Electrodynamic Tethers For Planetary And De-orbiting Missions

Nuevas aplicaciones tecnológicas y científicas mediante amarras electrodinámicas son analizadas para misiones planetarias. i) Primero, se considera un conjunto de amarras cilíndricas en paralelo (veleros electrosolares) para una misión interplanetaria. Los iones provenientes del viento solar son repelidos por el alto potencial de dichas amarras generando empuje sobre el velero. Para conocer el intercambio de momento que provocan los iones sobre las amarras se ha considerado un modelo de potencial estacionario. Se ha analizado la transferencia orbital de la Tierra a Júpiter siguiendo un método de optimización de trayectoria indirecto. ii) Una vez que el velero se encuentra cerca de Júpiter, se ha considerado el despliegue de una amarra para diferentes objetivos científicos. iia) Una amarra podría ser utilizada para diagnóstico de plasmas, al ser una fuente efectiva de ondas, y también como un generador de auroras artificiales. Una amarra conductora que orbite en la magnetosfera jovial es capaz de producir ondas. Se han analizado las diferentes ondas radiadas por un conductor por el que circula una corriente constante que sigue una órbita polar de alta excentricidad y bajo apoápside, como ocurre en la misión Juno de la NASA. iib) Además, se ha estudiado una misión tentativa que sigue una órbita ecuatorial (LJO) por debajo de los intensos cinturones de radiación. Ambas misiones requiren potencia eléctrica para los sistemas de comunicación e instrumentos científicos. Las amarras pueden generar potencia de manera más eficiente que otros sistemas que utlizan paneles solares o sistemas de potencia de radioisótopos (RPS). La impedancia de radiación es necesaria para determinar la corriente que circula por todo el circuito de la amarra. En un modelo de plasma frío, la radiación ocurre principalmente en los modos de Alfven y magnetosónica rápida, mostrando un elevado índice de refracción. Se ha estudiado la impedancia de radiación en amarras con recubrimiento aislante para los dos modos de radiación y cada una de las misiones. A diferencia del caso ionosférico terrestre, la baja densidad y el intenso campo magnético que aparecen en el entorno de Júpiter consiguen que la girofrecuencia de los electrones sea mucho mayor que la frecuencia del plasma; esto hace que el espectro de potencia para cada modo se modifique substancialmente, aumentando la velocidad de Alfven. Se ha estimado también la impedancia de radiación para amarras sin aislante conductor. En la misión LJO, un vehículo espacial bajando lentamente la altitud de su órbita permitiría estudiar la estructura del campo magnético y composición atmosférica para entender la formación, evolución, y estructura de Júpiter. Adicionalmente, si el contactor (cátodo) se apaga, se dice que la amarra flota eléctricamente, permitiendo emisión de haz de electrones que generan auroras. El continuo apagado y encendido produce pulsos de corriente dando lugar a emisiones de señales, que pueden ser utilizadas para diagnóstico del plasma jovial. En Órbita Baja Jovial, los iones que impactan contra una amarra polarizada negativamente producen electrones secundarios, que, viajando helicoidalmente sobre las líneas de campo magnético de Júpiter, son capaces de alcanzar su atmósfera más alta, y, de esta manera, generar auroras. Se han identificado cuáles son las regiones donde la amarra sería más eficiente para producir auroras. iic) Otra aplicación científica sugerida para la misión LJO es la detección de granos cargados que orbitan cerca de Júpiter. Los electrones de alta energía en este ambiente pueden ser modelados por una distribucción no Maxwelliana conocida como distribución kappa. En escenarios con plasmas complejos, donde los campos eléctricos en Júpiter pueden acelerar las cargas hasta velocidades que superen la velocidad térmica, este tipo de distribuciones son muy útiles. En este caso las colas de las distribuciones de electrones siguen una ley de potencias. Se han estudiado las fluctuaciones de granos cargados para funciones de distribución kappa. iii) La tesis concluye con el análisis para deorbitar satélites con amarras electrodinámicas que siguen una Órbita Baja Terrestre (LEO). Una amarra debe presentar una baja probabilidad de corte por pequeño debris y además debe ser suficientemente ligero para que el cociente entre la masa de la amarra y el satélite sea muy pequeño. En este trabajo se estiman las medidas de la longitud, anchura y espesor que debe tener una amarra para minimizar el producto de la probabilidad de corte por el cociente entre las masas de la amarra y el satélite. Se presentan resultados preliminares del diseño de una amarra con forma de cinta para deorbitar satélites relativamente ligeros como Cryosat y pesados como Envisat. Las misiones espaciales a planetas exteriores y en el ámbito terrestre plantean importantes retos científico-tecnológicos que deben ser abordados y solucionados. Por ello, desde el inicio de la era espacial se han diseñando novedosos métodos propulsivos, sistemas de guiado, navegación y control más robustos, y nuevos materiales para mejorar el rendimiento de los vehículos espaciales (SC). En un gran número de misiones interplanetarias y en todas las misiones a planetas exteriores se han empleado sistemas de radioisótopos (RPS) para generar potencia eléctrica en los vehículos espaciales y en los rovers de exploración. Estos sistemas emplean como fuente de energía el escaso y costoso plutonio-238. La NASA, por medio de un informe de la National Academy of Science (5 de Mayo del 2009), expresó una profunda preocupación por la baja cantidad de plutonio almacenado, insuficiente para desarrollar todas las misiones de exploración planetaria planeadas en el futuro [81, 91]. Esta circustancia ha llevado a dicha Agencia tomar la decisión de limitar el uso de estos sistemas RPS en algunas misiones de especial interés científico y una recomendación de alta prioridad para que el Congreso de los EEUU apruebe el reestablecimiento de la producción de plutonio-238, -son necesarios cerca de 5 kg de este material radiactivo al año-, para salvaguardar las misiones que requieran dichos sistemas de potencia a partir del año 2018. Por otro lado, la Agencia estadounidense ha estado considerando el uso de fuentes de energía alternativa; como la fisión nuclear a través del ambicioso proyecto Prometheus, para llevar a cabo una misión de exploración en el sistema jovial (JIMO). Finalmente, dicha misión fue desestimada por su elevado coste. Recientemente se han estado desarrollando sistemas que consigan energía a través de los recursos naturales que nos aporta el Sol, mediante paneles solares -poco eficientes para misiones a planetas alejados de la luz solar-. En este contexto, la misión JUNO del programa Nuevas Fronteras de la NASA, cuyo lanzamiento fue realizado con éxito en Agosto de 2011, va a ser la primera misión equipada con paneles solares que sobrevolará Júpiter en el 2015 siguiendo una órbita polar. Anteriormente se habían empleado los antes mencionados RPS para las misiones Pioneer 10,11, Voyager 1,2, Ulysses, Cassini-Huygens y Galileo (todas sobrevuelos excepto Galileo). Dicha misión seguirá una órbita elíptica de alta excentricidad con un periápside muy cercano a Júpiter, y apoápside lejano, evitando que los intensos cinturones de radiación puedan dañar los instrumentos de navegación y científicos. Un tether o amarra electrodinámica es capaz de operar como sistema propulsivo o generador de potencia, pero también puede ser considerado como solución científicotecnológica en misiones espaciales tanto en LEO (Órbita Baja Terrestre) como en planetas exteriores. Siguiendo una perspectiva histórica, durante las misiones terrestres TSS-1 (1992) y TSS-1R (1996) se emplearon amarras estandard con recubrimiento aislante en toda su longitud, aplicando como terminal anódico pasivo un colector esférico para captar electrones. En una geometría alternativa, propuesta por J. R. Sanmartín et al. (1993) [93], se consideró dejar la amarra sin recubrimiento aislante (“bare tether”), y sin colector anódico esférico, de forma que recogiera electrones a lo largo del segmento que resulta polarizado positivo, como si se tratara de una sonda de Langmuir de gran longitud. A diferencia de la amarra estandard, el “bare tether” es capaz de recoger electrones a lo largo de una superficie grande ya que este segmento es de varios kilómetros de longitud. Como el radio de la amarra es del orden de la longitud de Debye y pequeño comparado con el radio de Larmor de los electrones, permite una recolección eficiente de electrones en el régimen OML (Orbital Motion Limited) de sondas de Langmuir. La corriente dada por la teoría OML varía en función del perímetro y la longitud. En el caso de una cinta delgada, el perímetro depende de la anchura, que debe ser suficientemente grande para evitar cortes producidos por debris y micrometeoritos, y suficientemente pequeño para que la amarra funcione en dicho régimen [95]. En el experimento espacial TSS-1R mencionado anteriormente, se identificó una recolección de corriente más elevada que la que predecía el modelo teórico de Parker- Murphy, debido posiblemente a que se utilizaba un colector esférico de radio bastante mayor que la longitud de Debye [79]. En el caso de una amarra “bare”, que recoge electrones a lo largo de gran parte de su longitud, se puede producir un fenómeno conocido como atrapamiento adiabático de electrones (adiabatic electron trapping) [25, 40, 60, 73, 74, 97]. En el caso terrestre (LEO) se da la condición mesotérmica en la que la amarra se mueve con una velocidad muy superior a la velocidad térmica de los iones del ambiente y muy inferior a la velocidad térmica de los electrones. J. Laframboise y L. Parker [57] mostraron que, para una función de distribución quasi-isotrópica, la densidad de electrones debe entonces ser necesariamente inferior a la densidad ambiente. Por otra parte, debido a su flujo hipersónico y a la alta polarización positiva de la amarra, la densidad de los iones es mayor que la densidad ambiente en una vasta región de la parte “ram” del flujo, violando la condición de cuasi-neutralidad,-en una región de dimensión mayor que la longitud de Debye-. La solución a esta paradoja podría basarse en el atrapamiento adiabático de electrones ambiente en órbitas acotadas entorno al tether. ABSTRACT New technological and scientific applications by electrodynamic tethers for planetary missions are analyzed: i) A set of cylindrical, parallel tethers (electric solar sail or e-sail) is considered for an interplanetary mission; ions from the solar wind are repelled by the high potential of the tether, providing momentum to the e-sail. An approximated model of a stationary potential for a high solar wind flow is considered. With the force provided by a negative biased tether, an indirect method for the optimization trajectory of an Earth-to-Jupiter orbit transfer is analyzed. ii) The deployment of a tether from the e-sail allows several scientific applications in Jupiter. iia) It might be used as a source of radiative waves for plasma diagnostics and artificial aurora generator. A conductive tether orbiting in the Jovian magnetosphere produces waves. Wave radiation by a conductor carrying a steady current in both a polar, highly eccentric, low perijove orbit, as in NASA’s Juno mission, and an equatorial low Jovian orbit (LJO) mission below the intense radiation belts, is considered. Both missions will need electric power generation for scientific instruments and communication systems. Tethers generate power more efficiently than solar panels or radioisotope power systems (RPS). The radiation impedance is required to determine the current in the overall tether circuit. In a cold plasma model, radiation occurs mainly in the Alfven and fast magnetosonic modes, exhibiting a large refraction index. The radiation impedance of insulated tethers is determined for both modes and either mission. Unlike the Earth ionospheric case, the low-density, highly magnetized Jovian plasma makes the electron gyrofrequency much larger than the plasma frequency; this substantially modifies the power spectrum for either mode by increasing the Alfven velocity. An estimation of the radiation impedance of bare tethers is also considered. iib) In LJO, a spacecraft orbiting in a slow downward spiral under the radiation belts would allow determining magnetic field structure and atmospheric composition for understanding the formation, evolution, and structure of Jupiter. Additionally, if the cathodic contactor is switched off, a tether floats electrically, allowing e-beam emission that generate auroras. On/off switching produces bias/current pulses and signal emission, which might be used for Jovian plasma diagnostics. In LJO, the ions impacting against the negative-biased tether do produce secondary electrons, which racing down Jupiter’s magnetic field lines, reach the upper atmosphere. The energetic electrons there generate auroral effects. Regions where the tether efficiently should produce secondary electrons are analyzed. iic) Other scientific application suggested in LJO is the in-situ detection of charged grains. Charged grains naturally orbit near Jupiter. High-energy electrons in the Jovian ambient may be modeled by the kappa distribution function. In complex plasma scenarios, where the Jovian high electric field may accelerate charges up superthermal velocities, the use of non-Maxwellian distributions should be considered. In these cases, the distribution tails fit well to a power-law dependence for electrons. Fluctuations of the charged grains for non-Mawellian distribution function are here studied. iii) The present thesis is concluded with the analysis for de-orbiting satellites at end of mission by electrodynamic tethers. A de-orbit tether system must present very small tether-to-satellite mass ratio and small probability of a tether cut by small debris too. The present work shows how to select tape dimensions so as to minimize the product of those two magnitudes. Preliminary results of tape-tether design are here discussed to minimize that function. Results for de-orbiting Cryosat and Envisat are also presented.

Functional and environmental design of detached, low crest level breakwaters

In this article we research the design of detached breakwaters, a type of coastal defence work designed to combat erosion on beaches in a stable, sustainable fashion. Our aim is to formulate a functional and environmental (nonstructural) method of design that defines the fundamental characteristics of a detached breakwater as a function of the desired effect on the coast whilst meeting social demands and preserving or improving the quality of the littoral environment. We aim to make this method generally applicable by considering relations between variables of different natures (climatic, geomorphologic, and geometric) influencing the changes experienced on the coast after the detached breakwater has been built. We carried out the study of the relations between the different variables on the data from 19 actual, existing detached breakwaters on the Spanish Mediterranean coastline, and we followed a methodology based on the implementation of nondimensional monomials and on a search for relations of dependency between them. Finally, we discussed the results obtained and came up with a proposal for a design method that uses some of the graphic relations found between the variables studied and that achieves the main objective. For example, a case of a detached breakwater’s geometric presizing is solved as a practical demonstration of how the method is applied. La investigación que se presenta en este artículo aborda el diseño de los diques exentos, por constituir estos un tipo de obras de defensa costera con el que poder luchar de una forma estable y sostenible contra muchos de los problemas de erosión que existen en las playas. El objetivo principal de este trabajo es la formulación de un método de diseño funcional y ambiental (no estructural) que permita definir las características fundamentales de un dique exento en función del efecto que se quiera inducir en la costa, satisfaciendo las demandas sociales y preservando o mejorando la calidad del medio ambiente litoral. Además, se busca la aplicabilidad general del método mediante la consideración de relaciones entre variables de distinta naturaleza (climáticas, geomorfológicas y geométricas) que tienen influencia en los cambios que se experimentan en la costa tras la construcción del dique exento. El estudio de las relaciones entre las distintas variables se realiza sobre los datos de una base de diecinueve diques exentos reales, existentes en el litoral mediterráneo español, y sigue una metodología basada en el planteamiento de monomios adimensionales y en la búsqueda de relaciones de dependencia entre ellos. Finalmente, la discusión de los resultados obtenidos conduce a la propuesta de un método de diseño que utiliza algunas de las relaciones graficas encontradas entre las variables estudiadas y con el que se consigue el objetivo principal anteriormente expuesto. Para demostrar la aplicación práctica del método se resuelve un caso de predimensionamiento geométrico de un dique exento a modo de ejemplo.

Nuevo puente en la vía Enköpingsvägen sobre el lago Malären, conectando los municipios de Kungsängen y Kallhäll.

El presente proyecto consiste en la construcción de un nuevo puente sobre la vía Enköpingsvägen (carretera 841), que conecta los distritos municipales de Kallhäll y Kungsängen en la provincia de Estocolmo (Suecia). Dicha construcción se realiza con el objetivo de sustituir el ya existente en dicha ruta, que es un puente rotatorio que permite el paso a aquellas embarcaciones que cruzan por el lago Mälaren con destino a Sigtuna, desde Estocolmo y viceversa. La sustitución de este puente por uno nuevo se fundamenta en lo siguiente: primero, evitar el importante consumo energético que el puente requiere a la hora de rotar sobre sí mismo; segundo, disminuir los gastos de mantenimiento asociados a la rotación de la estructura; tercero, reducir los atascos que se producen en los accesos al puente actual, cuando entra en funcionamiento para permitir el paso de embarcaciones, para lo cual se propone, como alternativa, un puente fijo que tenga la altura necesaria para permitir la navegación de las embarcaciones existentes. Por último, otro motivo es la cercanía a la expiración de la vida útil que tiene dicho puente. La construcción del mismo data de hace más de 80 años y, en Suecia, actualmente la media del plazo de desmantelamiento se sitúa entre 60 y 70 años.

Determinación de un modelo de geoide gravimétrico para Puerto Rico como sistema de referencia para las altitudes ortométricas

El geoide, definido como la superficie equipotencial que mejor se ajusta (en el sentido de los mínimos cuadrados) al nivel medio del mar en una determinada época, es la superficie que utilizamos como referencia para determinar las altitudes ortométricas. Si disponemos de una superficie equipotencial de referencia como dátum altimétrico preciso o geoide local, podemos entonces determinar las altitudes ortométricas de forma eficiente a partir de las altitudes elipsoidales proporcionadas por el Sistema Global de Navegación por Satélite (Global Navigation Satellite System, GNSS ). Como es sabido uno de los problemas no resueltos de la geodesia (quizás el más importante de los mismos en la actualidad) es la carencia de un dátum altimétrico global (Sjoberg, 2011) con las precisiones adecuadas. Al no existir un dátum altimétrico global que nos permita obtener los valores absolutos de la ondulación del geoide con la precisión requerida, es necesario emplear modelos geopotenciales como alternativa. Recientemente fue publicado el modelo EGM2008 en el que ha habido una notable mejoría de sus tres fuentes de datos, por lo que este modelo contiene coeficientes adicionales hasta el grado 2190 y orden 2159 y supone una sustancial mejora en la precisión (Pavlis et al., 2008). Cuando en una región determinada se dispone de valores de gravedad y Modelos Digitales del Terreno (MDT) de calidad, es posible obtener modelos de superficies geopotenciales más precisos y de mayor resolución que los modelos globales. Si bien es cierto que el Servicio Nacional Geodésico de los Estados Unidos de América (National Geodetic Survey, NGS) ha estado desarrollando modelos del geoide para la región de los Estados Unidos de América continentales y todos sus territorios desde la década de los noventa, también es cierto que las zonas de Puerto Rico y las Islas Vírgenes Estadounidenses han quedado un poco rezagadas al momento de poder aplicar y obtener resultados de mayor precisión con estos modelos regionales del geoide. En la actualidad, el modelo geopotencial regional vigente para la zona de Puerto Rico y las Islas Vírgenes Estadounidenses es el GEOID12A (Roman y Weston, 2012). Dada la necesidad y ante la incertidumbre de saber cuál sería el comportamiento de un modelo del geoide desarrollado única y exclusivamente con datos de gravedad locales, nos hemos dado a la tarea de desarrollar un modelo de geoide gravimétrico como sistema de referencia para las altitudes ortométricas. Para desarrollar un modelo del geoide gravimétrico en la isla de Puerto Rico, fue necesario implementar una metodología que nos permitiera analizar y validar los datos de gravedad terrestre existentes. Utilizando validación por altimetría con sistemas de información geográfica y validación matemática por colocación con el programa Gravsoft (Tscherning et al., 1994) en su modalidad en Python (Nielsen et al., 2012), fue posible validar 1673 datos de anomalías aire libre de un total de 1894 observaciones obtenidas de la base de datos del Bureau Gravimétrico Internacional (BGI). El aplicar estas metodologías nos permitió obtener una base de datos anomalías de la gravedad fiable la cual puede ser utilizada para una gran cantidad de aplicaciones en ciencia e ingeniería. Ante la poca densidad de datos de gravedad existentes, fue necesario emplear un método alternativo para densificar los valores de anomalías aire libre existentes. Empleando una metodología propuesta por Jekeli et al. (2009b) se procedió a determinar anomalías aire libre a partir de los datos de un MDT. Estas anomalías fueron ajustadas utilizando las anomalías aire libre validadas y tras aplicar un ajuste de mínimos cuadrados por zonas geográficas, fue posible obtener una malla de datos de anomalías aire libre uniforme a partir de un MDT. Tras realizar las correcciones topográficas, determinar el efecto indirecto de la topografía del terreno y la contribución del modelo geopotencial EGM2008, se obtuvo una malla de anomalías residuales. Estas anomalías residuales fueron utilizadas para determinar el geoide gravimétrico utilizando varias técnicas entre las que se encuentran la aproximación plana de la función de Stokes y las modificaciones al núcleo de Stokes, propuestas por Wong y Gore (1969), Vanicek y Kleusberg (1987) y Featherstone et al. (1998). Ya determinados los distintos modelos del geoide gravimétrico, fue necesario validar los mismos y para eso se utilizaron una serie de estaciones permanentes de la red de nivelación del Datum Vertical de Puerto Rico de 2002 (Puerto Rico Vertical Datum 2002, PRVD02 ), las cuales tenían publicados sus valores de altitud elipsoidal y elevación. Ante la ausencia de altitudes ortométricas en las estaciones permanentes de la red de nivelación, se utilizaron las elevaciones obtenidas a partir de nivelación de primer orden para determinar los valores de la ondulación del geoide geométrico (Roman et al., 2013). Tras establecer un total de 990 líneas base, se realizaron dos análisis para determinar la 'precisión' de los modelos del geoide. En el primer análisis, que consistió en analizar las diferencias entre los incrementos de la ondulación del geoide geométrico y los incrementos de la ondulación del geoide de los distintos modelos (modelos gravimétricos, EGM2008 y GEOID12A) en función de las distancias entre las estaciones de validación, se encontró que el modelo con la modificación del núcleo de Stokes propuesta por Wong y Gore presentó la mejor 'precisión' en un 91,1% de los tramos analizados. En un segundo análisis, en el que se consideraron las 990 líneas base, se determinaron las diferencias entre los incrementos de la ondulación del geoide geométrico y los incrementos de la ondulación del geoide de los distintos modelos (modelos gravimétricos, EGM2008 y GEOID12A), encontrando que el modelo que presenta la mayor 'precisión' también era el geoide con la modificación del núcleo de Stokes propuesta por Wong y Gore. En este análisis, el modelo del geoide gravimétrico de Wong y Gore presento una 'precisión' de 0,027 metros en comparación con la 'precisión' del modelo EGM2008 que fue de 0,031 metros mientras que la 'precisión' del modelo regional GEOID12A fue de 0,057 metros. Finalmente podemos decir que la metodología aquí presentada es una adecuada ya que fue posible obtener un modelo del geoide gravimétrico que presenta una mayor 'precisión' que los modelos geopotenciales disponibles, incluso superando la precisión del modelo geopotencial global EGM2008. ABSTRACT The geoid, defined as the equipotential surface that best fits (in the least squares sense) to the mean sea level at a particular time, is the surface used as a reference to determine the orthometric heights. If we have an equipotential reference surface or a precise local geoid, we can then determine the orthometric heights efficiently from the ellipsoidal heights, provided by the Global Navigation Satellite System (GNSS). One of the most common and important an unsolved problem in geodesy is the lack of a global altimetric datum (Sjoberg, 2011)) with the appropriate precision. In the absence of one which allows us to obtain the absolute values of the geoid undulation with the required precision, it is necessary to use alternative geopotential models. The EGM2008 was recently published, in which there has been a marked improvement of its three data sources, so this model contains additional coefficients of degree up to 2190 and order 2159, and there is a substantial improvement in accuracy (Pavlis et al., 2008). When a given region has gravity values and high quality digital terrain models (DTM), it is possible to obtain more accurate regional geopotential models, with a higher resolution and precision, than global geopotential models. It is true that the National Geodetic Survey of the United States of America (NGS) has been developing geoid models for the region of the continental United States of America and its territories from the nineties, but which is also true is that areas such as Puerto Rico and the U.S. Virgin Islands have lagged behind when to apply and get more accurate results with these regional geopotential models. Right now, the available geopotential model for Puerto Rico and the U.S. Virgin Islands is the GEOID12A (Roman y Weston, 2012). Given this need and given the uncertainty of knowing the behavior of a regional geoid model developed exclusively with data from local gravity, we have taken on the task of developing a gravimetric geoid model to use as a reference system for orthometric heights. To develop a gravimetric geoid model in the island of Puerto Rico, implementing a methodology that allows us to analyze and validate the existing terrestrial gravity data is a must. Using altimetry validation with GIS and mathematical validation by collocation with the Gravsoft suite programs (Tscherning et al., 1994) in its Python version (Nielsen et al., 2012), it was possible to validate 1673 observations with gravity anomalies values out of a total of 1894 observations obtained from the International Bureau Gravimetric (BGI ) database. Applying these methodologies allowed us to obtain a database of reliable gravity anomalies, which can be used for many applications in science and engineering. Given the low density of existing gravity data, it was necessary to employ an alternative method for densifying the existing gravity anomalies set. Employing the methodology proposed by Jekeli et al. (2009b) we proceeded to determine gravity anomaly data from a DTM. These anomalies were adjusted by using the validated free-air gravity anomalies and, after that, applying the best fit in the least-square sense by geographical area, it was possible to obtain a uniform grid of free-air anomalies obtained from a DTM. After applying the topographic corrections, determining the indirect effect of topography and the contribution of the global geopotential model EGM2008, a grid of residual anomalies was obtained. These residual anomalies were used to determine the gravimetric geoid by using various techniques, among which are the planar approximation of the Stokes function and the modifications of the Stokes kernel, proposed by Wong y Gore (1969), Vanicek y Kleusberg (1987) and Featherstone et al. (1998). After determining the different gravimetric geoid models, it was necessary to validate them by using a series of stations of the Puerto Rico Vertical Datum of 2002 (PRVD02) leveling network. These stations had published its values of ellipsoidal height and elevation, and in the absence of orthometric heights, we use the elevations obtained from first - order leveling to determine the geometric geoid undulation (Roman et al., 2013). After determine a total of 990 baselines, two analyzes were performed to determine the ' accuracy ' of the geoid models. The first analysis was to analyze the differences between the increments of the geometric geoid undulation with the increments of the geoid undulation of the different geoid models (gravimetric models, EGM2008 and GEOID12A) in function of the distance between the validation stations. Through this analysis, it was determined that the model with the modified Stokes kernel given by Wong and Gore had the best 'accuracy' in 91,1% for the analyzed baselines. In the second analysis, in which we considered the 990 baselines, we analyze the differences between the increments of the geometric geoid undulation with the increments of the geoid undulation of the different geoid models (gravimetric models, EGM2008 and GEOID12A) finding that the model with the highest 'accuracy' was also the model with modifying Stokes kernel given by Wong and Gore. In this analysis, the Wong and Gore gravimetric geoid model presented an 'accuracy' of 0,027 meters in comparison with the 'accuracy' of global geopotential model EGM2008, which gave us an 'accuracy' of 0,031 meters, while the 'accuracy ' of the GEOID12A regional model was 0,057 meters. Finally we can say that the methodology presented here is adequate as it was possible to obtain a gravimetric geoid model that has a greater 'accuracy' than the geopotential models available, even surpassing the accuracy of global geopotential model EGM2008.

El aprendizaje en el proyecto URBANO

Se presenta el estado actual del proyecto URBANO, que en la versión 8.02 es una arquitectura distribuida de componentes orientada al diseño de aplicaciones en robots sociales. Se utiliza SOAP como mecanismo de integración remota. Se han diseñado nuevos componentes que permiten diferentes formas de aprendizaje. Por un lado, se ha diseñado una aplicación Android que posibilita la integración del móvil o tablet al control del robot. Por otro se ha desarrollado una ontología que permite representar, no solo conceptos, sino el aprendizaje propiamente dicho y se suman a los ya disponibles para la sintetización y reconocimiento de voces, gestión de gestos de cara y brazos, generación de trayectorias y navegación segura, modelo de estado de ánimo del robot y ejecución de tareas definidas por el usuario mediante el lenguaje propio UPL (Urbano Programming Language).

Aprendizaje en robots sociales: El caso de Urbano

Se presenta el estado actual del proyecto URBANO, que en la versión 8.02 es una arquitectura distribuida de componentes orientada al diseño de aplicaciones en robots sociales. Se utiliza SOAP como mecanismo de integración remota. Se han diseñado nuevos componentes que permiten diferentes formas de aprendizaje. Por un lado, se ha diseñado una aplicación Android que posibilita la integración del móvil o tablet al control del robot. Por otro se ha desarrollado una ontología que permite representar, no solo conceptos, sino el aprendizaje propiamente dicho y se suman a los ya disponibles para la sintetización y reconocimiento de voces, gestión de gestos de cara y brazos, generación de trayectorias y navegación segura, modelo de estado de ánimo del robot y ejecución de tareas definidas por el usuario mediante el lenguaje propio UPL (Urbano Programming Language)

Generación de modelos físicos personalizados y segmentación de la pared arterial y el trombo intraluminal en imágenes de aneurismas aórticos abdominales

Esta tesis doctoral está encuadrada dentro del marco general de la ingeniería biomédica aplicada al tratamiento de las enfermedades cardiovasculares, enfermedades que provocan alrededor de 1.9 millones (40%) de muertes al año en la Unión Europea. En este contexto surge el proyecto europeo SCATh-Smart Catheterization, cuyo objetivo principal es mejorar los procedimientos de cateterismo aórtico introduciendo nuevas tecnologías de planificación y navegación quirúrgica y minimizando el uso de fluoroscopía. En particular, esta tesis aborda el modelado y diagnóstico de aneurismas aórticos abdominales (AAA) y del trombo intraluminal (TIL), allí donde esté presente, así como la segmentación de estas estructuras en imágenes preoperatorias de RM. Los modelos físicos específicos del paciente, construidos a partir de imágenes médicas preoperatorias, tienen múltiples usos, que van desde la evaluación preoperatoria de estructuras anatómicas a la planificación quirúrgica para el guiado de catéteres. En el diagnóstico y tratamiento de AAA, los modelos físicos son útiles a la hora de evaluar diversas variables biomecánicas y fisiológicas de las estructuras vasculares. Existen múltiples técnicas que requieren de la generación de modelos físicos que representen la anatomía vascular. Una de las principales aplicaciones de los modelos físicos es el análisis de elementos finitos (FE). Las simulaciones de FE para AAA pueden ser específicas para el paciente y permiten modelar estados de estrés complejos, incluyendo los efectos provocados por el TIL. La aplicación de métodos numéricos de análisis tiene como requisito previo la generación de una malla computacional que representa la geometría de interés mediante un conjunto de elementos poliédricos, siendo los hexaédricos los que presentan mejores resultados. En las estructuras vasculares, generar mallas hexaédricas es un proceso especialmente exigente debido a la compleja anatomía 3D ramificada. La mayoría de los AAA se encuentran situados en la bifurcación de la arteria aorta en las arterias iliacas y es necesario modelar de manera fiel dicha bifurcación. En el caso de que la sangre se estanque en el aneurisma provocando un TIL, éste forma una estructura adyacente a la pared aórtica. De este modo, el contorno externo del TIL es el mismo que el contorno interno de la pared, por lo que las mallas resultantes deben reflejar esta particularidad, lo que se denomina como "mallas conformadas". El fin último de este trabajo es modelar las estructuras vasculares de modo que proporcionen nuevas herramientas para un mejor diagnóstico clínico, facilitando medidas de riesgo de rotura de la arteria, presión sistólica o diastólica, etc. Por tanto, el primer objetivo de esta tesis es diseñar un método novedoso y robusto para generar mallas hexaédricas tanto de la pared aórtica como del trombo. Para la identificación de estas estructuras se utilizan imágenes de resonancia magnética (RM). Deben mantenerse sus propiedades de adyacencia utilizando elementos de alta calidad, prestando especial atención al modelado de la bifurcación y a que sean adecuadas para el análisis de FE. El método tiene en cuenta la evolución de la línea central del vaso en el espacio tridimensional y genera la malla directamente a partir de las imágenes segmentadas, sin necesidad de reconstruir superficies triangulares. Con el fin de reducir la intervención del usuario en el proceso de generación de las mallas, es también objetivo de esta tesis desarrollar un método de segmentación semiautomática de las distintas estructuras de interés. Las principales contribuciones de esta tesis doctoral son: 1. El diseño, implementación y evaluación de un algoritmo de generación de mallas hexaédricas conformadas de la pared y el TIL a partir de los contornos segmentados en imágenes de RM. Se ha llevado a cabo una evaluación de calidad que determine su aplicabilidad a métodos de FE. Los resultados demuestran que el algoritmo desarrollado genera mallas conformadas de alta calidad incluso en la región de la bifurcación, que son adecuadas para su uso en métodos de análisis de FE. 2. El diseño, implementación y evaluación de un método de segmentación automático de las estructuras de interés. La luz arterial se segmenta de manera semiautomática utilizando un software disponible a partir de imágenes de RM con contraste. Los resultados de este proceso sirven de inicialización para la segmentación automática de las caras interna y externa de la pared aórtica utilizando métodos basado en modelos de textura y forma a partir de imágenes de RM sin contraste. Los resultados demuestran que el algoritmo desarrollado proporciona segmentaciones fieles de las distintas estructuras de interés. En conclusión, el trabajo realizado en esta tesis doctoral corrobora las hipótesis de investigación postuladas, y pretende servir como aportación para futuros avances en la generación de modelos físicos de geometrías biológicas. ABSTRACT The frame of this PhD Thesis is the biomedical engineering applied to the treatment of cardiovascular diseases, which cause around 1.9 million deaths per year in the European Union and suppose about 40% of deaths per year. In this context appears the European project SCATh-Smart Catheterization. The main objective of this project is creating a platform which improves the navigation of catheters in aortic catheterization minimizing the use of fluoroscopy. In the framework of this project, the specific field of this PhD Thesis is the diagnosis and modeling of abdominal aortic aneurysm (AAAs) and the intraluminal thrombus (ILT) whenever it is present. Patient-specific physical models built from preoperative imaging are becoming increasingly important in the area of minimally invasive surgery. These models can be employed for different purposes, such as the preoperatory evaluation of anatomic structures or the surgical planning for catheter guidance. In the specific case of AAA diagnosis and treatment, physical models are especially useful for evaluating pressures over vascular structures. There are multiple techniques that require the generation of physical models which represent the target anatomy. Finite element (FE) analysis is one the principal applications for physical models. FE simulations for AAA may be patient-specific and allow modeling biomechanical and physiological variables including those produced by ILT, and also the segmentation of those anatomical structures in preoperative MR images. Applying numeric methods requires the generation of a proper computational mesh. These meshes represent the patient anatomy using a set of polyhedral elements, with hexahedral elements providing better results. In the specific case of vascular structures, generating hexahedral meshes is a challenging task due to the complex 3D branching anatomy. Each patient’s aneurysm is unique, characterized by its location and shape, and must be accurately represented for subsequent analyses to be meaningful. Most AAAs are located in the region where the aorta bifurcates into the iliac arteries and it is necessary to model this bifurcation precisely and reliably. If blood stagnates in the aneurysm and forms an ILT, it exists as a conforming structure with the aortic wall, i.e. the ILT’s outer contour is the same as the wall’s inner contour. Therefore, resulting meshes must also be conforming. The main objective of this PhD Thesis is designing a novel and robust method for generating conforming hexahedral meshes for the aortic wall and the thrombus. These meshes are built using largely high-quality elements, especially at the bifurcation, that are suitable for FE analysis of tissue stresses. The method accounts for the evolution of the vessel’s centerline which may develop outside a single plane, and generates the mesh directly from segmented images without the requirement to reconstruct triangular surfaces. In order to reduce the user intervention in the mesh generation process is also a goal of this PhD. Thesis to develop a semiautomatic segmentation method for the structures of interest. The segmentation is performed from magnetic resonance image (MRI) sequences that have tuned to provide high contrast for the arterial tissue against the surrounding soft tissue, so that we determine the required information reliably. The main contributions of this PhD Thesis are: 1. The design, implementation and evaluation of an algorithm for generating hexahedral conforming meshes of the arterial wall and the ILT from the segmented contours. A quality inspection has been applied to the meshes in order to determine their suitability for FE methods. Results show that the developed algorithm generates high quality conforming hexahedral meshes even at the bifurcation region. Thus, these meshes are suitable for FE analysis. 2. The design, implementation and evaluation of a semiautomatic segmentation method for the structures of interest. The lumen is segmented in a semiautomatic way from contrast filled MRI using an available software. The results obtained from this process are used to initialize the automatic segmentation of the internal and external faces of the aortic wall. These segmentations are performed by methods based on texture and shape models from MRI with no contrast. The results show that the algorithm provides faithful segmentations of the structures of interest requiring minimal user intervention. In conclusion, the work undertaken in this PhD. Thesis verifies the investigation hypotheses. It intends to serve as basis for future physical model generation of proper biological anatomies used by numerical methods.

Analysis of wave attenuation and shore protection of a bulk carrier ship performing as a detached floating breakwater

Análisis de la atenuación del oleaje por un carguero funcionando como dique flotante y aplicación a dos casos de protección portuaria y costera. The effectiveness of a bulk carrier working as a detached floating breakwater to protect a stretch of coast and form salients or tombolos is assessed in this paper. Experiments were conducted in the Madrid CEDEX facilities in a 30 m long, 3 m wide, 1/150 scale flume. The bulk carrier ship is 205 m long, 29 m wide and 18 m in height with a draught of 13 m, and has been subjected to irregular waves with significant heights from 2 m to 4 m and peak periods from 6 s to 12 s at a depth of 15 m, all prototype dimensions. Three probes were placed between the wave paddle and the ship to record incident and reflected waves and four probes were placed between the ship and the coastline to measure the transmitted waves. Transmission, reflection and dissipation coefficients (Ct, Cr, Cd) were calculated to determine wave attenuation. Results show good shelter in the lee of the ship with values of Ct under 0.5 for peak periods from 6 s to 11 s. In addition, forces on the mooring chains were measured showing maximum values of about 2000 tons at a 10 speak period. Finally, two analytical models were used to determine the shoreline’s response to the ship’s protection and to assess the possible forming of salients or tombolos. According to the results, salients - but not tombolos - are formed in all tests.

Contributions to trajectory prediction theory and its application to arrival management for air traffic control

La gestión del tráfico aéreo (Air Traffic Management, ATM) está experimentando un cambio de paradigma hacia las denominadas operaciones basadas trayectoria. Bajo dicho paradigma se modifica el papel de los controladores de tráfico aéreo desde una operativa basada su intervención táctica continuada hacia una labor de supervisión a más largo plazo. Esto se apoya en la creciente confianza en las soluciones aportadas por las herramientas automatizadas de soporte a la decisión más modernas. Para dar soporte a este concepto, se precisa una importante inversión para el desarrollo, junto con la adquisición de nuevos equipos en tierra y embarcados, que permitan la sincronización precisa de la visión de la trayectoria, basada en el intercambio de información entre ambos actores. Durante los últimos 30 a 40 años las aerolíneas han generado uno de los menores retornos de la inversión de entre todas las industrias. Sin beneficios tangibles, la industria aérea tiene dificultades para atraer el capital requerido para su modernización, lo que retrasa la implantación de dichas mejoras. Esta tesis tiene como objetivo responder a la pregunta de si las capacidades actualmente instaladas en las aeronaves comerciales se pueden aplicar para lograr la sincronización de la trayectoria con el nivel de calidad requerido. Además, se analiza en ella si, conjuntamente con mejoras en las herramientas de predicción trayectorias instaladas en tierra en para facilitar la gestión de las arribadas, dichas capacidades permiten obtener los beneficios esperados en el marco de las operaciones basadas en trayectoria. Esto podría proporcionar un incentivo para futuras actualizaciones de la aviónica que podrían llevar a mejoras adicionales. El concepto operacional propuesto en esta tesis tiene como objetivo permitir que los aviones sean pilotados de una manera consistente con las técnicas actuales de vuelo optimizado. Se permite a las aeronaves que desciendan en el denominado “modo de ángulo de descenso gestionado” (path-managed mode), que es el preferido por la mayoría de las compañías aéreas, debido a que conlleva un reducido consumo de combustible. El problema de este modo es que en él no se controla de forma activa el tiempo de llegada al punto de interés. En nuestro concepto operacional, la incertidumbre temporal se gestiona en mediante de la medición del tiempo en puntos estratégicamente escogidos a lo largo de la trayectoria de la aeronave, y permitiendo la modificación por el control de tierra de la velocidad de la aeronave. Aunque la base del concepto es la gestión de las ordenes de velocidad que se proporcionan al piloto, para ser capaces de operar con los niveles de equipamiento típicos actualmente, dicho concepto también constituye un marco en el que la aviónica más avanzada (por ejemplo, que permita el control por el FMS del tiempo de llegada) puede integrarse de forma natural, una vez que esta tecnología este instalada. Además de gestionar la incertidumbre temporal a través de la medición en múltiples puntos, se intenta reducir dicha incertidumbre al mínimo mediante la mejora de las herramienta de predicción de la trayectoria en tierra. En esta tesis se presenta una novedosa descomposición del proceso de predicción de trayectorias en dos etapas. Dicha descomposición permite integrar adecuadamente los datos de la trayectoria de referencia calculada por el Flight Management System (FMS), disponibles usando Futuro Sistema de Navegación Aérea (FANS), en el sistema de predicción de trayectorias en tierra. FANS es un equipo presente en los aviones comerciales de fuselaje ancho actualmente en la producción, e incluso algunos aviones de fuselaje estrecho pueden tener instalada avionica FANS. Además de informar automáticamente de la posición de la aeronave, FANS permite proporcionar (parte de) la trayectoria de referencia en poder de los FMS, pero la explotación de esta capacidad para la mejora de la predicción de trayectorias no se ha estudiado en profundidad en el pasado. La predicción en dos etapas proporciona una solución adecuada al problema de sincronización de trayectorias aire-tierra dado que permite la sincronización de las dimensiones controladas por el sistema de guiado utilizando la información de la trayectoria de referencia proporcionada mediante FANS, y también facilita la mejora en la predicción de las dimensiones abiertas restantes usado un modelo del guiado que explota los modelos meteorológicos mejorados disponibles en tierra. Este proceso de predicción de la trayectoria de dos etapas se aplicó a una muestra de 438 vuelos reales que realizaron un descenso continuo (sin intervención del controlador) con destino Melbourne. Dichos vuelos son de aeronaves del modelo Boeing 737-800, si bien la metodología descrita es extrapolable a otros tipos de aeronave. El método propuesto de predicción de trayectorias permite una mejora en la desviación estándar del error de la estimación del tiempo de llegada al punto de interés, que es un 30% menor que la que obtiene el FMS. Dicha trayectoria prevista mejorada se puede utilizar para establecer la secuencia de arribadas y para la asignación de las franjas horarias para cada aterrizaje (slots). Sobre la base del slot asignado, se determina un perfil de velocidades que permita cumplir con dicho slot con un impacto mínimo en la eficiencia del vuelo. En la tesis se propone un nuevo algoritmo que determina las velocidades requeridas sin necesidad de un proceso iterativo de búsqueda sobre el sistema de predicción de trayectorias. El algoritmo se basa en una parametrización inteligente del proceso de predicción de la trayectoria, que permite relacionar el tiempo estimado de llegada con una función polinómica. Resolviendo dicho polinomio para el tiempo de llegada deseado, se obtiene de forma natural el perfil de velocidades optimo para cumplir con dicho tiempo de llegada sin comprometer la eficiencia. El diseño de los sistemas de gestión de arribadas propuesto en esta tesis aprovecha la aviónica y los sistemas de comunicación instalados de un modo mucho más eficiente, proporcionando valor añadido para la industria. Por tanto, la solución es compatible con la transición hacia los sistemas de aviónica avanzados que están desarrollándose actualmente. Los beneficios que se obtengan a lo largo de dicha transición son un incentivo para inversiones subsiguientes en la aviónica y en los sistemas de control de tráfico en tierra. ABSTRACT Air traffic management (ATM) is undergoing a paradigm shift towards trajectory based operations where the role of an air traffic controller evolves from that of continuous intervention towards supervision, as decision making is improved based on increased confidence in the solutions provided by advanced automation. To support this concept, significant investment for the development and acquisition of new equipment is required on the ground as well as in the air, to facilitate the high degree of trajectory synchronisation and information exchange required. Over the past 30-40 years the airline industry has generated one of the lowest returns on invested capital among all industries. Without tangible benefits realised, the airline industry may find it difficult to attract the required investment capital and delay acquiring equipment needed to realise the concept of trajectory based operations. In response to these challenges facing the modernisation of ATM, this thesis aims to answer the question whether existing aircraft capabilities can be applied to achieve sufficient trajectory synchronisation and improvements to ground-based trajectory prediction in support of the arrival management process, to realise some of the benefits envisioned under trajectory based operations, and to provide an incentive for further avionics upgrades. The proposed operational concept aims to permit aircraft to operate in a manner consistent with current optimal aircraft operating techniques. It allows aircraft to descend in the fuel efficient path managed mode as preferred by a majority of airlines, with arrival time not actively controlled by the airborne automation. The temporal uncertainty is managed through metering at strategically chosen points along the aircraft’s trajectory with primary use of speed advisories. While the focus is on speed advisories to support all aircraft and different levels of equipage, the concept also constitutes a framework in which advanced avionics as airborne time-of-arrival control can be integrated once this technology is widely available. In addition to managing temporal uncertainty through metering at multiple points, this temporal uncertainty is minimised by improving the supporting trajectory prediction capability. A novel two-stage trajectory prediction process is presented to adequately integrate aircraft trajectory data available through Future Air Navigation Systems (FANS) into the ground-based trajectory predictor. FANS is standard equipment on any wide-body aircraft in production today, and some single-aisle aircraft are easily capable of being fitted with FANS. In addition to automatic position reporting, FANS provides the ability to provide (part of) the reference trajectory held by the aircraft’s Flight Management System (FMS), but this capability has yet been widely overlooked. The two-stage process provides a ‘best of both world’s’ solution to the air-ground synchronisation problem by synchronising with the FMS reference trajectory those dimensions controlled by the guidance mode, and improving on the prediction of the remaining open dimensions by exploiting the high resolution meteorological forecast available to a ground-based system. The two-stage trajectory prediction process was applied to a sample of 438 FANS-equipped Boeing 737-800 flights into Melbourne conducting a continuous descent free from ATC intervention, and can be extrapolated to other types of aircraft. Trajectories predicted through the two-stage approach provided estimated time of arrivals with a 30% reduction in standard deviation of the error compared to estimated time of arrival calculated by the FMS. This improved predicted trajectory can subsequently be used to set the sequence and allocate landing slots. Based on the allocated landing slot, the proposed system calculates a speed schedule for the aircraft to meet this landing slot at minimal flight efficiency impact. A novel algorithm is presented that determines this speed schedule without requiring an iterative process in which multiple calls to a trajectory predictor need to be made. The algorithm is based on parameterisation of the trajectory prediction process, allowing the estimate time of arrival to be represented by a polynomial function of the speed schedule, providing an analytical solution to the speed schedule required to meet a set arrival time. The arrival management solution proposed in this thesis leverages the use of existing avionics and communications systems resulting in new value for industry for current investment. The solution therefore supports a transition concept from mixed equipage towards advanced avionics currently under development. Benefits realised under this transition may provide an incentive for ongoing investment in avionics.

Procesos de depuración de los efluentes líquidos de actividades petrolíferas

La Tesis Doctoral surge debida de los problemas de contaminación ambientales que presentan los efluentes líquidos refinería del petróleo y las industrias de extracción del petróleo crudo en la zona costera de Angola principalmente en las provincias de Cabinda, Zaire y Luanda, en las cuales sus vertidos destruyen la flora y fauna acuática. El objetivo de este trabajo consiste en implementar nuevas técnicas de los procesos de oxidación avanzada para el tratamiento de los efluentes líquidos de refinerías de petróleo, que permitan conseguir una calidad adecuada de los vertidos. Este sector se considera como una fuente de contaminación del medio ambiente, que requiere un control estricto y un tratamiento adecuado para la eliminación de los contaminantes existente en este tipo de agua y posteriormente poder reutilizar estas aguas tratadas para otros fines industriales o verter a los cauces receptores que al menos no perjudique a los ecosistemas. En esta tesis se ha investigado las técnicas más modernas de los procesos de oxidación avanzada para el tratamiento de agua residual de refinería de petróleo, así como: 1) ozonización, 2) peróxido de hidrógeno con ozono, y 3) ultravioleta con ozono. Los resultados obtenidos en este trabajo muestran que el proceso de ozonización simple, ha dado mejores resultados para el tratamiento de este tipo agua residual de petróleo, tanto, en la eliminación de materia orgánica y los fenoles presentes en el agua residual. En la primera fase, con 1 litro de muestra, se alcanzó un rendimiento del 80% en la eliminación de la DQO utilizando 5,97 mg/l de dosis de ozono, con 11 minutos de tiempo de contacto. Respecto a los fenoles se alcanzó una eliminación del 100 % con la misma dosis de ozono y con 11 minutos de tiempo de contacto. En la segunda fase, con 4 litros de muestra, se alcanzó un rendimiento del 66% de la DQO utilizando 22,21 mg/l de dosis de ozono, con 15 minutos de tiempo de contacto y el rendimiento en la eliminación de los fenoles fue de 90 % a las mismas condiciones. The doctoral thesis arises because of environmental pollution problems posed by liquid effluents and oil refinery industries extraction of crude oil in the coastal area of Angola mainly in the provinces of Cabinda, Zaire and Luanda, in which their discharges destroy aquatic flora and fauna. The objective of this work is to implement new techniques of advanced oxidation processes for the treatment of liquid effluents of oil refineries that will achieve an adequate quality of discharges. This sector is considered as a source of environmental pollution, which requires close monitoring and appropriate treatment for the removal of existing contaminants in this water and then treated to reuse this water for other industrial purposes or discharging into streams receptors that at least does not harm ecosystems. In this thesis we investigate the most modern techniques of advanced oxidation processes for treatment of wastewater from oil refinery and: 1) ozonation, 2) hydrogen peroxide, ozone, and 3) radiation with ozone. The results obtained in this study show that the ozonation process simple, has yielded better results for treating wastewater of this type of oil, so the removal of phenols and organic matter present in the wastewater. In the first phase, with 1 liter of sample was reached in 80% yield COD removal using 5.97 mg/l ozone dosage, with 11 minutes of contact time. Regarding phenols elimination was achieved of 100% with the same dose of ozone and 11 minutes contact time In the second phase, with sample 4 liters was reached in 66% yield using 22.21 COD mg / l ozone dosage, with 15 minutes of contact time and the performance in the removal of phenols was of 90% at the same conditions.

Análisis de la dinámica del impacto. Aplicación al choque de un barco con un puente

La consideración de los efectos producidos por la colisión de un barco con una pila de un puente sobre el Estrecho de Gibraltar constituye una exigencia en un diseño adecuado de la estructura. En efecto, la existencia de un tráfico marítimo interno - con barcos que pueden alcanzar las 500.000 toneladas - las importantes corrientes que se generan en la zona, representan factores que, incluso con un estricta regulación y control de la navegación en el Estrecho, elevan la probabilidad de ocurrencia de este suceso. Sin embargo, una comprobación adecuada de la integridad estructural del puente bajo la acción del choque de un barco debería llevarse a cabo únicamente en estados avanzados del proyecto. Un cálculo de este tipo precisa un esfuerzo computacional muy importante y, por otra parte, las consecuencias del choque, raras veces modifican los parámetros significativos del diseño y su concepción general, y sólo en algunos casos exige la modificación de detalles constructivos y la disposición del pertinente sistema de defensa alrededor de las pilas. En este artículo, se presenta de un modo sucinto la formulación general de la dinámica del impacto, cuya aplicación al caso particular del choque del barco con las defensas de las pilas corresponde a una simple aplicación. Alternativamente, se expone un método aproximado para el estudio estructural de los efectos del impacto. Finalmente, se comentan las posibilidades de aplicación de los procedimientos anteriores a un puente sobre el Estrecho y se dan indicaciones de los programas de computador más importantes que permiten un análisis de este tipo.

Estudio en modelo físico a escala reducida de la viabilidad del empleo de buques fondeados como diques flotantes para abrigo portuario y defensa de costas

Los diques flotantes son estructuras que atenúan la energía del oleaje fundamentalmente por reflexión y turbulencia. Aunque presentan importantes ventajas en términos constructivos y medioambientales, su efectividad es limitada y en la práctica sólo se emplean en condiciones climáticas propias de zonas con oleajes poco energéticos. Por otro lado, el buque es la estructura flotante por excelencia y su empleo para el abrigo portuario y costero en determinadas situaciones puede aportar las ventajas propias de los diques flotantes, al tiempo que ampliar el rango de oleajes frente a los que estas estructuras son efectivas. El propósito de esta Tesis Doctoral es evaluar la viabilidad del empleo de buques fondeados como diques flotantes para el abrigo portuario y costero. Para ello, se han realizado ensayos en modelo físico a escala reducida en un canal de oleaje del Centro de Estudios de Puertos y Costas (CEPYC), con el objeto de determinar los coeficientes de transmisión (Ct), reflexión (Cr) y disipación (Cd) de barcos de diversas tipologías y dimensiones, sometidos a diferentes oleajes en distintas situaciones de carga, fondeo y profundidad del emplazamiento. La efectividad de los buques empleados en los ensayos se ha determinado mediante el análisis de dichos coeficientes y su variación con la altura de ola y el periodo de los oleajes incidentes. Además, se han registrado las fuerzas existentes en las cadenas de fondeo con objeto de comprobar la viabilidad del mismo y facilitar una estimación del diámetro de las cadenas que serían necesarias en cada situación. Posteriormente, se han aplicado los resultados obtenidos en los ensayos en modelo físico reducido a dos situaciones de abrigo portuario y costero. La primera aplicación consiste en el empleo de buques como defensa temporal en fases constructivas por medios marítimos, partiendo de la hipótesis de que, actuando como diques flotantes, puede proteger la zona de la obra y ampliar las ventanas temporales de periodos de actividad en obra marítima. Las actividades que se han analizado son las de dragado de fondos, vertidos de material granular y transporte y fondeo de cajones flotantes para diques y muelles. La segunda aplicación estudiada es el empleo de buques para la protección costera y la formación de salientes y tómbolos. Los coeficientes de transmisión obtenidos se han introducido en formulaciones analíticas que permiten prever la evolución de la costa frente a la protección procurada por el buque actuando como dique flotante exento. Finalmente se han redactado las conclusiones de la investigación y se han propuesto nuevas líneas de investigación relacionadas con esta Tesis Doctoral. Floating breakwaters are structures which attenuate wave energy mainly by reflection and turbulence. They display advantages in terms of construction and ecology, amongst others. However, their use is restricted in practice to certain areas with good climatic conditions and low energy waves. Moreover, ships are the most common floating structures and their use for port and coastal shelter in certain situations could widen the range of applicability in addition to the rest of advantages of floating breakwaters. The purpose of this research is to assess the feasibility of ships anchored as floating breakwaters for port and coastal protection. To that end, tests in a scaled down physical model have been conducted in a wave flume in the Centre of Port and Coastal Studies (CEPYC), in order to determine the transmission (Ct), reflection (Cr) and dissipation (Cd) coefficients of ships of diverse types and dimensions, under different wave, load, anchoring and depth conditions. The effectiveness of the several ships used in the tests has been determined by analyzing these coefficients and their variation with the wave height and period of the incident waves. In addition, the existing forces in the anchor chains have been registered to verify the feasibility of the anchoring systems, as well as to provide an estimation of the diameter of the chains that would be needed in each situation. Subsequently, the results of the tests have been applied to two situations of port and coastal protection. The first one is the use of ships as a temporary defense for maritime works with construction phases by maritime means, on the assumption that, acting as floating breakwaters, they can protect the work area and increase the time windows of periods of activity in maritime works. Dredging, dumping of granular material and transport and positioning of big concrete caissons for docks and breakwaters were the activities analyzed. The second situation is the use of ships for coastal protection and forming salients of sand or tombolos. Some analytical formulations which take into account the transmission coefficients from the tests have been used to predict the evolution of the coastline under the protection given by the ships acting as detached floating breakwaters. Finally, the conclusions of the research have been addressed and the proposal of new lines of work related to the topic has been made.

Predicción del remonte extremo en playas : aplicación a los sectores litorales de la costa española

El remonte extremo o remonte del 2% es un parámetro clave en la ingeniería costera dado que permite acometer actuaciones en las playas bajo criterios de sostenibilidad económico y socioambiental. Estas actuaciones van desde el diseño de estructuras en el trasdós de la playa a planes de actuación urbanística en la costa tal que se determine adecuadamente los límites de dominio público. El adecuado diseño de estas actuaciones adquiere más relevancia hoy en día debido a las nuevas amenazas que se ponen de relieve debido al cambio climático, y que en el caso concreto de la costa se materializa en inundaciones que provocan pérdidas económicas. Estudios precedentes han realizado ensayos in situ o en modelo físico para la determinación del remonte extremo en playas. Al comparar estas formulaciones la dispersión es alta lo que implica que la precisión en la obtención del remonte no sea suficiente. Esta dispersión se justifica debido al amplio espectro de playas existentes y la alta variabilidad del clima marítimo. Este problema cobra más relevancia debido a las actuaciones preventivas o correctivas a acometer frente al cambio climático bajo un criterio de sostenibilidad. Con el fin de realizar actuaciones sostenibles bajo el contexto actual del probable aumento de inundaciones costeras por cambio climático no deben obtenerse ni magnitudes sobredimensionadas con el consecuente consumo de recursos y afección a las actividades económicas, ni magnitudes subestimadas que pongan en riesgo la estabilidad y/o la funcionalidad de las actuaciones para un periodo de diseño. El principal objetivo de esta tesis es proponer una formulación de aplicación en la obtención del remonte extremo tal que se cumplan los criterios de seguridad para el servicio y funcionalidad de la obra y los criterios de sostenibilidad económico y socio-ambiental que se requieren hoy en día. Es decir, una fórmula que no sobredimensione el cálculo de este valor pero que pueda cubrir la casuística que acontece en las distintas tipologías de playas. Complementariamente a este objetivo se ejemplifica la aplicación de estas formulaciones en casos reales tal que se reduzca la incertidumbre y ambigüedad en la obtención de las variables independientes de las formulaciones. Para la consecución de estos objetivos se realiza un estado del arte en el que se estudia tanto los estudios estadísticos en la obtención de este parámetro como los modelos numéricos propuestos para ello, tal que se deduzca la mejor línea de investigación en la consecución del fin de esta tesis. Tras este estudio del arte se concluye que la mejor línea de investigación sigue la vía estadística y se diseña un modelo físico con fondo de arena en contraste con modelos físicos con fondo impermeable fijo. Los resultados de dicho modelo se han comparado con las formulaciones precedentes y se proponen las fórmulas de aplicación más convenientes para la obtención del remonte extremo. Complementariamente a la propuesta de formulaciones se desarrolla una metodología de aplicación de dichas formulaciones a casos de la costa española que ejemplifican convenientemente su uso para una adecuada predicción de este valor en las playas. The extreme runup is a key parameter in coastal management. This parameter allows to develop sustainability actions at the coast that meet economical and environmental criteria. At the coast the actions can be either design of structures at the shore or actions plans delimiting reclamation areas. The climate change has given more relevance to accomplish an appropriate design for the coastal management actions. At the coast the threaten are mainly focused on more frequent floods that cause economic losses. Previous studies have carried out field or physical model experiments to accomplish an equation for the extreme runup prediction. Although dispersion remains high when comparing the different proposals so the accuracy in the prediction might be risky. This scattering comes from the wide sort of beaches and the high variability of the maritime climate. The new actions that are needed to develop to counteract the effects of the climate change need a more efficient criteria. Hence formulations should not overestimate or underestimate the values of the extreme runup. The overestimation implies to consume resources that are not needed and the underestimation means in a structure risk to support safely the loads. The main goal of this thesis is to propose a formulation for the extreme runup prediction so the safety of the structure can be accomplished but at the same time the sustainability of the action is ensured under economical and environmental criteria that are demanded nowadays. So the formulation does not overestimate the extreme value but cover with enough confidence the different sort of beaches. The application of the formulation is also explained in order to reduce uncertainty when the input values are obtained. In order to accomplish the goal of this research firstly a literature review is done. Statistical and numerical models are studied. The statistical model is selected as the most convenient research guideline. In order to obtain runup results a physical model with sand bed is carried out. The bed differs from those that used impermeable slope in previous experiments. Once the results are obtained they are compared with the previous equations and a final formulation is proposed. Finally a methodology to apply the deduced formulation to the Spanish beaches is addressed.

Human-robot interaction for telemanipulation in large workspaces

Independientemente de la existencia de técnicas altamente sofisticadas y capacidades de cómputo cada vez más elevadas, los problemas asociados a los robots que interactúan con entornos no estructurados siguen siendo un desafío abierto en robótica. A pesar de los grandes avances de los sistemas robóticos autónomos, hay algunas situaciones en las que una persona en el bucle sigue siendo necesaria. Ejemplos de esto son, tareas en entornos de fusión nuclear, misiones espaciales, operaciones submarinas y cirugía robótica. Esta necesidad se debe a que las tecnologías actuales no pueden realizar de forma fiable y autónoma cualquier tipo de tarea. Esta tesis presenta métodos para la teleoperación de robots abarcando distintos niveles de abstracción que van desde el control supervisado, en el que un operador da instrucciones de alto nivel en la forma de acciones, hasta el control bilateral, donde los comandos toman la forma de señales de control de bajo nivel. En primer lugar, se presenta un enfoque para llevar a cabo la teleoperación supervisada de robots humanoides. El objetivo es controlar robots terrestres capaces de ejecutar tareas complejas en entornos de búsqueda y rescate utilizando enlaces de comunicación limitados. Esta propuesta incorpora comportamientos autónomos que el operador puede utilizar para realizar tareas de navegación y manipulación mientras se permite cubrir grandes áreas de entornos remotos diseñados para el acceso de personas. Los resultados experimentales demuestran la eficacia de los métodos propuestos. En segundo lugar, se investiga el uso de dispositivos rentables para telemanipulación guiada. Se presenta una aplicación que involucra un robot humanoide bimanual y un traje de captura de movimiento basado en sensores inerciales. En esta aplicación, se estudian las capacidades de adaptación introducidas por el factor humano y cómo estas pueden compensar la falta de sistemas robóticos de alta precisión. Este trabajo es el resultado de una colaboración entre investigadores del Biorobotics Laboratory de la Universidad de Harvard y el Centro de Automática y Robótica UPM-CSIC. En tercer lugar, se presenta un nuevo controlador háptico que combina velocidad y posición. Este controlador bilateral híbrido hace frente a los problemas relacionados con la teleoperación de un robot esclavo con un gran espacio de trabajo usando un dispositivo háptico pequeño como maestro. Se pueden cubrir amplias áreas de trabajo al cambiar automáticamente entre los modos de control de velocidad y posición. Este controlador háptico es ideal para sistemas maestro-esclavo con cinemáticas diferentes, donde los comandos se transmiten en el espacio de la tarea del entorno remoto. El método es validado para realizar telemanipulación hábil de objetos con un robot industrial. Por último, se introducen dos contribuciones en el campo de la manipulación robótica. Por un lado, se presenta un nuevo algoritmo de cinemática inversa, llamado método iterativo de desacoplamiento cinemático. Este método se ha desarrollado para resolver el problema cinemático inverso de un tipo de robot de seis grados de libertad donde una solución cerrada no está disponible. La eficacia del método se compara con métodos numéricos convencionales. Además, se ha diseñado una taxonomía robusta de agarres que permite controlar diferentes manos robóticas utilizando una correspondencia, basada en gestos, entre los espacios de trabajo de la mano humana y de la mano robótica. El gesto de la mano humana se identifica mediante la lectura de los movimientos relativos del índice, el pulgar y el dedo medio del usuario durante las primeras etapas del agarre. ABSTRACT Regardless of the availability of highly sophisticated techniques and ever increasing computing capabilities, the problems associated with robots interacting with unstructured environments remains an open challenge. Despite great advances in autonomous robotics, there are some situations where a humanin- the-loop is still required, such as, nuclear, space, subsea and robotic surgery operations. This is because the current technologies cannot reliably perform all kinds of task autonomously. This thesis presents methods for robot teleoperation strategies at different levels of abstraction ranging from supervisory control, where the operator gives high-level task actions, to bilateral teleoperation, where the commands take the form of low-level control inputs. These strategies contribute to improve the current human-robot interfaces specially in the case of slave robots deployed at large workspaces. First, an approach to perform supervisory teleoperation of humanoid robots is presented. The goal is to control ground robots capable of executing complex tasks in disaster relief environments under constrained communication links. This proposal incorporates autonomous behaviors that the operator can use to perform navigation and manipulation tasks which allow covering large human engineered areas of the remote environment. The experimental results demonstrate the efficiency of the proposed methods. Second, the use of cost-effective devices for guided telemanipulation is investigated. A case study involving a bimanual humanoid robot and an Inertial Measurement Unit (IMU) Motion Capture (MoCap) suit is introduced. Herein, it is corroborated how the adaptation capabilities offered by the human-in-the-loop factor can compensate for the lack of high-precision robotic systems. This work is the result of collaboration between researchers from the Harvard Biorobotics Laboratory and the Centre for Automation and Robotics UPM-CSIC. Thirdly, a new haptic rate-position controller is presented. This hybrid bilateral controller copes with the problems related to the teleoperation of a slave robot with large workspace using a small haptic device as master. Large workspaces can be covered by automatically switching between rate and position control modes. This haptic controller is ideal to couple kinematic dissimilar master-slave systems where the commands are transmitted in the task space of the remote environment. The method is validated to perform dexterous telemanipulation of objects with a robotic manipulator. Finally, two contributions for robotic manipulation are introduced. First, a new algorithm, the Iterative Kinematic Decoupling method, is presented. It is a numeric method developed to solve the Inverse Kinematics (IK) problem of a type of six-DoF robotic arms where a close-form solution is not available. The effectiveness of this IK method is compared against conventional numerical methods. Second, a robust grasp mapping has been conceived. It allows to control a wide range of different robotic hands using a gesture based correspondence between the human hand space and the robotic hand space. The human hand gesture is identified by reading the relative movements of the index, thumb and middle fingers of the user during the early stages of grasping.

Educational activities for a gamified system

The objective of this dissertation is to analyze, design, and implement an activity module for a larger educational platform with the use of gamification techniques with the purpose to improve learning, pass rates, and feedback. The project investigates how to better incentivize student learning. A software requirement specification was delineated to establish the system guidelines and behavior. Following, a definition of the activities in the module was created. This definition encompassed a detailed description of each activity, together with elements that compose it, available customizations and the involved formulas. The activity high-level design process includes the design of the defined activities by use of the software methodology UWE (UML-based Web Engineering) for their future implementation, modeling requirements, content, navigation and presentation. The low-level design is composed of the database schema and types and the relating EER (Enhanced Entity-Relationship) diagram. After this, the implementation of the designed module began, together with testing in the later stages. We expect that by using the implemented activity module, students will become more interested in learning, as well as more engaged in the process, resulting in a continuous progress during the course.---RESUMEN---El objetivo de este trabajo es analizar, diseñar e implementar un módulo de actividades didácticas que formará parte de una plataforma educativa, haciendo uso de técnicas de gamificación con la finalidad de mejorar el aprendizaje, ratio de aprobados y retroalimentación para los alumnos. El proyecto investiga como incentivar mejor el aprendizaje estudiantil. Se trazó una especificación de requisitos de software para establecer las pautas del sistema y su comportamiento. A continuación, se definieron las actividades del módulo. Esta definición abarca una descripción detallada de cada actividad, junto a los elementos que la componen, las configuraciones disponibles y las formulas involucradas. El proceso de diseño de alto nivel incluye el diseño de las actividades definidas usando la metodología de software UWE (UML-based Web Engineering) para su futura implementación, requisitos de modelaje, contenido, navegación y presentación. El diseño de bajo nivel está compuesto por el esquema y tipos de la base de datos y el diagrama de entidad-relación correspondiente. Tras esto se realizó la implementación y pruebas de parte del sistema. Se espera que usando el módulo de actividades implementado, los estudiantes muestren un mayor interés por aprender, así como estar más involucrados en el proceso, resultando en un progreso más continuo durante el curso.