MELISA, el prototipo de sensor magnético compacto para reducir ruido en grandes misiones espaciales

MELISA busca desarrollar y fabricar un prototipo de sensor magnético compacto y de baja potencia que implemente la modulación del campo magnético mediante resonadores microelectromecánicos (MEMS)

Este prototipo debe servir de muestra para validar la viabilidad de esta técnica de reducción de ruido para cumplir con los estrictos requisitos de la misión de la Agencia Espacial Europea para detectar ondas gravitacionales en el espacio, LISA

En diciembre de 2020, el Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) publicó una convocatoria competitiva interna para proporcionar financiación semilla a un proyecto de alto potencial y de alto impacto. El objetivo era estimular la colaboración entre miembros y grupos del IEEC, así como fomentar propuestas innovadoras, permitiendo la realización de estudios de viabilidad y pruebas de concepto que facilitaran aumentar su grado de madurez.

La financiación provenía de una dotación excepcional obtenida en una de las evaluaciones CERCA (Centres de Recerca de Catalunya). La propuesta de la convocatoria surgió de la Dirección del IEEC y fue aprobada por parte de la Institución CERCA.

El proyecto ganador de la convocatoria fue MELISA (MEMS miniaturized low-noise magnetic field sensor for LISA), propuesto por miembros del IEEC en tres de sus Unidades de Investigación: el Grupo de Investigación en Ciencias y Tecnologías del Espacio (CTE) de la Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC), el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC) y el Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB). Ahora, poco más de un año después de su adjudicación (en marzo de 2021), el proyecto ha finalizado y se presentan los resultados obtenidos.

El objetivo de MELISA era el diseño de un magnetómetro miniaturizado, de muy bajo ruido, en el rango ultrabajo de frecuencias utilizado en algunas misiones espaciales, como en la misión de la Agencia Espacial Europea (ESA) LISA (Laser Interferometer Space Antenna), que constituirá el primer observatorio de ondas gravitacionales en el espacio.

Manel Domínguez-Pumar, investigador principal del proyecto, investigador del CTE (UPC) y miembro del IEEC, explica: «El objetivo del proyecto MELISA era reducir el ruido del campo magnético al nivel de los requisitos de la misión LISA a la vez que conseguir una miniaturización que pudiera ser útil para otras misiones e incluso en otros ámbitos de la ciencia y la tecnología. Gracias a la convocatoria interna del IEEC conseguimos reunir en un mismo proyecto el personal y el material de tres de sus Unidades de Investigación». Y añade: «Estamos muy contentos de haber ganado la convocatoria y de haber podido llevar adelante este proyecto que hace tiempo teníamos en mente».

En el rango ultra-bajo de frecuencias, cuando todas las demás fuentes de ruido se han reducido o eliminado, el denominado ‘ruido rosa’, o 1/f, es el que generalmente domina y el principal reto a abordar. Una forma de mitigar el efecto de este ruido rosa en sensores de campo magnético es mediante la llamada 'técnica de modulación del campo magnético'. Se trata de una técnica prometedora en aplicaciones de espacio, que consiste en modular el campo magnético local a un sensor resistente magnético. En este proyecto se utilizan magnetorresistencias de efecto túnel (TMR, Tunneling Magnetic Resistor) —sensores magnéticos que no requieren corrientes elevadas y que tienen un gran potencial de miniaturización—. Al modular el campo magnético local a la TMR, se traslada el contenido espectral de la señal a frecuencias más altas, donde este ruido es mucho menor. Para ello se coloca, cerca de la TMR, un resonador microelectromecánico (MEMS, Microelectromechanical System), en el que se deposita un material ferromagnético de alta permeabilidad. Al excitar el resonador MEMS a su frecuencia de resonancia, el campo observado por la TMR es modulado a esa frecuencia. Esto permite evitar la región de baja frecuencia, en la que domina el ruido limitante 1/f intrínseco a la TMR, y que degrada su rendimiento. Finalmente se procede a demodular la señal adquirida para recuperar la señal de campo magnético original.

«En la última fase del proyecto hemos estado caracterizando, en los laboratorios del ICE-CSIC, este dispositivo en condiciones de vacío y mediante sistemas de aislamiento del campo magnético terrestre para llegar a medir las variaciones de nanoTesla que requería el proyecto», comenta Miquel Nofrarias, investigador del ICE-CSIC y miembro del IEEC. Y agrega: «Nos ha sorprendido gratamente que esta prueba de concepto llegara a valores de precisión que son competitivos en comparación con otros sistemas comerciales de medida del campo magnético».

Durante el proyecto se ha desarrollado tanto el sensor como la electrónica de adquisición. Además, MELISA también describe una hoja de ruta para una futura integración de la electrónica de control en un circuito integrado (ASIC, Application Specific Integrated Circuit), a fin de conseguir una miniaturización del sensor.

El proyecto propuesto también contemplaba explorar la aplicación del sensor de alto rendimiento resultante en un amplio abanico de misiones espaciales. Un ejemplo de aplicación son las misiones de exploración de las superficies planetarias y cubesats ​​en órbitas bajas (LEO, Low Earth Orbit) u otros cuerpos planetarios, dado que el rango de frecuencias en las que se llevan a término las medidas de las corrientes en los interiores de los planetas inducidos por los campos magnéticos interplanetarios y el viento solar son comparables al de interés para LISA. Por tanto, la modulación del campo magnético conseguida en MELISA y la miniaturización de los sensores podrían utilizarse en la exploración planetaria. Además, se espera que la tecnología desarrollada sea transversal y pueda utilizarse también para realizar medidas de precisión en otros campos de la ciencia y la tecnología.

Acerca de LISA

LISA es el futuro observatorio espacial europeo de ondas gravitacionales, que estará formado por una constelación de tres satélites que volarán en formación triangular. Cada satélite tendrá en su núcleo una masa en caída libre que actuará como espejo extremo de un interferómetro de 2,5 millones de kilómetros de largo. Cada satélite contará con unos 50 sensores de alta precisión de temperatura, campo magnético y radiación, que deben ser capaces de monitorizar mínimas variaciones del ambiente que puedan perturbar la caída libre de la masa de testeo. Las fluctuaciones del campo magnético local, por ejemplo, generan fuerzas y pares en estas masas de prueba que potencialmente pueden alterar el rendimiento del instrumento.

El IEEC lidera la contribución española a la misión LISA, que consiste en el suministro del Subsistema de Diagnóstico Científico (SDS, Science Diagnostics Subsystem). Su objetivo principal es el seguimiento preciso de las fluctuaciones ambientales a bordo de los 3 satélites (hasta variaciones de nanoTesla, 1000 veces menor que el campo magnético terrestre), a fin de poder distinguir entre potenciales perturbaciones ambientales y el efecto del paso de una onda gravitacional. A nivel europeo, es conjuntamente con las contribuciones de Alemania, Francia e Italia, una de las cuatro mayores aportaciones en cuanto al hardware.

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MELISA
Leyenda: investigadores del IEEC trabajando en el desarrollo del prototipo de sensor magnético miniaturizado para reducir el ruido en misiones espaciales.
Crédito: equipo de MELISA (IEEC). 

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