Electrónica espacial

El desarrollo de cargas útiles y sistemas de control de astronave avanzados depende de la disponibilidad de componentes de alto rendimiento y alta confiabilidad. Son en su mayoría de pequeño tamaño, pero indispensables: los componentes eléctricos, electrónicos y electromecánicos (EEE) son los componentes básicos de cualquier satélite.

El reto de la electrónica en las aplicaciones espaciales es sobrevivir al medio. El Space environment es vacío, no hay medio de transmisión, por lo que puedes dar portazos con la puerta de tu nave espacial todo lo que quieras, que nadie podrá oírte ya que la energía de vibración no irá a ninguna parte. Esta energía de vibración tiene que ser soportada por cada componente del nanoSat, y ser éste quien la disipe. Además de las posibles vibraciones, tenemos que contar con los umbrales de temperatura (desde el lanzamiento hasta la puesta en órbita la temperatura del satélite puede variar de un máximo a un mínimo unos 200ºC) y las altas tasas de radiación.

El entorno espacial está lleno de radiación. La radiación puede ser partículas atrapadas en los cinturones de Van Allen (protones, electrones e iones fuertes), viento solar (electrones y protones), partículas energéticas solares (protones, electrones e iones fuertes) provenientes de erupciones solares o eyecciones de masa coronal del Sol, y también de los rayos cósmicos (protones e iones fuertes). La radiación también varía según la órbita en la que se encuentre nuestro satélite, por lo que su electrónica debe estar adaptada también según esta: en el cinturón interior encontraremos principalmente protones, y en el exterior electrones. En las imágenes podemos ver cómo se mueve el campo magnético y la radiación según las órbitas LEO, MEO, HEO, GEO y Órbitas Polares.

Los efectos de la radiación del entorno espacial natural se pueden dividir en dos categorías: a largo plazo y a corto plazo. Los efectos a largo plazo tienen dos preocupaciones separadas: daño ionizante y no ionizante. Los efectos a corto plazo están relacionados principalmente con la ionización de partículas individuales y/o la formación de partículas secundarias. Debemos tener en cuenta que incluso los efectos a corto plazo pueden ser permanentes (es decir, eventos de partículas individuales destructivos).

¿Qué efectos produce la radiación?

Estos efectos se llaman TID (Total ionizing dose) o la acumulación de una dosis ionizante durante un largo tiempo, DD (displacement damage) o la acumulación de defectos en la red cristalina causados por alta energía de radiación y SEE (single event effects) o una alta carga de dosis ionizante a partir de una sola partícula de alta energía.

Los TID están causados principalmente por partículas atrapadas en los cinturones de Van Allen. La ionización crea cargas de pares electrón-hole. La carga positiva acumulada crea cúmulos de óxido lo que produce cambios en los parámetros del circuito y en última instancia este deja de funcionar.

Los DD están causados principalmente por partículas energéticas que provocan el desplazamiento de los átomos de silicio de su posición en la estructura cristalina, creando defectos. Lo que provoca que las propiedades eléctricas del dispositivo cambien.

Los SEE se clasifican en cuatro: single event upset (SEU), single event transient (SET), single event latchup (SEL) y single event burnout (SEB). El SEU es provocado por un choque interno de carga que causa un bit flip (cambia un bit de 0 a 1 o de 1 a 0) en un elemento de memoria o cambia el estado de un circuito lógico. El posible efecto no destructivo del SEU son la corrupción de la información en un elemento de memoria que se puede arreglar refrescando o retornando al valor principal. El posible efecto destructivo es que corrompa el microprocesador o un programa. A priori puede no parecer grave ya que quién se iba a preocupar de un solo bit cuando hay cientos de millones de ellos. Eso se pensaba hasta el caso Clementine (el satélite, no la fruta). Clementine fue lanzado en enero de 1994 para testear componentes tecnológicos y hacer observaciones científicas de la luna y asteroides cercanos a la tierra. En mayo de ese año el ordenador de a bordo principal envió un comando con SEU que causó la propulsión del sistema de control de actitud antes de romperse el ordenador. Desde Tierra se intentó rebootear el sistema, pero los tanques de combustible estaban vacíos ya y el satélite estaba girando muy rápido, lo que hizo imposible continuar con la misión. Como vemos un bit puede ser pequeño pero matón.

Por otra parte, el SET es un pico alto de voltaje que puede propagarse por las puertas lógicas y provocar fallos de sistema. Si este pico es capturado por un elemento de almacenamiento puede volverse un SEU también. El SEL se provoca con un flujo de corriente no intencional (y corto) entre componentes de un circuito integrado causando mal funcionamiento del circuito, lo que puede hacer el bit-flip permanente ya que corrompería el estado lógico. Aquí valdría con el viejo truco de apagar y volver a encender asegurándonos de que el circuito quede descargado en el proceso. Ya por último el SEB es un SEL descontrolado que provoca que se destruya el dispositivo. Este último es el peor de todos, porque el fallo que provoca es permanente.

¿Qué medidas hay contra la radiación?

La primera y la más obvia es escoger una órbita con un reducido nivel de radiación si es posible (sorprendente e innovador, ¿verdad?). También es importante asegurarnos de que el shielding del satélite pueda quitar gran parte de la radiación a los componentes electrónicos internos. Además, estos componentes deberían ser rad-hard (que soporten la radiación); esto se consigue con un proceso especial de fabricación de la electrónica como Silicon-On-Insulator. La forma más bonita desde el punto de vista técnico es desarrollar sistemas de correcciones de nivel o protección de la radiación por diseño. Esto se consigue, entre otras cosas utilizando detección de errores y corrección en la memoria (con bits de paridad o matrices de Hamming), con sistemas de triple redundancia (TMR) que son tres copias del mismo circuito con tres microprocesadores realizando los mismos cálculos y un pivote, y un watchdog de vigilancia para evitar fallos del procesador, restableciendo el sistema automáticamente si un error es detectado. Por último, la otra idea innovadora de apagar la fuente de alimentación cuando el satélite entra en una zona donde se espera una alta tasa de radiación.

 

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Nuestros primeros pasos en el espacio (I)

La primera nave espacial que voló alrededor de otro objeto del Sistema Solar fue la Luna 1 (Mechta en ruso, que significa sueño). El 2 de enero de 1959, la nave alcanzó la velocidad de escape de la Tierra y se puso rumbo a la Luna. La última fase entró en ignición a destiempo por un mal funcionamiento en el sistema de control en tierra, provocando que la sonda pasara a 5995 km de la superficie lunar. Así fue como la Mechta se convirtió en el primer satélite artificial que orbita entre la Tierra y Marte con una peculiar órbita de 450 días de periodo. A pesar de todo, el lanzamiento se consideró un éxito ya que fue la primera misión después de siete intentos previos que escapó de nuestro planeta. Y además, proporcionó nuevos datos hasta entonces desconocidos sobre el cinturón de radiación que rodea la Tierra, permitió descubrir que la Luna no tiene campo magnético y detectó el viento solar que emana del sol y recorre el sistema solar.

Después de esto, tocaba explorar los planetas cercanos a la Tierra: Venus y Marte. Rusia fue la primera en mandar sondas a ambos planetas; EEUU por el contrario estudiaba la Luna y el medio entre la Tierra y Venus con las misiones Pioneer y Ranger. El programa de exploración de Venus se puso en marcha después de dos intentos fallidos de enviar un par de sondas a Marte en octubre de 1960, intentando diseñar la primera nave y poner a punto el lanzador en un tiempo récord de tres meses.

Los rusos liderados por Serguéis Pávlovich Koroliov se propusieron aterrizar en Venus. Este objetivo no se pudo cumplir ya que no se conocían las propiedades de la atmósfera del planeta y las estimaciones fueron demasiado alentadoras. Diseñaron un lander preparado para ‘avenusizar’ en una hipotética superficie oceánica de Venus, incluyendo sensores para detectar el oleaje.  En esa nave, la Venus 1VA, metieron un mensaje: un disco con el emblema soviético en un lado y un diagrama del sistema solar en el otro, colocado en el interior de una Tierra metálica de 7 cm de diámetro que había sido diseñada para flotar. Así se lanzaron las primeras sondas a nuestro vecino. La primera, 1M, perdió su rumbo a 120 km de altura antes de caer en la Siberia oriental. La segunda, preparada con demasiada urgencia para su lanzamiento en solo 4 días, tuvo un fallo en la ignición tras 290 segundos de lanzamiento.

Los comienzos de la exploración planetaria fueron duros. Tras muchos fallos, las misiones rusas Venera (1961-1984) fueron las primeras sondas construidas por el hombre en entrar en la atmósfera de otro planeta: Venera 4 el 18 de octubre de 1967; y en aterrizar en otro planeta: Venera 7 el 15 de diciembre de 1970. Estas naves sólo funcionaron 23 minutos y 2h, Venus no era el paraíso mediterráneo que esperábamos. Parecía fácil, ¿verdad?

doraaventuraespacial

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