo de la creación del ComitéGAME dirigido por el Profesor José Antonio Martín Pereda, Aca-démico de esta Institución, que fijó como prioridades, el diseño dechips de aplicación específica para las empresas españolas, el de-sarrollo dedispositivos de potencia en el CNM y el impulso de losmicrosistemas (englobando sensores y dispositivos MEMS). Tantoel diseño de circuitos integrados, como los dispositivos de poten-cia y los microsistemas tenían mas posibilidades de escapar a laLey de Moore.

Santiago Álvarez propuso que se desarrollara un sensor de cau-dal de agua para los electrodomésticos. Con ese motivo iniciamosuna colaboración que condujo a la fabricación de prototipos paracuya simulación tuvimos la ayuda del grupo del Profesor César Do-pazo en la Universidad de Zaragoza, Académico de esta Institución.Aprovechando la dependencia de las características de los transis-tores bipolares con la temperatura [16], dicho dispositivo consistió enun pequeño circuito integrado con dos sensores de temperatura, cadauno de ellos formado por un conjunto de cuatro uniones emisor-baseconectadas en serie y una resistencia calefactora de NiCr todo elloencapsulado en plástico. Se hizo una versión para aire. Este dispo-

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Figura 1. Fotografía de una célula solar Piher 1980.

sitivo no fue puesto en producción y de él han quedado algunos po-cos artículos [17], [18].

Esta investigación llamó la atención del Profesor Luis Vázquez de laFacultad de Informática de la Universidad Complutense de Madridquién me ofreció la posibilidad de participar en el diseño y cons-trucción de un sensor de viento para la atmósfera de Marte. El Cen-tro de Astrobiología, dirigido entonces por el Profesor Juan PérezMercader, había conseguido que la NASA seleccionara para su pro-grama Mars Science Laboratory (MSL) el suministro, por parte delgobierno español, de una estación meteorológica, que se denominóREMS (Remote Environmental Monitoring Station) y puso al frentede su desarrollo al Profesor Luis Vázquez en una primera etapa, yposteriormente al Dr. Javier Gómez Elvira.

El reto de convertir un sensor de caudal de líquido a presión at-mosférica en un sensor de velocidad y dirección del viento en la su-perficie del planeta Marte comporta varias dificultades. ’Luis: youhave a challenge’ me decía a mi mismo, si se me permite aproxi-marme con humildad a la situación vivida por Piher unos años an-tes. La primera dificultad es el TRL (Technology Readiness Level)[19] que es una medida del momento de la evolución tecnológica enque se encuentra un desarrollo y su proximidad a un producto co-mercial. Como es natural, los dispositivos que se embarcan en mi-siones espaciales científicas no son sólo productos comerciales, sinotambién componentes o productos que se desarrollan específica-


Figura 2. Sensores de caudal de aire y agua y chip sensor.

mente para cada misión. En nuestro caso, sin ninguna vinculacióncon vuelos semejantes en el pasado, el TRL podía ser tan cruel y de-finitivo como la Ley de Moore y por lo tanto, había que acreditar enlas sucesivas evaluaciones: PDR (Preliminary Design Review) y CDR(Critical Design Review) suficientes argumentos de viabilidad.

Se comprenderá que en las reuniones del PDR y del CDR los eva-luadores sometieron nuestro concepto y tecnología a un detalladoescrutinio. Estuvo claro para mí que una respuesta satisfactoria a to-das las preguntas y cuestiones de los evaluadores era la única formade evitar ser sustituidos por nuestros competidores.

Marte tiene un diámetro algo mas de la mitad que el de la Tierra,una gravedad menos de la mitad, la duración de un día es de 29 mi-nutos más que el día terrestre. La temperatura de la superficie, con-tando todas las latitudes y estaciones del año, se sitúa entre 150 K y300 K y la presión atmosférica entre 6 y 12 mBar. Se sabe que haytormentas de polvo de dimensión planetaria que condicionan elclima y el comportamiento térmico de la atmósfera. El 95 % de lacomposición de la atmósfera es anhídrido carbónico con muy pocapresencia de oxígeno y de vapor de agua [20].

De los diferentes métodos de medida de velocidad del viento parauna atmósfera tan enrarecida como la de Marte, el que está en un ni-vel de desarrollo mas avanzado es el de anemometría térmica [21].Los basados en la medida de la presión dinámica [22] no pueden tra-bajar en valores del orden de 0.01 a 1 Pa que son los esperables paravelocidades de viento de 1 a 60 m/s. Los basados en ultrasonidosnecesitan una potencia muy alta y dificílmente pueden trabajar a va-lores de presión inferiores a 15 mBar [23]. Los basados en iones ne-cesitan un ánodo radioactivo y un complejo diseño mecánico [24] ylos que se basan en efecto doppler y láser [25] no han sido aun sufi-cientemente desarrollados ni miniaturizados para esta aplicación.

La anemometría térmica tiene una larga trayectoria en la me-dida de viento en Marte, ya que prácticamente la totalidad de losdatos de que se dispone en la actualidad han sido conseguidos me-diante sensores basados en ese principio. Es un método sin partesmóviles, tiene poco peso, –hay que tener en cuenta que poner unkilo de peso en Marte cuesta unos 2.75 millones de dolares– con-sume una potencia pequeña, y puede trabajar en condiciones ex-tremas de temperatura y presión. Estas ventajas, añadidas a latendencia muy conservadora que distingue a la tecnología espa-

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cial, facilitaron el camino. Los dos inconvenientes principales sonlas pérdidas de calor por conducción y que la medida depende dela temperatura del aire.

El primer ingenio espacial que midió la velocidad y dirección delviento en la superficie de Marte fué Viking en 1976 [27], [28], [29]mediante un sensor desarrollado por el Profesor Tillman de la Uni-versidad de Washington en Seattle (EEUU).

El elemento esencial de este sensor estaba formado por un pe-queño cilindro de 1 cm de longitud y medio milímetro de diámetrocubierto por una fina película de platino formando una resistencia.El sensor estaba formado por dos de estos elementos trabajando auna temperatura superior al medio, un tercer elemento de referen-cia y un sensor de cuadrante para discriminar la dirección.

En 1997 la misión Pathfinder [30], [31], [32], [33] también llevaba unsensor de viento, basado en el mismo principio de anemometria tér-mica, compuesto por un cilindro de 2.7 cm de diámetro, con seis arro-llamientos laterales de hilo de platinoiridio de 65 micras de diámetro.

La baja presión atmosférica hace que la interacción del sensor conel medio sea débil. La relación entre el camino libre medio de las mo-léculas de la atmósfera y la dimensión característica del sensor, esmucho mayor que en condiciones de atmósfera terrestre [34]. Las si-mulaciones tienen que incluir correcciones en el número de Nusseltbasadas en el número de Knudsen [35], y el número de Mach [36].

Con dichas correcciones, los modelos [26], fueron ajustados para re-producir los resultados de Viking y Pathfinder y posteriormente parasituar nuestro diseño en un espacio de trabajo mas favorable en tér-minos del número de Knudsen y de la relación entre la potencia con-sumida y el incremento de temperatura respecto al ambiente paratodo el dominio de medida entre 6 y 12 mBar y entre 200 K y 300 Kde temperatura. Esto nos condujo a concebir el sensor como un vo-lumen prismático de silicio del orden del milímetro de lado y de me-dio milímetro de grueso.El intercambio de calor de este prisma, unavez calentado respecto al medio, depende de la velocidad del fluido.El silicio es buen conductor térmico por lo que el prisma puede con-siderase isotermo actuando en su conjunto como ‘punto caliente’.

Para que funcione el sensor hay que calentar el volumen de si-licio y conocer su temperatura para poder cerrar el lazo de control,[37]. El platino es el material preferido para hacer resistencias sen-


sibles a la temperatura por su linealidad en un rango muy ampliode temperaturas. Para poner en práctica este concepto se utilizóuna tecnología convencional de silicio incluyendo una oxidacióntérmica para procurar aislamiento eléctrico, el depósito de una finacapa de titanio seguida de otra de platino, el uso de una técnica delift-off para su delineación en forma de tres resistencias: una cale-factora, la segunda sensora de temperatura y la tercera para fijarelectrónicamente la diferencia de temperatura consigna respecto alambiente.

El proceso de cuatro máscaras, incluyó además una difusión yuna vía para poder hacer contacto eléctrico con el sustrato para queno quedara flotante, y un doble depósito del platino en la zona dePAD’s de conexión eléctrica para facilitar la soldadura posterior[38], [39].

Un problema importante, que ya se había detectado en los pro-totipos, es el de las perdidas de calor por conducción a través de loshilos de conexión eléctrica, que son metálicos, y de los soportes. Parareducir las pérdidas por los soportes hacia el circuito impreso pro-pusimos un aislamiento mediante pedestales de pyrex, que es unmaterial de baja conductividad térmica, y que fueron fabricados enel Centro Nacional de Microelectrónica. Posteriormente, en la inte-gración de los modelos de calificación y de vuelo, los pedestales depyrex fueron sustituidos por fibras de vidrio en una empresa.

Desde el punto de vista del diseño de la estrategia de medida haybásicamente dos opciones: una denominada de potencia constante,

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Figura 3. Cara frontal del chip.

que aplica siempre la misma potencia calefactora y mide cambios enla temperatura y la otra denominada de temperatura constante, quecambia la potencia de calefacción de forma que siempre la tempera-tura del punto caliente sea la prefijada de antemano. El diseño deViking utilizó el método de temperatura constante y el de Pathfin-der una versión del de potencia constante. Entre ambos había unadiferencia notable en el incremento de temperatura entre el puntocaliente y el ambiente: mientras que Viking trabajaba a 90 grados dediferencia, Pathfinder lo hacía a 10 grados. En el diseño de REMS seutilizó una estrategia de medida que utilizaba un lazo que manteníaconstante la diferencia de temperatura entre el punto caliente y elambiente. Para ello, se dispuso un chip de referencia, idéntico a losotros, que no estaba calefactado, y que servía, con ayuda de la terceraresistencia de consigna, para ajustar el incremento de la temperaturade trabajo respecto al ambiente. El hecho de utilizar platino tantopara la resistencia sensora como para la calefactora y la resistencia deajuste permite independizar la medida de la velocidad el viento dela de la temperatura ambiente.

Para conseguir una lectura digital de la potencia utilizamos unmodulador sigma-delta [40], [41] que funciona en el dominio elec-tro-térmico porque el filtro paso bajo se realiza en el dominio tér-mico.

El valor instantáneo de dicha potencia dividida por el incrementode temperatura proporciona el valor de la conductancia térmica deconvección que es lo que se relaciona con la velocidad del fluido.


Figura 4. Vista lateral del ensamble del chip al circuito impreso.

El problema de obtener la dirección del viento se resuelve me-diante una disposición geométrica específica: mediante cuatro chipsdispuestos de forma coplanar los chips directamente enfrentados alángulo de ataque del viento resultan mas refrigerados que los otros.Dos simples restas en los dos ejes del sensor proporcionan las doscomponentes del viento en ese plano con resolución de ángulo me-jor que 10 grados. Utilizando varias de estas tarjetas en planos condistinta orientación pueden extraerse las tres componentes del viento.Teniendo en cuenta que la estación REMS alberga otros sensores, elequipo REMS llegó a la conclusión de que procedía disponer tres tar-jetas, formando ángulos de 120 grados entre ellas, alrededor de uncilindro. La ubicación de la estación REMS adosada al mástil de la cá-mara principal, que tiene un diámetro considerable, aconsejó dupli-car el sensor de viento y colocar otro cilindro en una cota superior yen otro ángulo de orientación acimutal respecto al primero.

En el proyecto REMS participaron además del grupo de la Univer-sidad Politécnica de Cataluña, el Centro de Astrobiología antes men-cionado, como Director científico del proyecto, CRISA-EADS comoresponsable de la integración de todos los sensores, el desarrollo delASIC y la validación, la Universidad de Alcalá de Henares, la Uni-versidad Complutense de Madrid, el Finnish Meteorological Insti-tute, la Universidad de Michigan, el Jet Propulsion Laboratory yNASA AMES Research Center Nuestro grupo en la UPC desarrolló,como he descrito hace un momento, el concepto del sensor, la estra-

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Figura 5. imagen de los cuatro chips coplanares del silicio.

tegia de medida, el diseño y montaje de la electrónica del modelo deingeniería, fabricó los chips tanto del modelo de ingenieria como delos modelos de calificación y vuelo, y transfirió a CRISA la informa-ción relevante para la transformación de la electrónica del modelode ingeniería en un circuito integrado a medida. CRISA llevó a cabola integración de los chips UPC en las tarjetas del circuito impreso.

El 26 de noviembre de 2011 un cohete Titán fue lanzado llevando lamisión MSL rumbo a Marte donde, como he dicho al principio, llegóel dia 8 de Agosto de 2012 siendo retransmitida por televisión la fasede descenso el rover Curiosity. Un momento así se vive con intensaemoción por todos los que han participado en un gran proyecto comoéste, incluso por nosotros mismos que hemos tenido una participacióninfinitesimal. Quisimos dejar una firma de nuestro trabajo y hoy puedodecir con orgullo que los nombres de este pequeño equipo de la UPCviajan a bordo del Curiosity por la superficie marciana al estar graba-dos en la superficie de los chips usando el mismo metal con que se hi-cieron las resistencias. Tengo que agradecer a mis colaboradores que nohayan abrazado totalmente la nueva especialidad de la ingeniería, co-nocida como ingeniería del curriculum, y su participación en este pro-yecto les haya compensado suficientemente. También quiero estimulara los jóvenes para que acometan retos importantes y no se limiten alámbito local, en algunos sitios cada vez mas asfixiante.

No puedo dejar pasar esta oportunidad para referirme a las noti-cias que llegaron casi inmediatamente del aterrizaje en la superficiede Marte, según las cuales el sensor de viento había resultado da-


Figura 6. Imagen del prototipo del sensor tridimensional.

ñado. La interpretación que se ha dado a esta circunstancia es quedebajo del polvo marciano, en el lugar de toma de contacto, habíapiedras ligeras que fueron levantadas por los propulsores de frenadocon la mala fortuna de hacer impacto en los chips. A pesar de que sehabían hecho pruebas de comportamiento en presencia de polvo, asícomo ensayos de vibración e impacto, no se había previsto esa cir-cunstancia y los cabezales de REMS no iban protegidos durante lafase de aterrizaje. Se comprobó que tres de los chips no entregabanseñal lo que invalida parcialmente las medidas de dos de las tarjetasde uno de los dos instrumentos, es decir tres chips dañados de 30. Di-cho contratiempo no impide que se reciban datos de los demás chips.El proceso de elaboración de los datos de velocidad y dirección delviento a partir de los datos de las conductancias térmicas de cadachip se hace mas complejo para tener en cuenta esta circunstancia. Elsensor ha detectado la presencia de remolinos de viento no detecta-bles por movimiento de polvo marciano [42].

En un registro temporal de la medida de dirección del viento hayunos cambios bruscos que aparecen en sincronismo con unos cam-bios de la presión. La combinación de ambos cambios es indicativode los citados remolinos según interpretación del equipo científicodel proyecto.

Asímismo se siguen recogiendo datos de dirección e intensidaddel viento enviados desde el Curiosity dependiendo del programadiarío de actividad de todos los instrumentos). La intensidad másfrecuente se sitúa entre 5 y 15 m/s.

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Figura 7. Fotografía ampliada de los nombres del grupo MNT grabados en los chips.

La misión Insight de la NASA en Marzo de 2016 [43] llevará unsensor de viento REMS idéntico al que ya está en Marte. Precisa-mente se hicieron duplicados de la estación REMS, por si en la fasede montaje había accidentes o mal funcionamiento, como no fué así,este sensor equipará la misión Insight para ayudar al sismógrafo adiscriminar movimentos sísmicos del viento.

La misión Mars 2020 rover [44] de la NASA ha seleccionado re-cientemente la estación MEDA (Mars Environmental DynamicsAnalyzer) propuesta por el Centro de Astrobiología e incluirá unsensor de viento, en el que esperamos colaborar.

Hay numerosos puntos de revisión del sensor REMS abiertos yahora hay una nueva oportunidad para mejorar sus prestaciones yrobustez. Desde que terminó nuestra participación en REMS hemosvenido desarrollando ideas mediante un proyecto impulsado por elProfesor Luis Vázquez y coordinado por el Dr. Héctor Guerrero delINTA. Hemos trabajado alrededor de un concepto esférico en el quela isotropía de la geometría, así como la ubicación en su interior delos elementos calefactores debería permitir una mejor sensibilidad yun mas fácil algoritmo inverso de recuperación de la intensidad ycomponentes del viento. En la actualidad estamos haciendo medi-das y desarrollando el circuito integrado específico para esta aplica-ción. EL TRL es en este momento bajo, pero en el contexto de lamisión 2020 y de MEDA seguramente podrá incrementarse.

Paralelamente en estos últimos años también hemos sido testigos dela aparición y crecimiento de la nanotecnología, con importantes re-percusiones en muchos dominios, y también en los sensores y en losdispositivos. En la conferencia inaugural del curso académico 2008el Académico Profesor Antonio Barrero, quién nos dejó tem- prana-mente, describió el proceso electrohidrodinámico del aerosol de lí-quidos, [45] o ’electrospray’ y nos enseñó de qué manera podíancrearse gotas de diferentes tamaños e incluso microgotas de dos lí-quidos inmiscibles, actuando uno de ellos de corteza del otro. Quedéimpresionado y fascinado. Lo que tradicionalmente conocemos comodispositivos electrónicos, no han tenido relación con los líquidoshasta la aparición de la microfluídica para aplicaciones biomédicas.Sin embargo, recientemente, se han producido avances significati-vos en dos áreas que pueden considerarse mas cercanas a la tecno-logía electrónica: las lentes líquidas de distancia focal ajustable


eléctricamente y los displays con velocidad video no transmisivos.El mecanismo que ha permitido estos avances es el conocido comoelectrohumectación o ’electrowetting’, que consiste en la modifica-ción de la tensión superficial mediante la aplicación de un potencialeléctrico entre el líquido y el sustrato [46].

Una lente líquida se forma mediante el menisco entre dos líqui-dos inmiscibles y la forma del menisco es controlable eléctricamente.Estos dispositivos están explotándose ya comercialmente para len-tes de cámaras fotográficas. Los displays que conocemos hoy, nece-sitan de una iluminación posterior para poder ver la imagen. Haydisplays que no lo necesitan porque utilizan una denominada tintaelectrónica y que equipa a los conocidos libros electrónicos, pero noalcanzan la velocidad necesaria para un video. Utilizando una mez-cla de nuevo de liquidos inmiscibles, uno de ellos oscuro y el otrotransparente, puede conseguirse abrir o cerrar un pixel mediante eldesplazamiento del liquido oscuro, y su confinamiento en una es-quina, dejando el pixel transparente y por lo tanto mostrando elfondo o, por el contrario, dejando que el liquido oscuro se extiendaen todo el pixel dejándolo oscuro. Seguramente veremos pronto quelos nuevos displays de los libros electrónicos o de los televisores y or-denadores estarán fabricados con esta tecnología.

Las nanopartículas tienen uso en los dispositivos electrónicos pararealizar sensores resistivos con nanoparticulas funcionalizadas [47]o para mejorar las propiedades de los supercondensadores y pro-porcionar mayor superficie de electrodos. También los transistoresque se usan en las memorias flash y que se basan en una puerta flo-tante, pueden verse mejorados si la puerta se realiza mediante na-nopartículas.

La mezcla de gotas y nanopartículas y la lección inaugural delProfesor Barrero me hizo pensar en experimentar la técnica de elec-trospray usando nanofluidos para depositar capas de nanopartícu-las en un sustrato. Teniendo en cuenta que las nanopartículastambién se usan hoy en día en los tejidos técnicos para hacerlos ino-doros, la técnica de electrospray es potencialmente escalable indus-trialmente.

Los experimentos que hemos hecho hasta la fecha depositandosoluciones coloidales de nanoparticulas [48], [49], [50] demuestranque, no solo es posible el depósito de las mismas por esta técnica,sino que hemos observado con asombro cómo un proceso en apa-

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riencia aleatorio conduce a una ordenación tridimensional de las par-tículas cuando alcanzan el sustrato.

Esta ordenación alcanza una dimensión mayor que las técnicasusuales, como dip-coating, Langmuir-Blodgett, spin-on etc [51] y esposible depositar decenas de monocapas sin perder la ordenación ypuede hacerse en un tiempo muy corto. Los resultados han demos-trado propiedades ópticas de cristales fotónicos con reflexión casitotal en bandas de energía en el infrarrojo. Incluso hemos hecho uncondensador cuyo dieléctrico son nanopartículas de dióxido de sili-cio y que tiene una capacidad específica cuatro veces superior a suequivalente con dieléctrico continuo sin que tengamos explicacióndefinitiva a este fenómeno.

Si bien la dinámica de la formación del cono de Taylor en el pro-ceso de electrohumectación, ha sido muy estudiada, entre otros porel Profesor Juan Fernández de la Mora [52], el autoensamblado or-denado de partículas cuando se acercan al sustrato tras el procesode pulverización, no está suficientemente explicado a pesar de losnumerosos trabajos iniciados por Thomas Jones estudiando la for-mación de cadenas de partículas dieléctricas y conductoras, así comola levitación de las mismas [53], [54]. En la interpretación de Jonesla fuerza que tiene un efecto notable es la fuerza de la dielectrofore-sis. Estudiando la geometría concreta de la pulverización electrohi-drodinámica pienso que la dependencia espacial de dicha fuerzacuando las partículas van llegando a las proximidades del sustratoo de las otras partículas es consistente con el proceso de depósito or-denado que hemos observado.

El impacto que estas observaciones pueden tener en nuestro tra-bajo en los sensores de viento marciano está por explorar todavía,pero recubrimientos selectivos son posibles mediante esta técnica, ytambién esquemas de gestión del calor conocidos como el camuflajetérmico [55], pueden ayudar a reducir las perdidas por conducciónde calor indeseadas. Sin embargo otras muchas aplicaciones se abrenen el horizonte, pensando en el futuro que puede tener la electrónicasobre sustrato de papel o tejido, para conseguir electrónica dese-chable o flexible, en la que el uso de nanopartículas converja con losprocesos de fabricación industrial.

Quiero agradecer a las muchas personas que han hecho posibleque estos chips estén en Marte especialmente al Profesor Luis Váz-quez quien fue el impulsor de este proyecto y buscó el concurso de


otros grupos y personas para construir una base de tecnología y co-nocimiento en esta disciplina en España. A los investigadores delCentro Nacional de Astrobiología, especialmente al Dr. Javier Gó-mez Elvira, Josefina Torres y Sara Navarro. A los profesores de laUniversidad Complutense de Madrid especialmente al ProfesorFrancisco Valero. A los miembros de CRISA, especialmente a JaimeSerrano y a José Moreno. A Manuel de la Torre de JPL. A los miem-bros del grupo de investigación MNT de la UPC, tanto a los que tie-nen su nombre en los chips, Manuel Domínguez-Pumar, VicenteJiménez, Lukasz Kowalski y Jordi Ricart, como a los que no lo tie-nen, especialmente a Ramón Alcubilla, director del Laboratorio, y aMiguel García Molina y la financiación del CDTI y del Ministerioque ha tenido las competencias en I+D y que ha cambiado de nom-bre varias veces.

Para terminar este recorrido de cómo me ha ocurrido a mí pasarde unas cosas a otras, disfrutando en el camino, diré que nunca pudeprever que el cierzo de mi tierra fuera una premonición de mi vin-culación a un viento tan lejano como el de Marte.

Espero que mi crónica marciana de esta tarde haya sido de su in-terés. Muchas gracias

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REFERENCIAS[1] http://mars.nasa.gov/programmissions/missions/log/

[2] R. Bradbury, Martian Chronicles, Simon Schuster paperback NY, 1950

[3] NASA, 2006a. /http://marsoweb.nas.nasa.gov/landingsites/msl/me-moranda/

[4] http://marsprogram.jpl.nasa.gov/msl/

[5] NASA, 2006b. /http://mars.jpl.nasa.gov/msl/mission/

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