Nueva tecnología para la separación de gases atmosféricos y captura de dióxido de carbono por aplicación de campos electromagnéticos y fotoionización

Son numerosos los expertos que predicen que hasta pasado 2050 no se utilizarán masivamente las energías de origen renovable, y que por tanto se mantendrá la emisión de dióxido de carbono de forma incontrolada. Entre tanto, y previendo que este tipo de uso se mantenga hasta un horizonte temporal aún más lejano, la captura, concentración y secuestro o reutilización de dióxido de carbono es y será una de las principales soluciones a implantar para paliar el problema medioambiental causado. Sin embargo, las tecnologías existentes y en desarrollo de captura y concentración de este tipo de gas, presentan dos limitaciones: las grandes cantidades de energía que consumen y los grandes volúmenes de sustancias potencialmente dañinas para el medioambiente que producen durante su funcionamiento. Ambas razones hacen que no sean atractivas para su implantación y uso de forma extensiva. La solución planteada en la presente tesis doctoral se caracteriza por la ausencia de residuos producidos en la operación de captura y concentración del dióxido de carbono, por no utilizar substancias químicas y físicas habituales en las técnicas actuales, por disminuir los consumos energéticos al carecer de sistemas móviles y por evitar la regeneración química y física de los materiales utilizados en la actualidad. Así mismo, plantea grandes retos a futuras innovaciones sobre la idea propuesta que busquen fundamentalmente la disminución de la energía utilizada durante su funcionamiento y la optimización de sus componentes principales. Para conseguir el objetivo antes citado, la presente tesis doctoral, una vez establecido el planteamiento del problema al que se busca solución (capítulo 1), del estudio de las técnicas de separación de gases atmosféricos utilizadas en la actualidad, así como del de los sistemas fundamentales de las instalaciones de captura y concentración del dióxido de carbono (capítulo 2) y tras una definición del marco conceptual y teórico (capítulo 3), aborda el diseño de un prototipo de ionización fotónica de los gases atmosféricos para su posterior separación electrostática, a partir del estudio, adaptación y mejora del funcionamiento de los sistemas de espectrometría de masas. Se diseñarán y desarrollarán los sistemas básicos de fotoionización, mediante el uso de fuentes de fotones coherentes, y los de separación electrostática (capítulo 4), en que se basa el funcionamiento de este sistema de separación de gases atmosféricos y de captura y concentración de dióxido de carbono para construir un prototipo a nivel laboratorio. Posteriormente, en el capítulo 5, serán probados utilizando una matriz experimental que cubra los rangos de funcionamiento previstos y aporte suficientes datos experimentales para corregir y desarrollar el marco teórico real, y con los que se pueda establecer y corregir un modelo físico– matemático de simulación (capítulo 6) aplicable a la unidad en su conjunto. Finalmente, debido a la utilización de unidades de ionización fotónica, sistemas láseres intensos y sistemas eléctricos de gran potencia, es preciso analizar el riesgo biológico a las personas y al medioambiente debido al impacto de la radiación electromagnética producida (capítulo 7), minimizando su impacto y cumpliendo con la legislación vigente. En el capítulo 8 se planteará un diseño escalable a tamaño piloto de la nueva tecnología propuesta y sus principales modos de funcionamiento, así como un análisis de viabilidad económica. Como consecuencia de la tesis doctoral propuesta y del desarrollo de la unidad de separación atmosférica y de captura y concentración de dióxido de carbono, surgen diversas posibilidades de estudio que pueden ser objeto de nuevas tesis doctorales y de futuros desarrollos de ingeniería. El capítulo 9 tratará de incidir en estos aspectos indicando líneas de investigación para futuras tesis y desarrollos industriales. ABSTRACT A large number of experts predict that until at least 2050 renewable energy sources will not be massively used, and for that reason, current Primary Energy sources based on extensive use of fossil fuel will be used maintaining out of control emissions, Carbon Dioxide above all. Meanwhile, under this scenario and considering its extension until at least 2050, Carbon Capture, Concentration, Storage and/or Reuse is and will be one of the main solutions to minimise Greenhouse Gasses environmental effect. But, current Carbon Capture and Storage technology state of development has two main problems: it is a too large energy consuming technology and during normal use it produces a large volume of environmentally dangerous substances. Both reasons are limiting its development and its extensive use. This Ph Degree Thesis document proposes a solution to get the expected effect using a new atmospheric gasses separation system with the following characteristics: absence of wastes produced, it needs no chemical and/or physical substances during its operation, it reduces to minimum the internal energy consumptions due to absence of mobile equipment and it does not need any chemical and/or physical regeneration of substances. This system is beyond the State of the Art of current technology development. Additionally, the proposed solution raises huge challenges for future innovations of the proposed idea finding radical reduction of internal energy consumption during functioning, as well as regarding optimisation of main components, systems and modes of operation. To achieve this target, once established the main problem, main challenge and potential solving solutions (Chapter 1), it is established an initial starting point fixing the Atmospheric Gasses Separation and Carbon Capture and Storage developments (Chapter 2), as well as it will be defined the theoretical and basic model, including existing and potential new governing laws and mathematical formulas to control its system functioning (Chapter 3), this document will deal with the design of an installation of an operating system based on photonic ionization of atmospheric gasses to be separated in a later separation system based on the application of electrostatic fields. It will be developed a basic atmospheric gasses ionization prototype based on intense radioactive sources capable to ionize gasses by coherent photonic radiation, and a basic design of electrostatic separation system (Chapter 4). Both basic designs are the core of the proposed technology that separates Atmospheric Gasses and captures and concentrates Carbon Dioxide. Chapter 5 will includes experimental results obtained from an experimental testing matrix covering expected prototype functioning regimes. With the obtained experimental data, theoretical model will be corrected and improved to act as the real physical and mathematical model capable to simulate real system function (Chapter 6). Finally, it is necessary to assess potential biological risk to public and environment due to the proposed use of units of intense energy photonic ionization, by laser beams or by non–coherent sources and large electromagnetic systems with high energy consumption. It is necessary to know the impact in terms of and electromagnetic radiation taking into account National Legislation (Chapter 7). On Chapter 8, an up scaled pilot plant will be established covering main functioning modes and an economic feasibility assessment. As a consequence of this PhD Thesis, a new field of potential researches and new PhD Thesis are opened, as well as future engineering and industrial developments (Chapter 9).

Development of a Uniform Theory of Diffraction for Scattered and Surface Electromagnetic Field Analysis on a Cylinder

Con esta tesis ”Desarrollo de una Teoría Uniforme de la Difracción para el Análisis de los Campos Electromagnéticos Dispersados y Superficiales sobre un Cilindro” hemos iniciado una nueva línea de investigación que trata de responder a la siguiente pregunta: ¿cuál es la impedancia de superficie que describe una estructura de conductor eléctrico perfecto (PEC) convexa recubierta por un material no conductor? Este tipo de estudios tienen interés hoy en día porque ayudan a predecir el campo electromagnético incidente, radiado o que se propaga sobre estructuras metálicas y localmente convexas que se encuentran recubiertas de algún material dieléctrico, o sobre estructuras metálicas con pérdidas, como por ejemplo se necesita en determinadas aplicaciones aeroespaciales, marítimas o automovilísticas. Además, desde un punto de vista teórico, la caracterización de la impedancia de superficie de una estructura PEC recubierta o no por un dieléctrico es una generalización de varias soluciones que tratan ambos tipos de problemas por separado. En esta tesis se desarrolla una teoría uniforme de la difracción (UTD) para analizar el problema canónico del campo electromagnético dispersado y superficial en un cilindro circular eléctricamente grande con una condición de contorno de impedancia (IBC) para frecuencias altas. Construir una solución basada en UTD para este problema canónico es crucial en el desarrollo de un método UTD para el caso más general de una superficie arbitrariamente convexa, mediante el uso del principio de localización de los campos electromagnéticos a altas frecuencias. Esta tesis doctoral se ha llevado a cabo a través de una serie de hitos que se enumeran a continuación, enfatizando las contribuciones a las que ha dado lugar. Inicialmente se realiza una revisión en profundidad del estado del arte de los métodos asintóticos con numerosas referencias. As í, cualquier lector novel puede llegar a conocer la historia de la óptica geométrica (GO) y la teoría geométrica de la difracción (GTD), que dieron lugar al desarrollo de la UTD. Después, se investiga ampliamente la UTD y los trabajos más importantes que pueden encontrarse en la literatura. As í, este capítulo, nos coloca en la posición de afirmar que, hasta donde nosotros conocemos, nadie ha intentado antes llevar a cabo una investigación rigurosa sobre la caracterización de la impedancia de superficie de una estructura PEC recubierta por un material dieléctrico, utilizando para ello la UTD. Primero, se desarrolla una UTD para el problema canónico de la dispersión electromagnética de un cilindro circular eléctricamente grande con una IBC uniforme, cuando es iluminado por una onda plana con incidencia oblicua a frecuencias altas. La solución a este problema canónico se construye a partir de una solución exacta mediante una expansión de autofunciones de propagación radial. Entonces, ésta se convierte en una nueva expansión de autofunciones de propagación circunferencial muy apropiada para cilindros grandes, a través de la transformación de Watson. De esta forma, la expresión del campo se reduce a una integral que se evalúa asintóticamente, para altas frecuencias, de manera uniforme. El resultado se expresa según el trazado de rayos descrito en la UTD. La solución es uniforme porque tiene la importante propiedad de mantenerse continua a lo largo de la región de transición, a ambos lados de la superficie del contorno de sombra. Fuera de la región de transición la solución se reduce al campo incidente y reflejado puramente ópticos en la región iluminada del cilindro, y al campo superficial difractado en la región de sombra. Debido a la IBC el campo dispersado contiene una componente contrapolar a causa de un acoplamiento entre las ondas TEz y TMz (donde z es el eje del cilindro). Esta componente contrapolar desaparece cuando la incidencia es normal al cilindro, y también en la región iluminada cuando la incidencia es oblicua donde el campo se reduce a la solución de GO. La solución UTD presenta una muy buena exactitud cuando se compara numéricamente con una solución de referencia exacta. A continuación, se desarrolla una IBC efectiva para el cálculo del campo electromagnético dispersado en un cilindro circular PEC recubierto por un dieléctrico e iluminado por una onda plana incidiendo oblicuamente. Para ello se derivan dos impedancias de superficie en relación directa con las ondas creeping y de superficie TM y TE que se excitan en un cilindro recubierto por un material no conductor. Las impedancias de superficie TM y TE están acopladas cuando la incidencia es oblicua, y dependen de la geometría del problema y de los números de onda. Además, se ha derivado una impedancia de superficie constante, aunque con diferente valor cuando el observador se encuentra en la zona iluminada o en la zona de sombra. Después, se presenta una solución UTD para el cálculo de la dispersión de una onda plana con incidencia oblicua sobre un cilindro eléctricamente grande y convexo, mediante la generalización del problema canónico correspondiente al cilindro circular. La solución asintótica es uniforme porque se mantiene continua a lo largo de la región de transición, en las inmediaciones del contorno de sombra, y se reduce a la solución de rayos ópticos en la zona iluminada y a la contribución de las ondas de superficie dentro de la zona de sombra, lejos de la región de transición. Cuando se usa cualquier material no conductor se excita una componente contrapolar que tiende a desaparecer cuando la incidencia es normal al cilindro y en la región iluminada. Se discuten ampliamente las limitaciones de las fórmulas para la impedancia de superficie efectiva, y se compara la solución UTD con otras soluciones de referencia, donde se observa una muy buena concordancia. Y en tercer lugar, se presenta una aproximación para una impedancia de superficie efectiva para el cálculo de los campos superficiales en un cilindro circular conductor recubierto por un dieléctrico. Se discuten las principales diferencias que existen entre un cilindro PEC recubierto por un dieléctrico desde un punto de vista riguroso y un cilindro con una IBC. Mientras para un cilindro de impedancia se considera una impedancia de superficie constante o uniforme, para un cilindro conductor recubierto por un dieléctrico se derivan dos impedancias de superficie. Estas impedancias de superficie están asociadas a los modos de ondas creeping TM y TE excitadas en un cilindro, y dependen de la posición y de la orientación del observador y de la fuente. Con esto en mente, se deriva una solución UTD con IBC para los campos superficiales teniendo en cuenta las dependencias de la impedancia de superficie. La expansión asintótica se realiza, mediante la transformación de Watson, sobre la representación en serie de las funciones de Green correspondientes, evitando as í calcular las derivadas de orden superior de las integrales de tipo Fock, y dando lugar a una solución rápida y precisa. En los ejemplos numéricos realizados se observa una muy buena precisión cuando el cilindro y la separación entre el observador y la fuente son grandes. Esta solución, junto con el método de los momentos (MoM), se puede aplicar para el cálculo eficiente del acoplamiento mutuo de grandes arrays conformados de antenas de parches. Los métodos propuestos basados en UTD para el cálculo del campo electromagnético dispersado y superficial sobre un cilindro PEC recubierto de dieléctrico con una IBC efectiva suponen un primer paso hacia la generalización de una solución UTD para superficies metálicas convexas arbitrarias cubiertas por un material no conductor e iluminadas por una fuente electromagnética arbitraria. ABSTRACT With this thesis ”Development of a Uniform Theory of Diffraction for Scattered and Surface Electromagnetic Field Analysis on a Cylinder” we have initiated a line of investigation whose goal is to answer the following question: what is the surface impedance which describes a perfect electric conductor (PEC) convex structure covered by a material coating? These studies are of current and future interest for predicting the electromagnetic (EM) fields incident, radiating or propagating on locally smooth convex parts of highly metallic structures with a material coating, or by a lossy metallic surfaces, as for example in aerospace, maritime and automotive applications. Moreover, from a theoretical point of view, the surface impedance characterization of PEC surfaces with or without a material coating represents a generalization of independent solutions for both type of problems. A uniform geometrical theory of diffraction (UTD) is developed in this thesis for analyzing the canonical problem of EM scattered and surface field by an electrically large circular cylinder with an impedance boundary condition (IBC) in the high frequency regime, by means of a surface impedance characterization. The construction of a UTD solution for this canonical problem is crucial for the development of the corresponding UTD solution for the more general case of an arbitrary smooth convex surface, via the principle of the localization of high frequency EM fields. The development of the present doctoral thesis has been carried out through a series of landmarks that are enumerated as follows, emphasizing the main contributions that this work has given rise to. Initially, a profound revision is made in the state of art of asymptotic methods where numerous references are given. Thus, any reader may know the history of geometrical optics (GO) and geometrical theory of diffraction (GTD), which led to the development of UTD. Then, the UTD is deeply investigated and the main studies which are found in the literature are shown. This chapter situates us in the position to state that, as far as we know, nobody has attempted before to perform a rigorous research about the surface impedance characterization for material-coated PEC convex structures via UTD. First, a UTD solution is developed for the canonical problem of the EM scattering by an electrically large circular cylinder with a uniform IBC, when it is illuminated by an obliquely incident high frequency plane wave. A solution to this canonical problem is first constructed in terms of an exact formulation involving a radially propagating eigenfunction expansion. The latter is converted into a circumferentially propagating eigenfunction expansion suited for large cylinders, via the Watson transformation, which is expressed as an integral that is subsequently evaluated asymptotically, for high frequencies, in a uniform manner. The resulting solution is then expressed in the desired UTD ray form. This solution is uniform in the sense that it has the important property that it remains continuous across the transition region on either side of the surface shadow boundary. Outside the shadow boundary transition region it recovers the purely ray optical incident and reflected ray fields on the deep lit side of the shadow boundary and to the modal surface diffracted ray fields on the deep shadow side. The scattered field is seen to have a cross-polarized component due to the coupling between the TEz and TMz waves (where z is the cylinder axis) resulting from the IBC. Such cross-polarization vanishes for normal incidence on the cylinder, and also in the deep lit region for oblique incidence where it properly reduces to the GO or ray optical solution. This UTD solution is shown to be very accurate by a numerical comparison with an exact reference solution. Then, an effective IBC is developed for the EM scattered field on a coated PEC circular cylinder illuminated by an obliquely incident plane wave. Two surface impedances are derived in a direct relation with the TM and TE surface and creeping wave modes excited on a coated cylinder. The TM and TE surface impedances are coupled at oblique incidence, and depend on the geometry of the problem and the wave numbers. Nevertheless, a constant surface impedance is found, although with a different value when the observation point lays in the lit or in the shadow region. Then, a UTD solution for the scattering of an obliquely incident plane wave on an electrically large smooth convex coated PEC cylinder is introduced, via a generalization of the canonical circular cylinder problem. The asymptotic solution is uniform because it remains continuous across the transition region, in the vicinity of the shadow boundary, and it recovers the ray optical solution in the deep lit region and the creeping wave formulation within the deep shadow region. When a coating is present a cross-polar field term is excited, which vanishes at normal incidence and in the deep lit region. The limitations of the effective surface impedance formulas are discussed, and the UTD solution is compared with some reference solutions where a very good agreement is met. And in third place, an effective surface impedance approach is introduced for determining surface fields on an electrically large coated metallic circular cylinder. Differences in analysis of rigorouslytreated coated metallic cylinders and cylinders with an IBC are discussed. While for the impedance cylinder case a single constant or uniform surface impedance is considered, for the coated metallic cylinder case two surface impedances are derived. These are associated with the TM and TE creeping wave modes excited on a cylinder and depend on observation and source positions and orientations. With this in mind, a UTD based method with IBC is derived for the surface fields by taking into account the surface impedance variation. The asymptotic expansion is performed, via the Watson transformation, over the appropriate series representation of the Green’s functions, thus avoiding higher-order derivatives of Fock-type integrals, and yielding a fast and an accurate solution. Numerical examples reveal a very good accuracy for large cylinders when the separation between the observation and the source point is large. Thus, this solution could be efficiently applied in mutual coupling analysis, along with the method of moments (MoM), of large conformal microstrip array antennas. The proposed UTD methods for scattered and surface EM field analysis on a coated PEC cylinder with an effective IBC are considered the first steps toward the generalization of a UTD solution for large arbitrarily convex smooth metallic surfaces covered by a material coating and illuminated by an arbitrary EM source.

Comparativa de las medidas de emisiones electromagnéticas en las normativas europea y americana para teléfonos duales

El objetivo del presente Proyecto Fin de Grado es la realización de una comparativa de los resultados obtenidos en las medidas de SAR (tasa de absorción específica) y potencia utilizando la normativa europea CENELEC (basada en la del IEC) y la americana FCC (basada en la del IEEE) para distintos dispositivos móviles duales. En primer lugar se ha realizado el estudio de sus características de potencia y de SAR, viendo la variación que hay con respecto a las distintas normativas y rangos de frecuencias. En algunos casos, aunque funcionan sin problema alguno en las diferentes bandas, la diferencia de niveles de emisiones obtenidos en las diferentes bandas puede ser notable. Como se ha comentado al comienzo, se han utilizado diferentes dispositivos duales y se realizaron en ellos las medidas pertinentes utilizando las diferentes normativas y el procedimiento indicado en cada una de ellas. Para observar las diferencias concretas que pudieran existir al utilizar las diferentes normativas, las medidas se han realizado en todas las bandas de funcionamiento del dispositivo y para cada una de ellas se han aplicado las diferentes normativas. Con esto se pretende evaluar si pudiera existir alguna discrepancia en los dispositivos que tienen el certificado de conformidad para una norma concreta cuando se utiliza en otra banda que no es exactamente la banda de utilización de esa norma. En resumen, se quería comprobar que un dispositivo que está certificado con la norma de una región, por ejemplo Europa (900 y 1800 MHz), también cumple si se utiliza en otra región, por ejemplo América (850 y 1900 MHz). La realización práctica del presente PFG se ha hecho en las instalaciones del Laboratorio de Radiofrecuencia de la Secretaría de Estado de Telecomunicación y para la Sociedad de la Información ubicado en El Casar (Guadalajara). En concreto se utilizó el robot articulado movible DASY4 y el software para su control DASY 52.8, disponible en el “banco de medida de Campos Electromagnéticos (Sala de SAR)”. La duración estimada del presente PFG ha sido aproximadamente de cuatro meses. Para llevar a cabo el presente PFG, se dispuso de todo tipo de material y recursos puestos a disposición por el Ministerio de Industria, Turismo y Comercio en el propio laboratorio, así como de los distintos terminales móviles duales con los que se realizaron las medidas pertinentes. Como bibliografía básica se han utilizado las diferentes normas indicadas anteriormente, es decir la norma europea CENELEC (basada en la del IEC) y la americana FCC (basada en la del IEEE), así como manuales de los equipos implicados en el bando de medida de SAR: analizadores de redes, robot articulado y software de control, así como el resto de dispositivos utilizados en las medidas. ABSTRACT. The goal of this Final Degree Project is to perform a comparison of the results obtained in SAR measurements (specific absorption rate) and power using the European standards CENELEC (based on IEC Regulation) and the American FCC (based on IEEE Regulation) to different mobile dual devices. If first place it was made the study of its power and SAR features, seeing that there is shift with respect to the different standards and frequency ranges. In some cases, although they work without any problem in different bands, the difference in levels of emissions obtained in the different bands can be significant. As mentioned at the beginning, different dual devices were used and relevant measurements were taken from them using the different standards and the procedure in each one of them. To see the specific differences that may exist when using the different standards, the measurements were made in all bands of the device operation and to each one it has been applied in the different standards. This attempted to assess whether there could be some discrepancy in the devices that have the certificate of compliance to a specify standard when used in another band that is not exactly the used band of this standard. To sum up, it was required to verify that a device which is certified to the standard of a region, for example (900 and 1800 MHz), also verifies if it is used in another region, for example America (850 and 1900 MHz). The practical realization of this Final Degree Project was made in the facilities of the Radio Frequency Laboratory of the Ministry of State for Telecommunications and the Information Society located in El Casar (Guadalajara). Specifically, the movable articulated robot DASY4 was used and the control software DASY 52.8, available in the “Measure Electromagnetic Field testbench (SAR room)”. The duration of this Final Degree Project has benn about four months. To carry out the present project, all kinds of materials and resources were provided by the Ministry of Industry, Tourism and Trade in its own laboratory, as well as the different mobile dual terminals with which relevant measurements were made. As basic references the different standards indicated above has been used, that is to say the European standard CENELEC (based on IEC standard) and the American FCC (based on IEEE standard), as well as the equipment manuals involved in the SAR measure testbench: network analyzers, articulated robot and control software, as well as the rest of the devices used in the measurements.

Wireless communication enhancement methods for mobile robots in radiation environments

En entornos hostiles tales como aquellas instalaciones científicas donde la radiación ionizante es el principal peligro, el hecho de reducir las intervenciones humanas mediante el incremento de las operaciones robotizadas está siendo cada vez más de especial interés. CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, tiene alrededor de unos 50 km de superficie subterránea donde robots móviles controlador de forma remota podrían ayudar en su funcionamiento, por ejemplo, a la hora de llevar a cabo inspecciones remotas sobre radiación en los diferentes áreas destinados al efecto. No solo es preciso considerar que los robots deben ser capaces de recorrer largas distancias y operar durante largos periodos de tiempo, sino que deben saber desenvolverse en los correspondientes túneles subterráneos, tener en cuenta la presencia de campos electromagnéticos, radiación ionizante, etc. y finalmente, el hecho de que los robots no deben interrumpir el funcionamiento de los aceleradores. El hecho de disponer de un sistema de comunicaciones inalámbrico fiable y robusto es esencial para la correcta ejecución de las misiones que los robots deben afrontar y por supuesto, para evitar tales situaciones en las que es necesario la recuperación manual de los robots al agotarse su energía o al perder el enlace de comunicaciones. El objetivo de esta Tesis es proveer de las directrices y los medios necesarios para reducir el riesgo de fallo en la misión y maximizar las capacidades de los robots móviles inalámbricos los cuales disponen de almacenamiento finito de energía al trabajar en entornos peligrosos donde no se dispone de línea de vista directa. Para ello se proponen y muestran diferentes estrategias y métodos de comunicación inalámbrica. Teniendo esto en cuenta, se presentan a continuación los objetivos de investigación a seguir a lo largo de la Tesis: predecir la cobertura de comunicaciones antes y durante las misiones robotizadas; optimizar la capacidad de red inalámbrica de los robots móviles con respecto a su posición; y mejorar el rango operacional de esta clase de robots. Por su parte, las contribuciones a la Tesis se citan más abajo. El primer conjunto de contribuciones son métodos novedosos para predecir el consumo de energía y la autonomía en la comunicación antes y después de disponer de los robots en el entorno seleccionado. Esto es importante para proporcionar conciencia de la situación del robot y evitar fallos en la misión. El consumo de energía se predice usando una estrategia propuesta la cual usa modelos de consumo provenientes de diferentes componentes en un robot. La predicción para la cobertura de comunicaciones se desarrolla usando un nuevo filtro de RSS (Radio Signal Strength) y técnicas de estimación con la ayuda de Filtros de Kalman. El segundo conjunto de contribuciones son métodos para optimizar el rango de comunicaciones usando novedosas técnicas basadas en muestreo espacial que son robustas frente a ruidos de campos de detección y radio y que proporcionan redundancia. Se emplean métodos de diferencia central finitos para determinar los gradientes 2D RSS y se usa la movilidad del robot para optimizar el rango de comunicaciones y la capacidad de red. Este método también se valida con un caso de estudio centrado en la teleoperación háptica de robots móviles inalámbricos. La tercera contribución es un algoritmo robusto y estocástico descentralizado para la optimización de la posición al considerar múltiples robots autónomos usados principalmente para extender el rango de comunicaciones desde la estación de control al robot que está desarrollando la tarea. Todos los métodos y algoritmos propuestos se verifican y validan usando simulaciones y experimentos de campo con variedad de robots móviles disponibles en CERN. En resumen, esta Tesis ofrece métodos novedosos y demuestra su uso para: predecir RSS; optimizar la posición del robot; extender el rango de las comunicaciones inalámbricas; y mejorar las capacidades de red de los robots móviles inalámbricos para su uso en aplicaciones dentro de entornos peligrosos, que como ya se mencionó anteriormente, se destacan las instalaciones científicas con emisión de radiación ionizante. En otros términos, se ha desarrollado un conjunto de herramientas para mejorar, facilitar y hacer más seguras las misiones de los robots en entornos hostiles. Esta Tesis demuestra tanto en teoría como en práctica que los robots móviles pueden mejorar la calidad de las comunicaciones inalámbricas mediante la profundización en el estudio de su movilidad para optimizar dinámicamente sus posiciones y mantener conectividad incluso cuando no existe línea de vista. Los métodos desarrollados en la Tesis son especialmente adecuados para su fácil integración en robots móviles y pueden ser aplicados directamente en la capa de aplicación de la red inalámbrica. ABSTRACT In hostile environments such as in scientific facilities where ionising radiation is a dominant hazard, reducing human interventions by increasing robotic operations are desirable. CERN, the European Organization for Nuclear Research, has around 50 km of underground scientific facilities, where wireless mobile robots could help in the operation of the accelerator complex, e.g. in conducting remote inspections and radiation surveys in different areas. The main challenges to be considered here are not only that the robots should be able to go over long distances and operate for relatively long periods, but also the underground tunnel environment, the possible presence of electromagnetic fields, radiation effects, and the fact that the robots shall in no way interrupt the operation of the accelerators. Having a reliable and robust wireless communication system is essential for successful execution of such robotic missions and to avoid situations of manual recovery of the robots in the event that the robot runs out of energy or when the robot loses its communication link. The goal of this thesis is to provide means to reduce risk of mission failure and maximise mission capabilities of wireless mobile robots with finite energy storage capacity working in a radiation environment with non-line-of-sight (NLOS) communications by employing enhanced wireless communication methods. Towards this goal, the following research objectives are addressed in this thesis: predict the communication range before and during robotic missions; optimise and enhance wireless communication qualities of mobile robots by using robot mobility and employing multi-robot network. This thesis provides introductory information on the infrastructures where mobile robots will need to operate, the tasks to be carried out by mobile robots and the problems encountered in these environments. The reporting of research work carried out to improve wireless communication comprises an introduction to the relevant radio signal propagation theory and technology followed by explanation of the research in the following stages: An analysis of the wireless communication requirements for mobile robot for different tasks in a selection of CERN facilities; predictions of energy and communication autonomies (in terms of distance and time) to reduce risk of energy and communication related failures during missions; autonomous navigation of a mobile robot to find zone(s) of maximum radio signal strength to improve communication coverage area; and autonomous navigation of one or more mobile robots acting as mobile wireless relay (repeater) points in order to provide a tethered wireless connection to a teleoperated mobile robot carrying out inspection or radiation monitoring activities in a challenging radio environment. The specific contributions of this thesis are outlined below. The first sets of contributions are novel methods for predicting the energy autonomy and communication range(s) before and after deployment of the mobile robots in the intended environments. This is important in order to provide situational awareness and avoid mission failures. The energy consumption is predicted by using power consumption models of different components in a mobile robot. This energy prediction model will pave the way for choosing energy-efficient wireless communication strategies. The communication range prediction is performed using radio signal propagation models and applies radio signal strength (RSS) filtering and estimation techniques with the help of Kalman filters and Gaussian process models. The second set of contributions are methods to optimise the wireless communication qualities by using novel spatial sampling based techniques that are robust to sensing and radio field noises and provide redundancy features. Central finite difference (CFD) methods are employed to determine the 2-D RSS gradients and use robot mobility to optimise the communication quality and the network throughput. This method is also validated with a case study application involving superior haptic teleoperation of wireless mobile robots where an operator from a remote location can smoothly navigate a mobile robot in an environment with low-wireless signals. The third contribution is a robust stochastic position optimisation algorithm for multiple autonomous relay robots which are used for wireless tethering of radio signals and thereby to enhance the wireless communication qualities. All the proposed methods and algorithms are verified and validated using simulations and field experiments with a variety of mobile robots available at CERN. In summary, this thesis offers novel methods and demonstrates their use to predict energy autonomy and wireless communication range, optimise robots position to improve communication quality and enhance communication range and wireless network qualities of mobile robots for use in applications in hostile environmental characteristics such as scientific facilities emitting ionising radiations. In simpler terms, a set of tools are developed in this thesis for improving, easing and making safer robotic missions in hostile environments. This thesis validates both in theory and experiments that mobile robots can improve wireless communication quality by exploiting robots mobility to dynamically optimise their positions and maintain connectivity even when the (radio signal) environment possess non-line-of-sight characteristics. The methods developed in this thesis are well-suited for easier integration in mobile robots and can be applied directly at the application layer of the wireless network. The results of the proposed methods have outperformed other comparable state-of-the-art methods.

Tratamiento magnético como técnica estimulante de la germinación de semillas de soja

El campo magnético está presente en la naturaleza y afecta al reino vegetal y animal. El bioelectromagnetismo es el estudio de los efectos de los campos electromagnéticos sobre los sistemas biológicos y sus interacciones con los campos magnéticos naturales y artificiales. Estudios previos han determinado que la aplicación de campos magnéticos modifica la velocidad de germinación y el desarrollo de plantas. La soja constituye uno de los cultivos oleaginosos más importantes del mundo: en las últimas décadas su popularidad se ha incrementado por considerar esta leguminosa como una fuente de salud. Este estudio se centra en el efecto que se puede producir en la germinación de la soja (Glycine max L.) al exponerlo a campos magnéticos estacionarios de 125 mT, 250 mT y 300 mT durante diferentes tiempos de exposición (10¿,20¿, 1 hora, 24 horas y de forma permanente). Se observan diferencias muy significativas tanto en la velocidad de germinación como en el porcentaje de semillas germinadas entre las semillas control y las tratadas. Estos resultados ofrecen nuevas posibilidades para una más efectiva producción vegetal.

Calidad ambiental electromagnética : atenuación de las radiaciones electromagnéticas en los espacios habitados

La perspectiva del arquitecto en calidad ambiental, y salud en un contexto sostenible, se amplía al considerar las radiaciones electromagnéticas no ionizantes en el diseño arquitectónico. En ese sentido, además del confort higrotérmico, acústico, lumínico y de la calidad del aire, se podría considerar el confort electromagnético de un lugar. Dado que existe gran controversia en cuales han de ser los límites de exposición a radiaciones electromagnéticas no ionizantes, establezco como punto de referencia los valores límite más restrictivos, que son los recomendados por la norma SBM-2008, desarrollada por el Institut für Baubiologie & Oekologie Neubeuern (IBN)1. Se plantean como hipótesis que podemos modificar el entorno electromagnético con materiales de construcción y geometría; y que determinados trazados geométricos tienen la capacidad de reducir el impacto de los campos electromagnéticos sobre los organismos vivos. El objetivo consiste en demostrar experimentalmente que podemos trabajar sobre la calidad ambiental electromagnética de un espacio, a través de la elección de materiales de construcción y trazados geométricos, intentando demostrar que existe una relación causa - efecto entre ambos. La metodología plantea tres aproximaciones experimentales, cada una con un tipo de radiación electromagnética, pues se pretende abarcar las situaciones que comúnmente se pueden presentar en un entorno habitado, ya sea urbano o rural. La primera aproximación trata sobre las alteraciones del campo geomagnético natural (nT / m) provocadas por los materiales de construcción. Utilizo el geomagnetómetro BPM 2010, para realizar un ensayo con cuatro tipos de materiales de distinta procedencia: origen vegetal muy poco procesado (corcho aglomerado negro) y más procesado (OSB), origen derivado del petróleo (tablero rígido de poliuretano) y de origen mineral metálico (chapa minionda). De la lectura de los datos se observa relación causa-efecto entre los materiales de construcción estudiados y las modificaciones que pueden ejercer sobre el campo magnético de un lugar. A continuación se estudia el entorno de radiación electromagnética artificial a baja frecuencia (3 Hz a 3 kHz) y a alta frecuencia, (800 MHz a 10 GHz) en vivienda y en oficina utilizando unas geometrías concretas: las tarjetas de corrección de radiaciones. Estas tarjetas se ubican en paramentos verticales y horizontales de un espacio sometido a radiación propia de un entorno urbano. Se concluye que en una habitación inciden múltiples variables simultáneas muy difíciles de trabajar por separado y que aparentemente no se pueden identificar cambios significativos en las mediciones con y sin las tarjetas de corrección de radiaciones. A continuación estudio el entorno de radiación electromagnética artificial a baja frecuencia asociada a la red de distribución eléctrica. Para poder ver cómo este entorno electromagnético lo podemos modificar, utilizo las tarjetas de corrección de radiaciones ubicadas en relación directa con organismos vivos, por un lado germinados de semillas de haba mungo sometidas a campos electromagnéticos complejos a alta y baja frecuencia, propios de una oficina; y por otro lado germinados de semillas de haba mungo, sometidas a campos electromagnéticos puros a 50 Hz, sin influencias de radiación a alta frecuencia. Se concluye que se observa relación causa - efecto entre los trazados geométricos estudiados y su capacidad para reducir el impacto de los campos electromagnéticos a altas y bajas frecuencias sobre las semillas de haba mungo. También utilizo las tarjetas de corrección de radiaciones en un ensayo normalizado en el laboratorio de bioelectromagnetismo del Hospital Universitario Ramón y Cajal, con células de neuroblastoma humano. Se concluye que se observa relación causa - efecto entre los trazados geométricos estudiados y su capacidad para reducir el impacto de los campos electromagnéticos de 50 Hz Y 100 μT sobre células de neuroblastoma humano y además disminuyen la velocidad de proliferación celular respecto del grupo de células de control. Finalmente se estudia el entorno de radiación electromagnética artificial a alta frecuencia, asociado a comunicaciones inalámbricas. Para ello realizo simulaciones con el software CST Studio, sobre las tarjetas de corrección de radiaciones a alta frecuencia. A la luz de los datos se observa relación causa - efecto entre el trazado geométrico estudiado y su capacidad para reducir radiaciones electromagnéticas de alta frecuencia. Se comprueba además que, las tarjetas de corrección de radiaciones disminuyen la intensidad de la radiación acercándose a los límites de exposición establecidos por el instituto de la biología de la construcción alemán, que podrían estar señalando los estándares de biocompatibilidad. ABSTRACT The perspective of the architect in environmental quality, and health in a sustainable context is extended to consider non-ionizing electromagnetic radiation in architectural design. In that sense, besides the hygrothermal, acoustic, lighting and air quality comfort, the electromagnetic comfort of an indoor space could be considered. There is still great controversy about which should be the limits of exposure to nonionizing electromagnetic radiation, as a benchmark, the more restrictive limits are considered, by the SBM- 2008 standard, developed by the Institut für Baubiologie & Oekologie Neubeuern (IBN). The hypotheses that arise are the following: the electromagnetic environment can be modified by using certain construction materials and geometry; and certain geometric design have the ability to reduce the impact of electromagnetic fields on living organisms. The aim is to demonstrate experimentally that we can work on electromagnetic environmental quality of a indoor space, by using certain construction materials and geometric design, trying to demonstrate a cause - effect relationship between them. The methodology raises three experimental approaches, each with a type of radiation, it is intend to cover situations commonly may occur in an inhabited environment, whether urban or rural. The first approach discusses the alteration of the natural magnetic field (nT / m) caused by the building materials. Geomagnetometre BPM 2010 is used for conducting a test with four types of materials from different sources: vegetable origin less processing (black agglomerate cork) and vegetable origin more processed (OSB), petroleum origin (rigid polyurethane board) and metallic origin (miniwave plate). It is observed across the data information that exist cause-effect relationship between the construction materials studied and the modifications that they can exercise on the magnetic field of a place. Then I study the environment of artificial electromagnetic radiation at low frequency (3 Hz to 3 kHz) and high frequency (800 MHz to 10 GHz) in housing and office, using some specific geometries: correcting radiation cards. These cards are placed in vertical and horizontal surfaces of an indoor space concerned by radiation. I conclude that an indoor space is affected by multiple simultaneous variables difficult to work separately and apparently it is not possible identify significant changes in measurements with and without correcting radiation cards. Then the artificial electromagnetic environment of low-frequency radiation associated with the electricity distribution network is studied. To see how the electromagnetic environment can be changed, correcting radiation cards are placed directly related to living organisms. On one hand, mung bean seeds subject to complex electromagnetic fields at low and high frequency, typical of an office; and on the other hand mung bean seeds, subjected to pure electromagnetic fields at 50 Hz, no influenced by high frequency radiation. It is observed that exist cause-effect relationship between the geometric design and their ability to reduce the impact of electromagnetic fields at high and low frequencies that arrives on on mung bean seeds. The correcting radiation cards were also used in a standard test in the bioelectromagnetics laboratory of Ramón y Cajal University Hospital, on human neuroblastoma cells. It is observed that exist cause-effect relationship between the geometric design and their ability to reduce the impact of electromagnetic fields at 50 Hz and 100 μT on human neuroblastoma cells and also decrease the rate of cell proliferation compared to the group of cells control. Finally the artificial electromagnetic radiation environment at high frequency associated with wireless communications was studied. Simulations with CST Study software were made to determine the behavior of correcting radiation cards in high-frequency. It is observed across the data information that exist causeeffect relationship between the geometric design and the ability to reduce the levels of high-frequency electromagnetic radiation. It also checks that radiation correcting cards decrease the intensity of radiation approaching exposure limits established by Institut für Baubiologie & Oekologie Neubeuern (IBN), which could be signaling biocompatibility standards.

Problemas de Campos y Ondas en Telecomunicación

Problemas de campos y ondas en telecomunicación con soluciones.

La presa de Campos del Paraíso. Cabecera de la red de abastecimiento de la Llanura Manchega

La presa de Campos del Paraíso (Cuenca), recientemente construida, es el órgano de regulación y distribución de los recursos suministrados por el Acueducto Tajo-Segura para abastecimiento de la Llanura Manchega. De ella parte una importante red de conducciones de más de 1.000 km de longitud, con la que se abastecerá a más de 100 núcleos urbanos, con una población global de unos 800.000 habitantes. Tiene este embalse encomendadas dos misiones importantes, una cotidiana consistente en regular los volúmenes de agua que ha de servir a la Llanura Manchega y otra de seguridad como receptor en emergencia del vaciado del Acueducto Tajo- Segura. El emplazamiento tiene la singularidad geológica de la existencia, bajo la plana aluvial del vaso, de capas subhorizontales de brechas calcáreas cretácicas permeables, lo que ha precisado ajustar su diseño a este condicionante para evitar pérdidas de agua por infiltración. En este artículo se describe el alcance de la actuación, el diseño estructural de esta presa de materiales sueltos, la solución dada a la impermeabilización del embalse, los detalles constructivos del sistema hidráulico (tomas, desagües y aliviadero) y la repercusión que esta obra tiene sobre la seguridad funcional del Acueducto Tajo-Segura

Recuperación secundaria en campos de petróleo y su conversión en almacenamientos subterráneos de gas natural

El objetivo de este proyecto es estudiar la recuperación secundaria de petróleo de la capa sureste Ayoluengo del campo Ayoluengo, Burgos (España), y su conversión en un almacenamiento subterráneo de gas. La capa Ayoluengo se ha considerado como una capa inclinada de 60 km por 10 km de superficie por 30 m de espesor en el que se han perforado 20 pozos, y en donde la recuperación primaria ha sido de un 19%. Se ha realizado el ajuste histórico de la recuperación primaria de gas, petróleo y agua de la capa desde el año 1965 al 2011. La conversión a almacenamiento subterráneo de gas se ha realizado mediante ciclos de inyección de gas, de marzo a octubre, y extracción de gas, de noviembre a febrero, de forma que se incrementa la presión del campo hasta alcanzar la presión inicial. El gas se ha inyectado y extraído por 5 pozos situados en la zona superior de la capa. Al mismo tiempo, se ha realizado una recuperación secundaria debido a la inyección de gas natural de 20 años de duración en donde la producción de petróleo se realiza por 14 pozos situados en la parte inferior de la capa. Para proceder a la simulación del ajuste histórico, conversión en almacenamiento y recuperación secundaria se utilizó el simulador Eclipse100. Los resultados obtenidos fueron una recuperación secundaria de petróleo de un 9% más comparada con la primaria. En cuanto al almacenamiento de gas natural, se alcanzó la presión inicial consiguiendo un gas útil de 300 Mm3 y un gas colchón de 217,3 Mm3. ABSTRACT The aim of this project is to study the secondary recovery of oil from the southeast Ayoluengo layer at the oil field Ayoluengo, Burgos (Spain), and its conversion into an underground gas storage. The Ayoluengo layer is an inclined layer of 60 km by 10km of area by 30 m gross and with 20 wells, which its primary recovery is of 19%. The history matching of the production of oil, gas and water has been carried out from the year 1965 until 2011. The conversion into an underground gas storage has been done in cycles of gas injection from March to October, and gas extraction from November to February, so that the reservoir pressure increases until it gets to the initial pressure. The gas has been injected and extracted through five well situated in the top part of the layer. At the same time, the secondary recovery has occurred due to de injection of natural gas during 20 years where the production of oil has been done through 14 wells situated in the lowest part of the layer. To proceed to the simulation of the history match, the conversion into an underground gas storage and its secondary recovery, the simulator used was Eclipse100. The results were a secondary recovery of oil of 9% more, compared to the primary recovery and concerning the underground gas storage, the initial reservoir pressure was achieved with a working gas of 300 Mm3 and a cushion gas of 217,3 Mm3.

Estudio informativo variante San Martín de Valderaduey. CL-612, de Villamartín de Campos (N-610) a Zamora (N-630)

El presente Estudio tiene como fin primordial, la construcción de una Variante de trazado de la carretera CL-612 a su paso por la localidad de San Martín de Valderaduey, evitando así la travesía actual que presenta la CL-612 entre dicho núcleo y el de Villárdiga. Esta nueva variante exige para su realización la disposición de una estructura de tipo puente sobre el cauce del río Valderaduey, por lo que se plantean alternativas que circunvalen de manera global ambas localidades.

Cimentación de la presa de Campos del Paraíso y corrección de la permeabilidad del vaso

El embalse de Campos del Paraíso está ubicado en terrenos con áreas permeables heterogéneas. El agua almacenada tiene un valor añadido importante, ya que procede del Acueducto Tajo-Segura, por lo que asegurar la estanqueidad ha sido un aspecto técnico prioritario de la obra. El sellado global se ha hecho mediante un tapiz de arcilla. Para ello se ha realizado una investigación profunda de las características geotécnicas del vaso, una preparación cuidada del soporte de apoyo de la arcilla, y se han establecido una serie de protecciones para evitar la erosión del tapiz.

Problemas de Campos y Ondas en Telecomunicación

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Chozos y casetas en el corazón de Castilla. Del barro a la piedra en Tierra de Campos y Montes Torozos

Con esta obra se expone la investigación realizada durante más de tres años sobre las construcciones rurales de la arquitectura popular del centro de Castilla y León, poniendo de manifiesto el ingenio y la destreza de aquellos pobladores del campo que tan sabiamente emplearon los materiales autóctonos para levantar elementos que, con enorme eficacia, facilitaban la vida laboral de pastores y labradores. En este trabajo se analizan, clasifican y caracterizan estas pequeñas edificaciones, denominadas como "chozos y casetas", desde puntos de vista completamente arquitectónicos (procesos de elaboración y manipulación de los materiales, sistemas constructivos desarrollados en la ejecución de cada parte edificada, equilibrio estructural, comportamiento bioclimático, etc.). Además se elabora un catálogo de las construcciones estudiadas como manera de proteger este patrimonio vernáculo próximo a desaparecer. Finalmente se presenta el camino para la recuperación de una de las edificaciones de mayor interés como manera de poner en práctica todo lo aprendido en el desarrollo previo.

Del barro a la piedra en la arquitectura rural auxiliar. Chozos y casetas en Tierra de Campos y Montes Torozos.

Uno de los aspectos más influyentes y determinantes que existen en la arquitectura vernácula es, además de las tendencias constructivas tradicionales y del clima de cada lugar, el material dominante que el propio terreno proporciona a los maestros artesanales que tan sabiamente disponen en los espacios rurales para levantar aquellas edificaciones que han ayudado durante tantos años a desarrollar las actividades del campo. La región de Tierra de Campos está dominada por el barro, mientras que en la comarca de Montes Torozos lo hace la piedra caliza. Ambas ofrecen todavía numerosas muestras de construcciones humildes y utilitarias que se han integrado en el paisaje, como singular seña de identidad de la región. Sin embargo, el abandono de la población, y el cambio en las técnicas del trabajo del campo, están favoreciendo la pérdida de muchas construcciones y, con ellas, parte de la materialidad de la memoria histórica de la zona. Es necesario llamar la atención sobre esta pérdida patrimonial, y aprovechar las construcciones que permanecen para estudiar sus valores y conocer sus técnicas constructivas. Gracias a varias expediciones realizadas por estas dos áreas en los últimos tres años, se ha podido apreciar que ambas regiones ofrecen soluciones tipológicas similares para estas construcciones, generalmente abovedas o cupuliformes, a pesar de sus diferentes características naturales (topográficas, geológicas, etc…). Observamos también una serie de elementos que nos hacen pensar que entre ambas zonas se han producido influencias y trasvases importantes a la hora de edificar, lo que ha permitido a ambas tradiciones (la de construir con tierra y la de construir con piedra) beneficiarse técnicamente y enriquecerse artísticamente. Tras el análisis de las más de cien edificaciones de este tipo, podemos asegurar que la polaridad existente entre dos materiales muy diferentes, y bien característicos para cada una de estas dos comarcas, no está radicalmente diferenciada, sino que existe una graduación entre la construcción de piedra y barro, de tipo mixto y localizada en la franja limítrofe entre ambas, que es digna de estudio y que puede ayudarnos en una clasificación evolutiva. En esta comunicación se presenta una descripción tipológica de las construcciones rurales auxiliares conocidas como chozos y casetas, en función de la composición formal y del material dominante, y se marcan los principales valores arquitectónicos que singularizan la importancia de este patrimonio rural en vías de desaparición. Se hace especial énfasis en la tecnología constructiva, hasta ahora insuficientemente descrita. Grandes trabajos como los realizados por Carlos Flores o Luis Feduchi, u otros más contemporáneos como los de Carlos Carricajo, García Grinda o Alonso Ponga, han puesto de manifiesto la importancia de estos elementos para la arquitectura tradicional de Castilla y León. Sin embargo, no se han producido grandes observaciones ni estudios profundos en esta línea, por lo que el trabajo realizado cubre un vacío del conocimiento de la arquitectura popular castellanoleonesa.

Problemas de Campos y Ondas en Telecomunicación

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