Chips en marte by Real Academia de Ingeniería

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REAL ACADEMIA DE INGENIERÍA

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DISCURSO DEL ACADÉMICO

EXCMO. SR. D. LUIS CASTAÑER MUÑOZ LEÍDO EN LA SESIÓN INAUGURAL DEL AÑO ACADÉMICO EL DÍA 20 DE ENERO DE 2015

MADRID MMXV

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

e corresponde a mí el honor de pronunciar esta lección inaugural del curso académico 2015, siguiendo la tradición que señala a los académicos constituyentes para desarrollarlas y cumplir así con la deuda contraída con esta Institución con motivo de nuestro nombramiento. Me siento muy honrado sucediendo en este estrado a mis compañeros que han desplegado su magisterio exponiendo cuestiones científicas y tecnológicas de mucha relevancia para la ingeniería y para el desarrollo de la sociedad. El día 8 de Agosto de 2012, se produjo un acontecimiento histórico en la exploración espacial. Un vehículo de 750 kilos de peso fué descolgado con éxito en el crater Gale de la superficie de Marte después de un viaje de casi nueve meses. No es una tarea fácil puesto que de las 41 misiones que se han intentado, incluyendo observadores de paso –flyby–, ingenios en órbita, instrumentos fijos puestos en el suelo –landers– y vehículos en la superficie, solo 18 han sido declaradas total o parcialmente éxito [1].

La exploración espacial suscita un enorme interés en la sociedad; el interés por lo desconocido, que es la fuerza que motiva la experimentación, adquiere un carácter mucho mas universal. Muchísimas personas se sienten aventureros y descubridores cuando están expuestos a noticias o experiencias sobre la exploración del espacio. Los escritores dan rienda suelta a la imaginación de escenarios y situaciones inéditas como hizo Ray Bradbury y sus Crónicas Marcianas en 1950, [2] y que sirvieron de guión a una serie de tres episodios en Televisión en 1980 protagonizados por Rock Hudson.

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Cuando se produce un acontecimiento real de estas características, la imaginación se contrasta con la realidad y surgen nuevas preguntas. El nivel tecnológico de nuestra cotidianeidad, que nos permite disfrutar de comunicaciones móviles, o de sistemas de posicionamiento, depende en gran medida de satélites, lo que hace percibir socialmente a la tecnología espacial no solamente como inspiradora y excitante sino también como útil y práctica. Mucho más cuando se trata de intentar averiguar si hay evidencias de vida pasada o posibilidades de vida futura en Marte, el planeta mas cercano a nosotros. La curiosidad que se despertó cuando la misión Mars Science Laboratory [3] fué anunciada tuvo el reflejo adecuado cuando por votación popular, el vehículo –rover– fué bautizado con el nombre de ’Curiosity’. Los programas de investigación espacial movilizan un volumen de recursos muy elevado propiciando, incluso en la época de la guerra fría, la colaboración internacional. Este ha sido también el caso del ’Curiosity’ donde en torno a los objetivos científicos de (1) buscar compuestos orgánicos, (2) buscar los constituyentes químicos de la vida, (3) identificar resultantes de procesos biológicos, (4) investigar la composición química y mineralógica de superficie de Marte, (5) estudiar los procesos de evolución de la atmósfera, (6) determinar el estado del ciclo del agua y del anhídrido carbónico y (7) caracterizar el espectro de la radiación, reúne un conjunto de instrumentos [4] que incluye dos cámaras, difractómetro de rayos X, detección remota por laser, análisis de muestras, detector de radiación, de emisón de neutrones un espectrómetro y por último la estación meteorológica denominada REMS (Rover Environmental Monitoring Station) [5], [6] para medir la presión atmosférica, la humedad, la radiación ultravioleta, la velocidad y dirección del viento, la temperatura del suelo y la temperatura del aire, bajo dirección española. El conjunto de instrumentos ha contado con las contribuciones y aportaciones de varios países: Canadá, Francia, Rusia, Alemania, Finlandia y España, incorporando diversos tipos de sensores. Me gustaría hoy atraer su atención sobre el sensor de viento para la superficie de Marte que se encuentra a bordo del rover Curiosity. Espero que mi narración sea de su interés, agrado y entretenimiento. Los sensores forman parte del arsenal tecnológico desde hace mucho tiempo tanto en aplicaciones industriales como domésticas o científicas,

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si bien su impacto social se ha manifestado más claramente con la reciente incorporación de sensores inerciales, como acelerómetros y giróscopos, a los automóviles, teléfonos, tabletas y juegos electrónicos. De tener una microelectrónica de proceso digital de información con sensores fuera del chip o del propio sistema, estamos viendo cada vez más 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 modernos está ligada a la historia de los semiconductores. Si en 1947 se inventó el transistor [7], en 1954 se midió el efecto piezoresistivo del silicio [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 el primer diafragma con piezoresistencias difundidas para la medida de presión [11]. Algo mas tarde Kurt Petersen publicó un famoso artículo en el que se describían las propiedades mecánicas del silicio [12] lo que consiguó estimular definitivamente las tecnologías de micromecanizado para realizar partes móviles con dicho material. La tecnología industrial de componentes electrónicos en España en la década de los 60 tuvo dos núcleos, uno en el área de Barcelona, donde la empresa Piher fabricaba resistencias de carbón pirolítico y condensadores para la industria de radio y televisión y otro en Mondragón, donde Fagor Electrónica hacía rectificadores de selenio. El impulso que el silicio había dado a la realización de dispositivos activos y circuitos integrados de estado sólido, motivó que en ambos núcleos se abordara la realización de dispositivos de silicio. Mientras que en Piher se optó por fabricar transistores bipolares con tecnología planar, mediante transferencia tecnológica de National Semiconductors a mediados de los años 60, por la misma época, Fagor Electrónica adquirió licencia para encapsular diodos rectificadores de silicio de 100 amperios, y simultáneamente desarrolló tecnología propia de fabricación de diodos de 1 amperio. En ambos casos fué un éxito comercial y de fabricación y Fagor Electronica hoy dia sigue fabricando diodos rectificadores, diodos zener y tiristores, mientras que Piher fabricó los chips de los transistores hasta su cierre a mediados de los años 80. Hay una anécdota de aquella época, creo que desconocida, y es la visita a la empresa Piher de Charles Sporck, [13]. Charles Sporck es uno de los grandes nombres del nacimiento de la industria de semiconductores. Fué contratado por Fairchild Semiconductors para po-

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ner en marcha la fabricación en serie de los transistores bipolares con proceso planar y formó parte del núcleo de dirección junto a Jean Hoerni, inventor del proceso planar, Gordon Moore y Robert Noyce que posteriormente fundarían Intel. Charles Sporck dijo al responsable de poner en marcha el proyecto técnico en Piher: ’you have a challenge’ cuando estaban transfiriendo la tecnología de montaje primero y luego de fabricación de transistores, a la vista del cambio tecnológico tan importante que suponía para una empresa de componentes pasivos. Ninguna de las dos empresas, Piher ni Fagor, entraron posteriormente a fabricar circuitos integrados. Es conocida la ley que predice la evolución de la tecnología microelectrónica, enunciada por Gordon Moore en 1965 [14], estableciendo que el número de transistores por chip iba a duplicarse cada 18 meses. Esta tendencia, que se ha cumplido durante décadas, incluye dos cosas principales: la miniaturización de cada transistor, mediante una fotolitografía cada vez de mejor resolución y, el yield –rendimiento– del proceso. Chips de 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 Moore se iba a llevar por delante a muchas empresas de semiconductores, como así ha sido en realidad. Hoy en día una fabrica de chips necesita una inversión de 10.000 millones de dólares, lo que hace que haya pocas en el mundo, del orden de 10 importantes [15] y que fabriquen para muchos clientes que son quienes comercializan los chips. A mí me interesaron los semiconductores desde que los estudié en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación de la Universidad Politécnica de Madrid en el curso 1965-66 y tuve después la fortuna de aprender el proceso de la fotolitografía en el recién creado Laboratorio de Semiconductores por el Profesor Antonio Luque, Académico de esta Institución. En el año 1979 la empresa Piher me ofreció una colaboración para diseñar un proceso de fabricación industrial de células solares de silicio de tres pulgadas, cosa que hice durante unos meses, en los que aprendí y apliqué los procesos de difusión, ataque anisotrópico, y serigrafía. Llegaron a hacerse algunas pequeñas series de estos dispositivos de los que guardo dos ejemplares. Fué para mi una importante experiencia que me permitió disfrutar de la ingeniería del proceso de fabricación y entender mejor el

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Figura 1. Fotografía de una célula solar Piher 1980.

entorno industrial. Me sirvió para consolidar mi preferencia de trabajar en dispositivos semiconductores funcionales. A finales de los años 80, principios de los 90, conocí a Santiago Álvarez, protagonista de la fabricación de los diodos rectificadores en Fagor Electrónica, con motivo de la creación del Comité GAME dirigido por el Profesor José Antonio Martín Pereda, Académico de esta Institución, que fijó como prioridades, el diseño de chips de aplicación específica para las empresas españolas, el desarrollo dedispositivos de potencia en el CNM y el impulso de los microsistemas (englobando sensores y dispositivos MEMS). Tanto el diseño de circuitos integrados, como los dispositivos de potencia y los microsistemas tenían mas posibilidades de escapar a la Ley de Moore. Santiago Álvarez propuso que se desarrollara un sensor de caudal de agua para los electrodomésticos. Con ese motivo iniciamos una colaboración que condujo a la fabricación de prototipos para cuya simulación tuvimos la ayuda del grupo del Profesor César Dopazo en la Universidad de Zaragoza, Académico de esta Institución. Aprovechando la dependencia de las características de los transistores bipolares con la temperatura [16], dicho dispositivo consistió en un pequeño circuito integrado con dos sensores de temperatura, cada uno de ellos formado por un conjunto de cuatro uniones emisor-base conectadas en serie y una resistencia calefactora de NiCr todo ello encapsulado en plástico. Se hizo una versión para aire. Este dispo-

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

sitivo no fue puesto en producción y de él han quedado algunos pocos artículos [17], [18]. Esta investigación llamó la atención del Profesor Luis Vázquez de la Facultad de Informática de la Universidad Complutense de Madrid quién me ofreció la posibilidad de participar en el diseño y construcción de un sensor de viento para la atmósfera de Marte. El Centro de Astrobiología, dirigido entonces por el Profesor Juan Pérez Mercader, había conseguido que la NASA seleccionara para su programa Mars Science Laboratory (MSL) el suministro, por parte del gobierno español, de una estación meteorológica, que se denominó REMS (Remote Environmental Monitoring Station) y puso al frente de su desarrollo al Profesor Luis Vázquez en una primera etapa, y posteriormente al Dr. Javier Gómez Elvira. El reto de convertir un sensor de caudal de líquido a presión atmosférica en un sensor de velocidad y dirección del viento en la superficie del planeta Marte comporta varias dificultades. ’Luis: you have a challenge’ me decía a mi mismo, si se me permite aproximarme con humildad a la situación vivida por Piher unos años antes. La primera dificultad es el TRL (Technology Readiness Level) [19] que es una medida del momento de la evolución tecnológica en que se encuentra un desarrollo y su proximidad a un producto comercial. Como es natural, los dispositivos que se embarcan en misiones espaciales científicas no son sólo productos comerciales, sino también componentes o productos que se desarrollan específica-

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mente para cada misión. En nuestro caso, sin ninguna vinculación con vuelos semejantes en el pasado, el TRL podía ser tan cruel y definitivo como la Ley de Moore y por lo tanto, había que acreditar en las 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 evaluadores sometieron nuestro concepto y tecnología a un detallado escrutinio. Estuvo claro para mí que una respuesta satisfactoria a todas las preguntas y cuestiones de los evaluadores era la única forma de 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 minutos más que el día terrestre. La temperatura de la superficie, contando todas las latitudes y estaciones del año, se sitúa entre 150 K y 300 K y la presión atmosférica entre 6 y 12 mBar. Se sabe que hay tormentas de polvo de dimensión planetaria que condicionan el clima y el comportamiento térmico de la atmósfera. El 95 % de la composición de la atmósfera es anhídrido carbónico con muy poca presencia de oxígeno y de vapor de agua [20]. De los diferentes métodos de medida de velocidad del viento para una atmósfera tan enrarecida como la de Marte, el que está en un nivel de desarrollo mas avanzado es el de anemometría térmica [21]. Los basados en la medida de la presión dinámica [22] no pueden trabajar en valores del orden de 0.01 a 1 Pa que son los esperables para velocidades de viento de 1 a 60 m/s. Los basados en ultrasonidos necesitan una potencia muy alta y dificílmente pueden trabajar a valores de presión inferiores a 15 mBar [23]. Los basados en iones necesitan un ánodo radioactivo y un complejo diseño mecánico [24] y los que se basan en efecto doppler y láser [25] no han sido aun suficientemente desarrollados ni miniaturizados para esta aplicación. La anemometría térmica tiene una larga trayectoria en la medida de viento en Marte, ya que prácticamente la totalidad de los datos de que se dispone en la actualidad han sido conseguidos mediante sensores basados en ese principio. Es un método sin partes móviles, tiene poco peso, –hay que tener en cuenta que poner un kilo de peso en Marte cuesta unos 2.75 millones de dolares– consume una potencia pequeña, y puede trabajar en condiciones extremas de temperatura y presión. Estas ventajas, añadidas a la tendencia muy conservadora que distingue a la tecnología espa-

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cial, facilitaron el camino. Los dos inconvenientes principales son las pérdidas de calor por conducción y que la medida depende de la temperatura del aire. El primer ingenio espacial que midió la velocidad y dirección del viento en la superficie de Marte fué Viking en 1976 [27], [28], [29] mediante un sensor desarrollado por el Profesor Tillman de la Universidad de Washington en Seattle (EEUU). El elemento esencial de este sensor estaba formado por un pequeño cilindro de 1 cm de longitud y medio milímetro de diámetro cubierto por una fina película de platino formando una resistencia. El sensor estaba formado por dos de estos elementos trabajando a una temperatura superior al medio, un tercer elemento de referencia y un sensor de cuadrante para discriminar la dirección. En 1997 la misión Pathfinder [30], [31], [32], [33] también llevaba un sensor de viento, basado en el mismo principio de anemometria térmica, compuesto por un cilindro de 2.7 cm de diámetro, con seis arrollamientos laterales de hilo de platinoiridio de 65 micras de diámetro. La baja presión atmosférica hace que la interacción del sensor con el medio sea débil. La relación entre el camino libre medio de las moléculas de la atmósfera y la dimensión característica del sensor, es mucho mayor que en condiciones de atmósfera terrestre [34]. Las simulaciones tienen que incluir correcciones en el número de Nusselt basadas en el número de Knudsen [35], y el número de Mach [36]. Con dichas correcciones, los modelos [26], fueron ajustados para reproducir los resultados de Viking y Pathfinder y posteriormente para situar nuestro diseño en un espacio de trabajo mas 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 200 K y 300 K de temperatura. Esto nos condujo a concebir el sensor como un volumen prismático de silicio del orden del milímetro de lado y de medio milímetro de grueso.El intercambio de calor de este prisma, una vez calentado respecto al medio, depende de la velocidad del fluido. El silicio es buen conductor térmico por lo que el prisma puede considerase isotermo actuando en su conjunto como ‘punto caliente’. Para que funcione el sensor hay que calentar el volumen de silicio y conocer su temperatura para poder cerrar el lazo de control, [37]. El platino es el material preferido para hacer resistencias sen-

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sibles a la temperatura por su linealidad en un rango muy amplio de temperaturas. Para poner en práctica este concepto se utilizó una tecnología convencional de silicio incluyendo una oxidación térmica para procurar aislamiento eléctrico, el depósito de una fina capa de titanio seguida de otra de platino, el uso de una técnica de lift-off para su delineación en forma de tres resistencias: una calefactora, la segunda sensora de temperatura y la tercera para fijar electrónicamente la diferencia de temperatura consigna respecto al ambiente. El proceso de cuatro máscaras, incluyó además una difusión y una vía para poder hacer contacto eléctrico con el sustrato para que no quedara flotante, y un doble depósito del platino en la zona de PAD’s de conexión eléctrica para facilitar la soldadura posterior [38], [39]. Un problema importante, que ya se había detectado en los prototipos, es el de las perdidas de calor por conducción a través de los hilos de conexión eléctrica, que son metálicos, y de los soportes. Para reducir las pérdidas por los soportes hacia el circuito impreso propusimos un aislamiento mediante pedestales de pyrex, que es un material de baja conductividad térmica, y que fueron fabricados en el Centro Nacional de Microelectrónica. Posteriormente, en la integración de los modelos de calificación y de vuelo, los pedestales de pyrex fueron sustituidos por fibras de vidrio en una empresa. Desde el punto de vista del diseño de la estrategia de medida hay básicamente dos opciones: una denominada de potencia constante,

Figura 3. Cara frontal del chip.

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que aplica siempre la misma potencia calefactora y mide cambios en la temperatura y la otra denominada de temperatura constante, que cambia la potencia de calefacción de forma que siempre la temperatura del punto caliente sea la prefijada de antemano. El diseño de Viking utilizó el método de temperatura constante y el de Pathfinder una versión del de potencia constante. Entre ambos había una diferencia notable en el incremento de temperatura entre el punto caliente y el ambiente: mientras que Viking trabajaba a 90 grados de diferencia, Pathfinder lo hacía a 10 grados. En el diseño de REMS se utilizó una estrategia de medida que utilizaba un lazo que mantenía constante la diferencia de temperatura entre el punto caliente y el ambiente. Para ello, se dispuso un chip de referencia, idéntico a los otros, que no estaba calefactado, y que servía, con ayuda de la tercera resistencia de consigna, para ajustar el incremento de la temperatura de trabajo respecto al ambiente. El hecho de utilizar platino tanto para la resistencia sensora como para la calefactora y la resistencia de ajuste permite independizar la medida de la velocidad el viento de la de la temperatura ambiente. Para conseguir una lectura digital de la potencia utilizamos un modulador sigma-delta [40], [41] que funciona en el dominio electro-térmico porque el filtro paso bajo se realiza en el dominio térmico. El valor instantáneo de dicha potencia dividida por el incremento de temperatura proporciona el valor de la conductancia térmica de convección que es lo que se relaciona con la velocidad del fluido.

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

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El problema de obtener la dirección del viento se resuelve mediante una disposición geométrica específica: mediante cuatro chips dispuestos de forma coplanar los chips directamente enfrentados al ángulo de ataque del viento resultan mas refrigerados que los otros. Dos simples restas en los dos ejes del sensor proporcionan las dos componentes del viento en ese plano con resolución de ángulo mejor que 10 grados. Utilizando varias de estas tarjetas en planos con distinta orientación pueden extraerse las tres componentes del viento. Teniendo en cuenta que la estación REMS alberga otros sensores, el equipo REMS llegó a la conclusión de que procedía disponer tres tarjetas, formando ángulos de 120 grados entre ellas, alrededor de un cilindro. La ubicación de la estación REMS adosada al mástil de la cámara principal, que tiene un diámetro considerable, aconsejó duplicar el sensor de viento y colocar otro cilindro en una cota superior y en otro ángulo de orientación acimutal respecto al primero. En el proyecto REMS participaron además del grupo de la Universidad Politécnica de Cataluña, el Centro de Astrobiología antes mencionado, como Director científico del proyecto, CRISA-EADS como responsable de la integración de todos los sensores, el desarrollo del ASIC y la validación, la Universidad de Alcalá de Henares, la Universidad Complutense de Madrid, el Finnish Meteorological Institute, la Universidad de Michigan, el Jet Propulsion Laboratory y NASA AMES Research Center Nuestro grupo en la UPC desarrolló, como he descrito hace un momento, el concepto del sensor, la estra-

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

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Figura 6. Imagen del prototipo del sensor tridimensional.

tegia de medida, el diseño y montaje de la electrónica del modelo de ingeniería, fabricó los chips tanto del modelo de ingenieria como de los modelos de calificación y vuelo, y transfirió a CRISA la información relevante para la transformación de la electrónica del modelo de ingeniería en un circuito integrado a medida. CRISA llevó a cabo la integración de los chips UPC en las tarjetas del circuito impreso. El 26 de noviembre de 2011 un cohete Titán fue lanzado llevando la misión MSL rumbo a Marte donde, como he dicho al principio, llegó el dia 8 de Agosto de 2012 siendo retransmitida por televisión la fase de descenso el rover Curiosity. Un momento así se vive con intensa emoción por todos los que han participado en un gran proyecto como éste, incluso por nosotros mismos que hemos tenido una participación infinitesimal. Quisimos dejar una firma de nuestro trabajo y hoy puedo decir con orgullo que los nombres de este pequeño equipo de la UPC viajan a bordo del Curiosity por la superficie marciana al estar grabados en la superficie de los chips usando el mismo metal con que se hicieron las resistencias. Tengo que agradecer a mis colaboradores que no hayan abrazado totalmente la nueva especialidad de la ingeniería, conocida como ingeniería del curriculum, y su participación en este proyecto les haya compensado suficientemente. También quiero estimular a los jóvenes para que acometan retos importantes y no se limiten al ámbito local, en algunos sitios cada vez mas asfixiante. No puedo dejar pasar esta oportunidad para referirme a las noticias que llegaron casi inmediatamente del aterrizaje en la superficie de Marte, según las cuales el sensor de viento había resultado da-

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

ñado. La interpretación que se ha dado a esta circunstancia es que debajo del polvo marciano, en el lugar de toma de contacto, había piedras ligeras que fueron levantadas por los propulsores de frenado con la mala fortuna de hacer impacto en los chips. A pesar de que se habían hecho pruebas de comportamiento en presencia de polvo, así como ensayos de vibración e impacto, no se había previsto esa circunstancia y los cabezales de REMS no iban protegidos durante la fase de aterrizaje. Se comprobó que tres de los chips no entregaban señal lo que invalida parcialmente las medidas de dos de las tarjetas de uno de los dos instrumentos, es decir tres chips dañados de 30. Dicho contratiempo no impide que se reciban datos de los demás chips. El proceso de elaboración de los datos de velocidad y dirección del viento a partir de los datos de las conductancias térmicas de cada chip se hace mas complejo para tener en cuenta esta circunstancia. El sensor ha detectado la presencia de remolinos de viento no detectables por movimiento de polvo marciano [42]. En un registro temporal de la medida de dirección del viento hay unos cambios bruscos que aparecen en sincronismo con unos cambios de la presión. La combinación de ambos cambios es indicativo de los citados remolinos según interpretación del equipo científico del proyecto. Asímismo se siguen recogiendo datos de dirección e intensidad del viento enviados desde el Curiosity dependiendo del programa diarío de actividad de todos los instrumentos). La intensidad más frecuente se sitúa entre 5 y 15 m/s.

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La misión Insight de la NASA en Marzo de 2016 [43] llevará un sensor de viento REMS idéntico al que ya está en Marte. Precisamente se hicieron duplicados de la estación REMS, por si en la fase de montaje había accidentes o mal funcionamiento, como no fué así, este sensor equipará la misión Insight para ayudar al sismógrafo a discriminar movimentos sísmicos del viento. La misión Mars 2020 rover [44] de la NASA ha seleccionado recientemente la estación MEDA (Mars Environmental Dynamics Analyzer) propuesta por el Centro de Astrobiología e incluirá un sensor de viento, en el que esperamos colaborar. Hay numerosos puntos de revisión del sensor REMS abiertos y ahora hay una nueva oportunidad para mejorar sus prestaciones y robustez. Desde que terminó nuestra participación en REMS hemos venido desarrollando ideas mediante un proyecto impulsado por el Profesor Luis Vázquez y coordinado por el Dr. Héctor Guerrero del INTA. Hemos trabajado alrededor de un concepto esférico en el que la isotropía de la geometría, así como la ubicación en su interior de los elementos calefactores debería permitir una mejor sensibilidad y un mas fácil algoritmo inverso de recuperación de la intensidad y componentes del viento. En la actualidad estamos haciendo medidas y desarrollando el circuito integrado específico para esta aplicación. EL TRL es en este momento bajo, pero en el contexto de la misión 2020 y de MEDA seguramente podrá incrementarse. Paralelamente en estos últimos años también hemos sido testigos de la aparición y crecimiento de la nanotecnología, con importantes repercusiones en muchos dominios, y también en los sensores y en los dispositivos. En la conferencia inaugural del curso académico 2008 el Académico Profesor Antonio Barrero, quién nos dejó tem- pranamente, describió el proceso electrohidrodinámico del aerosol de líquidos, [45] o ’electrospray’ y nos enseñó de qué manera podían crearse gotas de diferentes tamaños e incluso microgotas de dos líquidos inmiscibles, actuando uno de ellos de corteza del otro. Quedé impresionado y fascinado. Lo que tradicionalmente conocemos como dispositivos electrónicos, no han tenido relación con los líquidos hasta la aparición de la microfluídica para aplicaciones biomédicas. Sin embargo, recientemente, se han producido avances significativos en dos áreas que pueden considerarse mas cercanas a la tecnología electrónica: las lentes líquidas de distancia focal ajustable

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eléctricamente y los displays con velocidad video no transmisivos. El mecanismo que ha permitido estos avances es el conocido como electrohumectación o ’electrowetting’, que consiste en la modificación de la tensión superficial mediante la aplicación de un potencial eléctrico entre el líquido y el sustrato [46]. Una lente líquida se forma mediante el menisco entre dos líquidos inmiscibles y la forma del menisco es controlable eléctricamente. Estos dispositivos están explotándose ya comercialmente para lentes de cámaras fotográficas. Los displays que conocemos hoy, necesitan de una iluminación posterior para poder ver la imagen. Hay displays que no lo necesitan porque utilizan una denominada tinta electrónica y que equipa a los conocidos libros electrónicos, pero no alcanzan la velocidad necesaria para un video. Utilizando una mezcla de nuevo de liquidos inmiscibles, uno de ellos oscuro y el otro transparente, puede conseguirse abrir o cerrar un pixel mediante el desplazamiento del liquido oscuro, y su confinamiento en una esquina, dejando el pixel transparente y por lo tanto mostrando el fondo o, por el contrario, dejando que el liquido oscuro se extienda en todo el pixel dejándolo oscuro. Seguramente veremos pronto que los nuevos displays de los libros electrónicos o de los televisores y ordenadores estarán fabricados con esta tecnología. Las nanopartículas tienen uso en los dispositivos electrónicos para realizar sensores resistivos con nanoparticulas funcionalizadas [47] o para mejorar las propiedades de los supercondensadores y proporcionar mayor superficie de electrodos. También los transistores que se usan en las memorias flash y que se basan en una puerta flotante, pueden verse mejorados si la puerta se realiza mediante nanopartículas. La mezcla de gotas y nanopartículas y la lección inaugural del Profesor Barrero me hizo pensar en experimentar la técnica de electrospray usando nanofluidos para depositar capas de nanopartículas en un sustrato. Teniendo en cuenta que las nanopartículas también se usan hoy en día en los tejidos técnicos para hacerlos inodoros, la técnica de electrospray es potencialmente escalable industrialmente. Los experimentos que hemos hecho hasta la fecha depositando soluciones coloidales de nanoparticulas [48], [49], [50] demuestran que, 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 partículas cuando alcanzan el sustrato. Esta ordenación alcanza una dimensión mayor que las técnicas usuales, como dip-coating, Langmuir-Blodgett, spin-on etc [51] y es posible depositar decenas de monocapas sin perder la ordenación y puede hacerse en un tiempo muy corto. Los resultados han demostrado propiedades ópticas de cristales fotónicos con reflexión casi total en bandas de energía en el infrarrojo. Incluso hemos hecho un condensador cuyo dieléctrico son nanopartículas de dióxido de silicio y que tiene una capacidad específica cuatro veces superior a su equivalente con dieléctrico continuo sin que tengamos explicación definitiva a este fenómeno. Si bien la dinámica de la formación del cono de Taylor en el proceso de electrohumectación, ha sido muy estudiada, entre otros por el Profesor Juan Fernández de la Mora [52], el autoensamblado ordenado de partículas cuando se acercan al sustrato tras el proceso de pulverización, no está suficientemente explicado a pesar de los numerosos trabajos iniciados por Thomas Jones estudiando la formación de cadenas de partículas dieléctricas y conductoras, así como la levitación de las mismas [53], [54]. En la interpretación de Jones la fuerza que tiene un efecto notable es la fuerza de la dielectroforesis. Estudiando la geometría concreta de la pulverización electrohidrodinámica pienso que la dependencia espacial de dicha fuerza cuando las partículas van llegando a las proximidades del sustrato o de las otras partículas es consistente con el proceso de depósito ordenado que hemos observado. El impacto que estas observaciones pueden tener en nuestro trabajo en los sensores de viento marciano está por explorar todavía, pero recubrimientos selectivos son posibles mediante esta técnica, y también esquemas de gestión del calor conocidos como el camuflaje térmico [55], pueden ayudar a reducir las perdidas por conducción de calor indeseadas. Sin embargo otras muchas aplicaciones se abren en el horizonte, pensando en el futuro que puede tener la electrónica sobre sustrato de papel o tejido, para conseguir electrónica desechable o flexible, en la que el uso de nanopartículas converja con los procesos de fabricación industrial. Quiero agradecer a las muchas personas que han hecho posible que estos chips estén en Marte especialmente al Profesor Luis Vázquez quien fue el impulsor de este proyecto y buscó el concurso de

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otros grupos y personas para construir una base de tecnología y conocimiento en esta disciplina en España. A los investigadores del Centro Nacional de Astrobiología, especialmente al Dr. Javier Gómez Elvira, Josefina Torres y Sara Navarro. A los profesores de la Universidad Complutense de Madrid especialmente al Profesor Francisco Valero. A los miembros de CRISA, especialmente a Jaime Serrano y a José Moreno. A Manuel de la Torre de JPL. A los miembros del grupo de investigación MNT de la UPC, tanto a los que tienen su nombre en los chips, Manuel Domínguez-Pumar, Vicente Jiménez, Lukasz Kowalski y Jordi Ricart, como a los que no lo tienen, especialmente a Ramón Alcubilla, director del Laboratorio, y a Miguel García Molina y la financiación del CDTI y del Ministerio que ha tenido las competencias en I+D y que ha cambiado de nombre varias veces. Para terminar este recorrido de cómo me ha ocurrido a mí pasar de unas cosas a otras, disfrutando en el camino, diré que nunca pude prever que el cierzo de mi tierra fuera una premonición de mi vinculación a un viento tan lejano como el de Marte. Espero que mi crónica marciana de esta tarde haya sido de su interés. Muchas gracias

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REFERENCIAS

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