UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACIONES DISEÑO DE UN RADIÓMETRO MINIATURIZADO PARA LA EXPLORACIÓN DE MARTE TESIS DOCTORAL Víctor Apéstigue Palacio Ingeniero Industrial 2019 UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID Departamento de Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACIÓN TESIS DOCTORAL DISEÑO DE UN RADIÓMETRO MINIATURIZADO PARA LA EXPLORACIÓN DE MARTE Autor: Víctor Apéstigue Ingeniero Industrial Director: Ignacio Arruego Doctor Ingeniero de Telecomunicaciones Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial Tutor: F. José López Doctor Ingeniero de Telecomunicaciones Universidad Politécnica de Madrid 2019 TRIBUNAL Nombrado por el Magnífico y Excelentísimo Sr. Rector de la Universidad Politécnica de Madrid Presidente: Vocal: Vocal: Vocal: Secretario: Realizado el acto de Defensa y Lectura de la Tesis el día de de 2019 en Madrid. CALIFICACIÓN: I A mi Tribu: Lola, Aitana, Lucas y Carmen, y a mi familia. III AGRADECIMIENTOS Todo aquel que lea la presente tesis se dará cuenta enseguida que es imposible que una sola persona haya desarrollado todo este trabajo. Detrás de cada uno de los test descritos, de cada calibración, de cada simulación ha habido un grupo de personas sin las que ningún resultado sería posible. Por tanto, mi primer agradecimiento es para el grupo de investigación del INTA del cual formo parte. La verdad es que me cuesta creer estar redactando por fin estas líneas. Mi primera matrícula de doctorado fue por el año 2006 en la Universidad Autónoma, así que mucho ha llovido desde entonces. Reconozco que en aquel momento y después de presentar el DEA tenía que haber apretado y terminar, pero las circunstancias personales y laborales se fueron complicando. Como ha pasado tanto tiempo y tanta gente ha sido testigo y partícipe de este tortuoso camino, intentaré realizar este agradecimiento por orden cronológico. Primero quiero dar las gracias a alguien muy especial en mi vida académica y personal, sin él seguramente hubiera tomado otros caminos, y es muy posible que fuera de la investigación, y por ello Basil M. Al-Hadithi te doy las gracias. Has sido todo un hermano mayor estos años y sé que siempre has estado y estarás ahí. De la época de la Autónoma tengo que dar las gracias a otra persona que tiene gran parte de culpa de que yo esté donde estoy actualmente. Se trata de Juan González (Obi-Juan), quien me metió el gusanillo del cacharreo, del háztelo tú mismo y del compártelo para que los demás aprendan. Aparte, nunca olvidaré cuando salvaste a mis Ángeles Robotizados, y aquella noche intensa en ARCO programando a las cinco de la madrugada. Siempre te estaré agradecido. También de esta época quería destacar a Sergio Buedo, que fue mi director de tesis y me cuidó bien cuando estuve por allí colaborando como profesor asociado. Antes de llegar al INTA, pasé por varias empresas y siempre guardaré gran recuerdo de todas ellas, sobre todo de los compañeros de los que seguro he V aprendido mucho, como Jorge y Raúl de Lumelco y las “ratas” de SEPSA (David, Felipe y Alonso). Una vez ya en el INTA, me encontré con una nueva familia con la que he compartido gran parte de mi vida en la última década. Héctor Guerrero, gracias por darme la oportunidad de trabajar contigo. He intentado aprender todo lo posible ya que te admiro mucho, tu capacidad, tu liderazgo, tus locuras y tu saber mirar hacia el futuro. Difícil es encontrar gente así en tu carrera, por lo que me considero afortunado. Ignacio Arruego, director de esta tesis, mi jefe durante estos años y, sobre todo, amigo. Necesitaría una hoja más para agradecerte lo que has hecho por mí durante mi etapa en el INTA, así que creo que lo vamos a dejar en un GRACIAS con mayúsculas. También quería agradecer su paciencia y sus grandes gestos a Francisco José López de la Universidad Politécnica, que me permitió realizar la tesis en su departamento actuando como tutor. Javier M. Oter, es de esas personas que hacen tu vida mejor: he aprendido mucho y me lo he pasado genial contigo todos estos años. Agradecer también a la gente con la que he trabajado en los laboratorios y me lo he pasado en grande fuera de ellos, como Rafael Pérez o Charlie (José Ángel): aunque me alegro vuestro éxito profesional se os echa de menos aquí. Al igual que a todos los “mochilos” que han pasado por el laboratorio, el gran Traseira, Boris, Joaquín Rivas, Cesar, Wilson, Jaime, Raquel, Claudia, Víctor, Irene, Ana, Sergio, Maiki, Remo, etc. También dar las gracias a los opto-electrónicos que tanto me han sufrido, Juanjo que siempre te exige el máximo, Ríos que sigues estando muy loco y Miguel, que ya has pasado a ser uno de los “nuestros” y con quien tanto me río. Tampoco olvidarme de la gente de radiación, en especial de Maite que siempre está para ayudar. Mencionar también a todas las personas que se ha sumado en los últimos años y que hacen el trabajo mejor y más fácil. Los nuevos: Satur, Manzano y Felipe. Y los no tanto, Joserra, Nuria y mi amigo Alberto con el que tantos buenos ratos hemos compartido (gracias por animarme con esta empresa). No me olvido de Daniel Toledo, VI que llegó como la caballería para echar un cable y del que hay mucha de su sabiduría en esta tesis. De la última etapa quería agradecer a toda la gente que ha trabajado conmigo en el RDS (que no he mencionado anteriormente) que me ha soportado los últimos cinco años como Mª Ángeles, Vigu, Irene, Joaquín (“Joaco”), Laurent, Manolo, Raquel López y sobre todo Alejandro, que te ha tocado la peor parte. De la otra orilla, del CAB, no quisiera olvidarme de Urqui y Manfredi, que tanto me han ayudado y facilitado el trabajo estos duros años. Ha sido un placer trabajar con vosotros. En lo personal, me gustaría acordarme de mis amigos de toda la vida, los que siempre están o estuvieron, Juli, Fernando, Eduardo, Camilo, David y Laura. También de los de Cande, que sois muchos, Raquel, Cesar, Marta, Andrés, Almudena, Jose, David, Juan, Elena, Arturo, Eva, Panchu, Marcos… A la familia política, mis cuñis Loreto, Pilar y Almudena, y sus respectivos, gracias por preguntar y estar siempre pendientes. A mi suegro JEPA, que ha sabido maniobrar siempre todas las situaciones. A mi tía Su, que lo sigo diciendo: toda persona debería tener una en su vida, gracias por quererme y apoyarme siempre. A Mila agradecerla su cariño incondicional. A mi hermana Ro que me ha enseñado lo que vale el esfuerzo, a mí cuñado y mis “sobris”, por quererla tanto, y a mis padres: papá donde quiera que estés seguro que estás orgulloso y a ti, Margot, agradecértelo TODO (siempre me quedaré corto). Ya por fin termino, y es con mi Tribu, mis hijos (Lola, Aitana y Lucas) a los que he robado parte de nuestro tiempo común y por eso os pido disculpas, y os doy las gracias por hacerme tan FELIZ, y a mi mujer, a Carmen, por ser lo MÁS GRANDE que me ha pasado en mi vida, sin duda. VII RESUMEN Marte será, con total seguridad, el primer planeta que el hombre visite y colonice en su historia. Tiene todos los elementos que lo hacen interesante: es cercano, posee características “similares” a la Tierra, puede haber albergado vida. Estos aspectos explican por qué este planeta es el que más misiones no tripuladas ha recibido. En estos casi sesenta años de exploración hemos aprendido mucho de Marte. Desde las primeras fotos que nos envió la sonda Mariner IV, mostrando un planeta desolado, nuestra imagen de él ha ido evolucionando hacia un planeta complejo, que tuvo un pasado muy similar a la Tierra, con actividad volcánica, densa atmósfera y agua fluyendo por su superficie. En la evolución de Marte ha sido y es clave el conocimiento de su atmosfera y, particularmente del polvo suspendido en ella, ya que es el agente más importante en la climatología actual del planeta. Para que los modelos atmosféricos sean cada vez más precisos tanto a nivel local como global, se necesitan datos in-situ como la estimación del espesor óptico debido al polvo en suspensión y a las nubes de hielo congelado, las medidas de las características del polvo, su distribución vertical, etc. En este trabajo se ha desarrollado un novedoso sensor para medir el espesor óptico en Marte debido al polvo en suspensión, así como sus propiedades ópticas. Se describe su diseño conceptual con especial énfasis en aquellas características que lo hacen innovador, presentando el método de tratamiento de datos propuesto demostrando su funcionalidad en una campaña de medida representativa en un análogo marciano en Tierra. Todo ello además está enmarcado dentro de los especiales requisitos que impone una misión espacial, y más concretamente a Marte. Se ha requerido un diseño altamente miniaturizado, de bajo consumo y con un rango de temperaturas de funcionamiento fuera de los límites habituales en los componentes electrónicos. Estos condicionantes han sido resueltos durante la ejecución de este trabajo y se han IX obtenido metodologías novedosas que han sido aplicadas ya a desarrollos posteriores. Se hubieran querido presentar datos de la operación del sensor en Marte, pero no ha sido posible debido al accidente que sufrió la sonda Schiaparelli en su descenso sobre el planeta. De una misión que duró 7 meses se produjo un fallo en los últimos 40 segundos que dio al traste con estas aspiraciones. Sin embargo, de las telemedidas recibidas durante las comprobaciones de salud de los instrumentos de la sonda durante el viaje, sabemos que ésta llegó en perfecto estado hasta ese fatídico momento.