MELISA, el prototip de sensor magnètic compacte per reduir soroll en grans missions espacials

MELISA busca desenvolupar i fabricar un prototip de sensor magnètic compacte i de baixa potència que implementi la modulació del camp magnètic mitjançant ressonadors microelectromecànics (MEMS)

Aquest prototip ha de servir de mostra per validar la viabilitat d’aquesta tècnica de reducció de soroll per complir amb els estrictes requisits de la missió de l’Agència Espacial Europea per detectar ones gravitacionals a l’espai, LISA
 

El passat desembre del 2020, l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) va publicar una convocatòria competitiva interna per proporcionar finançament llavor a un projecte d’alt potencial i d’alt impacte. L’objectiu era estimular la col·laboració entre membres i grups de l’IEEC, així com fomentar propostes innovadores, permetent la realització d’estudis de viabilitat i proves de concepte que facilitessin augmentar-ne el grau de maduresa.
 
El finançament provenia d’una dotació excepcional obtinguda en una de les avaluacions CERCA (Centres de Recerca de Catalunya). La proposta de la convocatòria va sorgir de la Direcció de l’IEEC i es va aprovar per part de la Institució CERCA.

El projecte guanyador de la convocatòria va ser MELISA (MEMS miniaturized low-noise magnetic field sensor for LISA), proposat per membres de l’IEEC a tres de les seves Unitats de Recerca: el Grup de Recerca en Ciències i Tecnologies de l’Espai (CTE) de la Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC), l'Institut de Ciències de l'Espai (ICE-CSIC) i l'Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB). Ara, poc més d’un any després de la seva adjudicació (al març de 2021), el projecte ha finalitzat i se’n presenten els resultats obtinguts.
 
L’objectiu de MELISA era el disseny d'un magnetòmetre miniaturitzat, de molt baix soroll, en el rang ultra-baix de freqüències utilitzat en algunes missions espacials, com ara en la missió de l’Agència Espacial Europea (ESA) LISA (Laser Interferometer Space Antenna), la qual constituirà el primer observatori d'ones gravitacionals a l’espai.

Manel Domínguez-Pumar, investigador principal del projecte, investigador del CTE (UPC) i membre de l’IEEC, explica: «L'objectiu del projecte MELISA era reduir el soroll del camp magnètic al nivell dels requeriments de la missió LISA alhora que aconseguir una miniaturització que pogués ser útil per a altres missions i, fins i tot, en altres àmbits de la ciència i la tecnologia. Gràcies a la crida interna de l'IEEC vam aconseguir reunir en un mateix projecte el personal i el material de tres de les seves Unitats de Recerca». I afegeix: «Estem molt contents d'haver guanyat la convocatòria i d'haver pogut portar endavant aquest projecte que fa temps teníem en ment».

En el rang ultra-baix de freqüències, quan totes les altres fonts de soroll s'han reduït o eliminat, el denominat ‘soroll rosa’, o 1/f, és el què generalment domina i el principal repte a abordar. Una manera de mitigar l'efecte d’aquest soroll rosa en sensors de camp magnètic és mitjançant l’anomenada ‘tècnica de modulació del camp magnètic’. Es tracta d’una tècnica prometedora a aplicacions d’espai, que consisteix en modular el camp magnètic local a un sensor resistent magnètic. En aquest projecte s’utilitzen magnetoresistències d’efecte túnel (TMR, Tunneling Magnetic Resistor) —sensors magnètics que no requereixen corrents elevats i tenen un gran potencial de miniaturització—. En modular el camp magnètic local a la TMR, es trasllada el contingut espectral del senyal a freqüències més altes, on aquest soroll és molt menor. Per a aconseguir-ho es col·loca, a prop de la TMR, un ressonador microelectromecànic (MEMS, Microelectromechanical System), en el qual es diposita un material ferromagnètic d'alta permeabilitat. En excitar el ressonador MEMS a la seva freqüència de ressonància, el camp observat per la TMR és modulat a aquesta freqüència. Això permet evitar la regió de baixa freqüència, en la què domina el soroll limitant 1/f intrínsec a la TMR, i que en degrada el seu rendiment. Finalment es procedeix a demodular el senyal adquirit per tal de recuperar el senyal de camp magnètic original.

«En la darrera fase del projecte hem estat caracteritzant, als laboratoris de l’ICE-CSIC, aquest dispositiu en condicions de buit i mitjançant sistemes d'aïllament del camp magnètic terrestre per arribar a mesurar les variacions de nanoTesla que requeria el projecte», comenta Miquel Nofrarias, investigador de l’ICE-CSIC i membre de l’IEEC. I afegeix: «Ens ha sorprès gratament que aquesta prova de concepte arribés a valors de precisió que són competitus en comparació amb altres sistemes comercials de mesura del camp magnètic».

Durant el projecte s’ha desenvolupat tant el sensor com l'electrònica d'adquisició. A més, MELISA també descriu un full de ruta per a una futura integració de l'electrònica de control en un circuit integrat (ASIC, Application Specific Integrated Circuit), a fi d’aconseguir una miniaturització del sensor.

El projecte proposat també preveia explorar l’aplicació del sensor d'alt rendiment resultant en un ampli ventall de missions espacials. Un exemple d’aplicació són les missions d'exploració de les superfícies planetàries i cubesats en òrbites baixes (LEO, Low Earth Orbit) o altres cossos planetaris, donat que el rang de freqüències en què es duen a terme les mesures dels corrents en els interiors dels planetes induïts pels camps magnètics interplanetaris i el vent solar són comparables al d’interès per a LISA. Per tant, la modulació del camp magnètic aconseguida a MELISA i la miniaturització dels sensors es podrien utilitzar en l’exploració planetaria. A més a més, s’espera que la tecnologia desenvolupada sigui transversal i es pugui també utilitzar per realitzar mesures de precisió en altres camps de la ciència i la tecnologia.

Sobre LISA

LISA és el futur observatori espacial europeu d'ones gravitacionals, que estarà format per una constel·lació de tres satèl·lits que volaran en una formació triangular. Cada satèl·lit tindrà al seu nucli una massa en caiguda lliure que actuarà com a mirall extrem d'un interferòmetre de 2,5 milions de quilòmetres de llarg. Cada satèl·lit comptarà amb uns 50 sensors d’alta precisió de temperatura, camp magnètic i radiació, que han de ser capaços de monitoritzar mínimes variacions de l’ambient que poden perturbar la caiguda lliure de la massa de testeig. Les fluctuacions del camp magnètic local, per exemple, generen forces i parells en aquestes masses de prova que, potencialment, poden alterar el rendiment de l'instrument.

L’IEEC lidera la contribució espanyola a la missió LISA, que consisteix en el subministrament del Subsistema de Diagnòstic Científic (SDS, Science Diagnostics Subsystem). El seu objectiu principal és el seguiment precís de les fluctuacions ambientals a bord dels 3 satèl·lits (fins a variacions de nanoTesla, 1000 vegades menor que el camp magnètic terrestre), a fi de poder distingir entre potencials pertorbacions ambientals i l’efecte del pas d’una ona gravitacional. A nivell europeu és, conjuntament amb les contribucions d'Alemanya, França i Itàlia, una de les quatre aportacions majors pel que fa al hardware. 

Imatge Principal

MELISA
Peu d’imatge: investigadors de l’IEEC treballant en el desenvolupament del prototip de sensor magnètic miniaturitzat per reduir el soroll en missions espacials.
Crèdit: equip de MELISA (IEEC).

Enllaços

– IEEC
– CTE
– ICE
– ICCUB
– LISA
 
Més informació

L’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) promou i coordina la recerca i el desenvolupament tecnològic espacial a Catalunya en benefici de la societat. L’IEEC fomenta les col·laboracions tant a nivell local com mundial, i és un eficient agent de transferència de coneixement, innovació i tecnologia.  Com a resultat de 25 anys de recerca d’alta qualitat, duta a terme en col·laboració amb les principals organitzacions internacionals, l’IEEC es troba entre els millors centres d’investigació internacionals centrats en àrees com: l’astrofísica, la cosmologia, les ciències planetàries i l’observació de la Terra. La divisió d’enginyeria de l’IEEC desenvolupa instrumentació per a projectes terrestres i espacials, i té una àmplia experiència treballant amb organitzacions privades i públiques del sector aeroespacial així com altres sectors d’innovació.   

L’IEEC és una fundació privada sense ànim de lucre regida per un Patronat compost per la Generalitat de Catalunya i unes altres quatre institucions amb una unitat científica cadascuna, que en conjunt constitueixen el nucli de l’activitat d’I+D de l’IEEC: la Universitat de Barcelona (UB) amb la unitat científica ICCUB – Institut de Ciències del Cosmos; la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) amb la unitat científica CERES – Centre d’Estudis i Recerca Espacials; la Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC) amb la unitat científica CTE – Grup de Recerca en Ciències i Tecnologies de l’Espai; i el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) amb la unitat científica ICE – Institut de Ciències de l’Espai. L’IEEC és un centre CERCA (Centres de Recerca de Catalunya).

Contactes

Oficina de Comunicació de l'IEEC
Barcelona, Espanya
Correu electrònic: comunicacio@ieec.cat
 
Autors Principals a l’IEEC
Barcelona, Espanya
Manel Domínguez-Pumar
Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC)
Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC)
Correu electrònic: dominguez@ieec.cat, manuel.dominguez@upc.edu

Miquel Nofrarias
Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC)
Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC)
Correu electrònic: nofrarias@ieec.cat, nofrarias@ice.cat

David Gascón
Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC)
Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB)
Correu electrònic: dgascon@ieec.cat, dgascon@fqa.ub.edu