Grupo de Investigación Espacial - Space Research Group.

Historia del Grupo 

El SRG-UAH tiene sus orígenes en la Universidad de Sevilla en 1967, donde empezó a trabajar en radiación cósmica utilizando detectores nucleares de traza pasivos abordo de globos. En 1970 nos desplazamos a la Universidad Autónoma de Barcelona y en 1976 a la Comisión Nacional de Investigación del Espacio (CONIE) en el INTA.

Desde 1967 hemos realizado investigaciones en el campo de la radiación cósmica, principalmente destinadas a estudiar la composición de elementos ligeros (2 < Z <5), medio (6 < Z <9) y pesados (20 < Z <30). Todo ello a partir del diseño e implementación, análisis y exposición de detectores de radiación.

Durante este período de tiempo llevamos a cabo proyectos de investigación realizados en colaboración con instituciones nacionales y extranjeras. Entre ellas el IFIC de la Universidad de Valencia, el Departamento de Física de la Universidad Autónoma de Barcelona, el Instituto de Estudios Avanzados de Dublín, el HH Wills Physics Laboratory de la Universidad de Bristol y el Departamento de Ciencias Espaciales de la Agencia Espacial Europea (ESA).

Primeros investigadores

Dos proyectos importantes

En 1980, después de 14 años de investigaciones sobre detectores pasivos, se hizo evidente que debido a las limitaciones impuestas por este tipo de detectores, éstos eran inadecuados para abordar nuevos problemas que debían ser resueltos usando vehículos espaciales. En consecuencia, buscamos los recursos materiales y humanos que nos permitieron ampliar la investigación y las técnicas utilizadas en el campo de sensores electrónicos. Con ello se abrió la posibilidad de participar en proyectos de investigación de vanguardia. Esto sólo fue posible gracias a la disponibilidad de la infraestructura y el conocimiento adquirido por el grupo.

Con este objetivo en mente, en los años 1980 y 1982, presentamos dos proyectos, uno de ellos propuesto a la CAICYT (Proyecto 3433/79) y el otro a CONIE. Ambos proyectos estaban destinados al estudio de elementos ligeros (2 < Z <15) presentes en la radiación cósmica, por medio de telescopios detectores de silicio de barrera superficial de hasta 100 MeV/nucleón. Ambos proyectos fueron aprobados y desde entonces hemos estado trabajando en este campo.

Estos proyectos se dirigían específicamente a la elaboración de un modelo de detector de laboratorio capaz de discriminar iones ligeros en un acelerador, tanto en carga y en masa.

En noviembre de 1984 realizamos esta prueba en el Instituto Hahn Meitner de Berlín (Alemania) con el acelerador de iones Ne de 230 y 376 MeV de energía. Los resultados mostraron una excelente resolución en carga 1 < Z <15 y masa para iones de He, Li y Be en energías entre 1,5 y 20 Me/nucleón. Una descripción detallada puede encontrarse en Nuclear Instrument and Methods in Physics Research A254 (1987) 440-446 y A257 (1987) 321-324.

Después procedimos al diseño e implementación de un segundo modelo de detector con su telescopio y su electrónica radhard asociados.

En 1992 y en 1993 llevamos a cabo dos calibraciones en el mismo acelerador en Berlín, esta vez con iones de S de 800 MeV. Posteriormente en 1997 y 2000 realizamos otras dos calibraciones en el acelerador GANIL (Gran Accélérateur Nacional de iones de Lourdes) con iones de Ni de 58 MeV/nucleón. Los resultados mostraron una excelente resolución tanto en carga como en masa de los iones. Esta investigación dio lugar a la realización de tres tesis doctorales, la publicación de artículos en diversas revistas, comunicaciones en conferencias nacionales e internacionales y varios trabajos fin de carrera. Una descripción detallada puede encontrarse en Nuclear Instrument and Methods in Physics Research A354 (1995) 539-546, en IEEE Transaction on Nuclear Science 44 (1997) 1442-1447 y en Nuclear Instrument and Methods in Physics Research A443 (2000) 264-276.

Primeros resultados y crecimiento del grupo

En mayo de 1987, firmamos un acuerdo para participar en un consorcio multinacional formado por dos instituciones de investigación de Alemania, dos de Finlandia, dos de Estados Unidos, tres de Japón, una de Irlanda, una de Francia y el European Space Research and Technology Centre-ESTEC. Este consorcio desarrolló el experimento CEPAC para el satélite SOHO.

En 1988 los investigadores del Departamento de Automática se incorporaron al grupo con el fin de proporcionar apoyo tecnológico en el marco del proyecto CEPAC. Es en el año 1990, cuando los miembros de los Departamentos de Automática y Física fundaron oficialmente el grupo.

CEPAC fue diseñado para detectar las emisiones de partículas del Sol y a día de hoy, continúa activo realizando mediciones de las partículas energéticas solares en el punto Lagrangiana L1 desde 1995. Con ello se ha conseguido obtener un avance en nuestra comprensión de una amplia gama de fenómenos y procesos físicos relacionados con el Sol y la física del plasma espacial.

CEPAC está compuesto por cuatro sensores diseñados para:

• medir con gran precisión la composición elemental de las partículas energéticas solares.
• obtener el primer conjunto completo de la abundancia isotópica solar de los iones comprendidos entre el H y el Ni.
• establecer las características de los procesos de propagación de los iones en la corona.
• verificar los modelos de aceleración.
• investigar la perturbaciones interplanetarias.

Nuestra participación en este proyecto fue el diseño y desarrollo de la Unidad de Procesamiento de Datos Común (CDPU) y su software de vuelo. 

El trabajo en este proyecto dio lugar a una tesis doctoral, la publicación de varios artículos en revistas, y la realización de varios trabajos fin de carrera.

Paralelamente a estas actividades, hemos utilizado los datos de varios satélites para aumentar nuestra comprensión de la influencia del Sol en el medio terrestre. En concreto, hemos estudiado las nubes magnéticas y las ondas de choque. Estos trabajos han generado otras cuatro tesis doctorales, la publicación de artículos en diversas revistas y comunicaciones en conferencias nacionales e internacionales (uno de los cuales recibió el premio de la AGU).

SRG-UAH ha participado activamente en muchos otros proyectos relacionados con satélites como Fuegosat, Nanosat, Microsat, Exomars. Actualmente, participa en Solar Orbiter siendo un investigador del grupo el investigador principal del instrumento de partículas energéticas (EPD) del satélite.

Participación en proyectos 

SOHO

El proyecto SOHO (Observatorio Solar y Heliosférico) es un proyecto conjunto de la Agencia Espacial Europea (ESA) y la National Aeronautics and Space Administration (NASA). El proyecto está enmarcado en el Programa de Ciencia Solar Terrestre (STSP) compuesto por SOHO y Cluster, y el Programa Internacional de Física Solar-Terrestre (ISTP), con Geotail (ICEA-Japón), Wind, y Polar.

SOHO fue construido en Europa por un equipo liderado por la industria Matra. Su instrumentación científica fue aportada por equipos europeos y americanos. De ellos, nueve instrumentos son liderados por investigadores principales europeos y por tres norteamericanos. Grandes equipos de ingeniería y más de 200 co-investigadores de diversas instituciones apoyaron a los investigadores principales en el desarrollo de los instrumentos y en la preparación de las operaciones para el análisis de datos. NASA fue responsable de su puesta en marcha y ahora es responsable de las operaciones de la misión. Radioantenas de todo el mundo que forman la Deep Space Network de NASA se utilizan para realizar el seguimiento de la nave espacial más allá de la órbita de la Tierra. El control de la misión se lleva a cabo en el Centro de Vuelos Espaciales Goddard en Maryland. SOHO fue lanzado el 2 de diciembre de 1995.

SRG-UAH estuvo involucrado en el desarrollo de la Unidad Central de Procesamiento de Datos (CDPU) del instrumento COSTEP-ERNE Particle Analyzer Collaboration (CEPAC). El instrumento CEPAC fue desarrollado por científicos de la Universidad de Kiel (Alemania), Universidad de Turku (Finlandia), Colegio San Patricio (Irlanda) y la Universidad de Alcalá (España). Como hemos indicado, la contribución de SRG-UAH en la colaboración CEPAC fue el desarrollo de la CDPU, junto con su programación, validación y prueba de sistemas. La configuración de CEPAC se muestra en la figura siguiente:

Diagrama de CEPAC

La Unidad Común de Procesamiento de Datos

La CDPU de CEPAC se compone de dos tarjetas:

• DPU y la tarjeta interfaces,
• DPU se basa en el procesador de 16 bits MAS281 que cumple con el estándar MIL-STD-1750A.

La primera procesa los datos recogidos por los sensores, genera la telemetría y ejecuta los telecomandos recibidos desde tierra. El software fue desarrollado Ada y lenguaje ensamblador.

La tarjeta de interfaces actúa como interfaz con los sensores y con el subsistema de tratamiento de datos (OBDH) del satélite. Con objeto de aumentar la fiabilidad del sistema, se aplicó un esquema de redundancia en frío.

La siguiente figura muestra el diagrama de bloques de la CDPU.

Diagrama de bloques de la CDPU de CEPAC 

El modelo de vuelo de la CDPU y su correspondiente modelo de recambio fueron fabricados por Alcatel Espacio a partir de un diseño de la UAH. Junto con la CDPU, se desarrolló también su correspondiente EGSE. La CDPU está funcionando desde el lanzamiento de SOHO en 1995 sin que se hayan detectado fallos en su funcionamiento.

PESCA

El instrumento PESCA (Partículas Energéticas Solares y Componente Anómala) fue diseñado y construido por SRG-UAH con el propósito de estudiar las Partículas Energéticas Solares y los Rayos Cósmicos Anómalos desde el helio al hierro en el rango de energías 1.5 a 50 MeV/uma.

El instrumento está formado por dos bloques:

• PIASE (PESCA Instrument Amplification and Shaping Electronics), para la amplificación y la conversión analógico-digital, y
• PICAS (PESCA Instrument Control and Acquisition System) para el control de todo el instrumento.

Aparte del instrumento, se ha desarrollado a su vez un sistema para controlarlo y validarlo (test unitarios, de integración y de sistema) y para su calibración. La implementación se ha realizado en un PC empleando el sistema operativo Linux. La estructura general del instrumento PESCA se presenta en la siguiente figura.

Esquema general del instrumento PESCA y del telescopio detector utilizado. 

El telescopio consta de cuatro detectores de semiconductor (ion implanted) ubicados en una carcasa de aluminio.
Los dos primeros detectores (D1 y D2) son de paso aunque el segundo puede detener partículas de baja energía. El detector D3 es un detector de parada y D4 actúa como detector de veto o anticoincidencia.

La electrónica analógica (PIASE)

El objetivo del bloque analógico es el de amplificar y conformar los pequeños pulsos generados en el telescopio con el propósito de medir su valor de pico y convertirlo a un valor digital. Para ello, cada detector de semiconductor se conecta a un amplificador de carga (CSA), seguido de un filtro polo-cero (PZ) y dos amplificadores (shapers) con un restaurador de línea de base (BLR). Un módulo SCA se emplea para definir la lógica de adquisición de modo que cuando se cumplen las condiciones requeridas, se lleva a cabo una detección de pico (PD) en cada canal y posteriormente se digitaliza con un conversor ADC de 12 bits. En la figura siguiente se muestra un diagrama de PIASE.

Resultados de calibración

Una vez que el instrumento fue verificado en el laboratorio, el siguiente paso fue proceder a una calibración del mismo que se llevó a cabo en el Grand Accélérateur National d’Ions Lourds (GANIL). Los resultados fueron satisfactorios, tal y como se puede observar en la figura.

Ejemplo de pérdida de energía, E, en el detector D2, versus energía perdida en in D3. Obtenido en la reacción 58Ni (52 MeV/nucleon) + 197Au (573 mg/cm2).

FUEGOSAT

El principal objetivo de la misión FUEGOSAT es la detección temprana de incendios haciendo uso de una constelación dedicada de pequeños satélites. Para lograr este propósito, el instrumento FUEGO consta de cuatro cámaras y dos espejos con sus correspondientes sensores. Todo el instrumento es controlado por un computador basado en un procesador PowerPC y que se denomina FUEGO 2 Payload Processor. Este procesador está compuesto por tarjetas VME que incluyen la alimentación, el procesado, las interfaces y tarjetas de conversión A/D. Todo este hardware está controlado por un software denominado PROC_SW que se ejecuta sobre el sistema operativo VxWorks.

Diagrama general de FUEGO.