Fracture strength of drilled wafers: study of the stress concentration factor and determination of the weibull distribution of the fracture stress

In the photovoltaic field, the back contact solar cells technology has appeared as an alternative to the traditional silicon modules. This new type of cells places both positive and negative contacts on the back side of the cells maximizing the exposed surface to the light and making easier the interconnection of the cells in the module. The Emitter Wrap-Through solar cell structure presents thousands of tiny holes to wrap the emitter from the front surface to the rear surface. These holes are made in a first step over the silicon wafers by means of a laser drilling process. This step is quite harmful from a mechanical point of view since holes act as stress concentrators leading to a reduction in the strength of these wafers. This paper presents the results of the strength characterization of drilled wafers. The study is carried out testing the samples with the ring on ring device. Finite Element models are developed to simulate the tests. The stress concentration factor of the drilled wafers under this load conditions is determined from the FE analysis. Moreover, the material strength is characterized fitting the fracture stress of the samples to a three-parameter Weibull cumulative distribution function. The parameters obtained are compared with the ones obtained in the analysis of a set of samples without holes to validate the method employed for the study of the strength of silicon drilled wafers.

Optimum adhesive thickness in structural adhesives joints using statistical techniques base on Weibull distribution

The geometrical factors defining an adhesive joint are of great importance as its design greatly conditions the performance of the bonding. One of the most relevant geometrical factors is the thickness of the adhesive as it decisively influences the mechanical properties of the bonding and has a clear economic impact on the manufacturing processes or long runs. The traditional mechanical joints (riveting, welding, etc.) are characterised by a predictable performance, and are very reliable in service conditions. Thus, structural adhesive joints will only be selected in industrial applications demanding mechanical requirements and adverse environmental conditions if the suitable reliability (the same or higher than the mechanical joints) is guaranteed. For this purpose, the objective of this paper is to analyse the influence of the adhesive thickness on the mechanical behaviour of the joint and, by means of a statistical analysis based on Weibull distribution, propose the optimum thickness for the adhesive combining the best mechanical performance and high reliability. This procedure, which is applicable without a great deal of difficulty to other joints and adhesives, provides a general use for a more reliable use of adhesive bondings and, therefore, for a better and wider use in the industrial manufacturing processes.

Estimadores bayesianos de la fiabilidad con muestreo censurado

El estudio de la fiabilidad de componentes y sistemas tiene gran importancia en diversos campos de la ingenieria, y muy concretamente en el de la informatica. Al analizar la duracion de los elementos de la muestra hay que tener en cuenta los elementos que no fallan en el tiempo que dure el experimento, o bien los que fallen por causas distintas a la que es objeto de estudio. Por ello surgen nuevos tipos de muestreo que contemplan estos casos. El mas general de ellos, el muestreo censurado, es el que consideramos en nuestro trabajo. En este muestreo tanto el tiempo hasta que falla el componente como el tiempo de censura son variables aleatorias. Con la hipotesis de que ambos tiempos se distribuyen exponencialmente, el profesor Hurt estudio el comportamiento asintotico del estimador de maxima verosimilitud de la funcion de fiabilidad. En principio parece interesante utilizar metodos Bayesianos en el estudio de la fiabilidad porque incorporan al analisis la informacion a priori de la que se dispone normalmente en problemas reales. Por ello hemos considerado dos estimadores Bayesianos de la fiabilidad de una distribucion exponencial que son la media y la moda de la distribucion a posteriori. Hemos calculado la expansion asint6tica de la media, varianza y error cuadratico medio de ambos estimadores cuando la distribuci6n de censura es exponencial. Hemos obtenido tambien la distribucion asintotica de los estimadores para el caso m3s general de que la distribucion de censura sea de Weibull. Dos tipos de intervalos de confianza para muestras grandes se han propuesto para cada estimador. Los resultados se han comparado con los del estimador de maxima verosimilitud, y con los de dos estimadores no parametricos: limite producto y Bayesiano, resultando un comportamiento superior por parte de uno de nuestros estimadores. Finalmente nemos comprobado mediante simulacion que nuestros estimadores son robustos frente a la supuesta distribuci6n de censura, y que uno de los intervalos de confianza propuestos es valido con muestras pequenas. Este estudio ha servido tambien para confirmar el mejor comportamiento de uno de nuestros estimadores. SETTING OUT AND SUMMARY OF THE THESIS When we study the lifetime of components it's necessary to take into account the elements that don't fail during the experiment, or those that fail by reasons which are desirable to exclude from consideration. The model of random censorship is very usefull for analysing these data. In this model the time to failure and the time censor are random variables. We obtain two Bayes estimators of the reliability function of an exponential distribution based on randomly censored data. We have calculated the asymptotic expansion of the mean, variance and mean square error of both estimators, when the censor's distribution is exponential. We have obtained also the asymptotic distribution of the estimators for the more general case of censor's Weibull distribution. Two large-sample confidence bands have been proposed for each estimator. The results have been compared with those of the maximum likelihood estimator, and with those of two non parametric estimators: Product-limit and Bayesian. One of our estimators has the best behaviour. Finally we have shown by simulation, that our estimators are robust against the assumed censor's distribution, and that one of our intervals does well in small sample situation.

A methodology for territorial distribution of CO2 emission reductions in transport sector

Greenhouse gas emission reduction is the pillar of the Kyoto Protocol and one of the main goals of the European Union (UE) energy policy. National reduction targets for EU member states and an overall target for the EU-15 (8%) were set by the Kyoto Protocol. This reduction target is based on emissions in the reference year (1990) and must be reached by 2012. EU energy policy does not set any national targets, only an overall reduction target of 20% by 2020. This paper transfers global greenhouse gas emission reduction targets in both these documents to the transport sector and specifically to CO2 emissions. It proposes a nonlinear distribution method with objective, dynamic targets for reducing CO2 emissions in the transport sector, according to the context and characteristics of each geographical area. First, we analyse CO2 emissions from transport in the reference year (1990) and their evolution from 1990 to 2007. We then propose a nonlinear methodology for distributing dynamic CO2 emission reduction targets. We have applied the proposed distribution function for 2012 and 2020 at two territorial levels (EU member states and Spanish autonomous regions). The weighted distribution is based on per capita CO2 emissions and CO2 emissions per gross domestic product. Finally, we show the weighted targets found for each EU member state and each Spanish autonomous region, compare them with the real achievements to date, and forecast the situation for the years the Kyoto and EU goals are to be met. The results underline the need for ?weighted? decentralised decisions to be made at different territorial levels with a view to achieving a common goal, so relative convergence of all the geographical areas is reached over time. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.

Estudio de las propiedades mecánicas de obleas de silicio

En esta tesis se propone un procedimiento para evaluar la resistencia mecánica de obleas de silicio cristalino y se aplica en diferentes casos válidos para la industria. En el sector de la industria fotovoltaica predomina la tecnología basada en paneles de silicio cristalino. Estos paneles están compuestos por células solares conectadas en serie y estas células se forman a partir de obleas de silicio. Con el objetivo de disminuir el coste del panel, en los últimos años se ha observado una clara tendencia a la reducción del espesor de las obleas. Esta reducción del espesor modifica la rigidez de las obleas por lo que ha sido necesario modificar la manera tradicional de manipularlas con el objetivo de mantener un bajo ratio de rotura. Para ello, es necesario conocer la resistencia mecánica de las obleas. En la primera parte del trabajo se describen las obleas de silicio, desde su proceso de formación hasta sus propiedades mecánicas. Se muestra la influencia de la estructura cristalográfica en la resistencia y en el comportamiento ya que el cristal de silicio es anisótropo. Se propone también el método de caracterización de la resistencia. Se utiliza un criterio probabilista basado en los métodos de dimensionamiento de materiales frágiles en el que la resistencia queda determinada por los parámetros de la ley de Weibull triparamétrica. Se propone el procedimiento para obtener estos parámetros a partir de campañas de ensayos, modelización numérica por elementos finitos y un algoritmo iterativo de ajuste de los resultados. En la segunda parte de la tesis se describen los diferentes tipos de ensayos que se suelen llevar a cabo con este material. Se muestra además, para cada uno de los ensayos descritos, un estudio comparativo de diferentes modelos de elementos finitos simulando los ensayos. Se comparan tanto los resultados aportados por cada modelo como los tiempos de cálculo. Por último, se presentan tres aplicaciones diferentes donde se ha aplicado este procedimiento de estudio. La primera aplicación consiste en la comparación de la resistencia mecánica de obleas de silicio en función del método de crecimiento del lingote. La resistencia de las tradicionales obleas monocristalinas obtenidas por el método Czochralski y obleas multicristalinas es comparada con las novedosas obleas quasi-monocristalinas obtenidas por métodos de fundición. En la segunda aplicación se evalúa la profundidad de las grietas generadas en el proceso de corte del lingote en obleas. Este estudio se realiza de manera indirecta: caracterizando la resistencia de grupos de obleas sometidas a baños químicos de diferente duración. El baño químico reduce el espesor de las obleas eliminando las capas más dañadas. La resistencia de cada grupo es analizada y la comparación permite obtener la profundidad de las grietas generadas en el proceso de corte. Por último, se aplica este procedimiento a un grupo de obleas con características muy especiales: obleas preparadas para formar células de contacto posterior EWT. Estas obleas presentan miles de agujeros que las debilitan considerablemente. Se aplica el procedimiento de estudio propuesto con un grupo de estas obleas y se compara la resistencia obtenida con un grupo de referencia. Además, se propone un método simplificado de estudio basado en la aplicación de una superficie de intensificación de tensiones. ABSTRACT In this thesis, a procedure to evaluate the mechanical strength of crystalline silicon wafers is proposed and applied in different studies. The photovoltaic industry is mainly based on crystalline silicon modules. These modules are composed of solar cells which are based on silicon wafers. Regarding the cost reduction of solar modules, a clear tendency to use thinner wafers has been observed during last years. Since the stiffness varies with thickness, the manipulation techniques need to be modified in order to guarantee a low breakage rate. To this end, the mechanical strength has to be characterized correctly. In the first part of the thesis, silicon wafers are described including the different ways to produce them and the mechanical properties of interest. The influence of the crystallographic structure in the strength and the behaviour (the anisotropy of the silicon crystal) is shown. In addition, a method to characterize the mechanical strength is proposed. This probabilistic procedure is based on methods to characterize brittle materials. The strength is characterized by the values of the three parameters of the Weibull cumulative distribution function (cdf). The proposed method requires carrying out several tests, to simulate them through Finite Element models and an iterative algorithm in order to estimate the parameters of the Weibull cdf. In the second part of the thesis, the different types of test that are usually employed with these samples are described. Moreover, different Finite Element models for the simulation of each test are compared regarding the information supplied by each model and the calculation times. Finally, the method of characterization is applied to three examples of practical applications. The first application consists in the comparison of the mechanical strength of silicon wafers depending on the ingot growth method. The conventional monocrystalline wafers based on the Czochralski method and the multicrystalline ones are compared with the new quasi-monocrystalline substrates. The second application is related to the estimation of the crack length caused by the drilling process. An indirect way is used to this end: several sets of silicon wafers are subjected to chemical etchings of different duration. The etching procedure reduces the thickness of the wafers removing the most damaged layers. The strength of each set is obtained by means of the proposed method and the comparison permits to estimate the crack length. At last, the procedure is applied to determine the strength of wafers used for the design of back-contact cells of type ETW. These samples are drilled in a first step resulting in silicon wafers with thousands of tiny holes. The strength of the drilled wafers is obtained and compared with the one of a standard set without holes. Moreover, a simplified approach based on a stress intensification surface is proposed.

Caracterización probabilística de vidrio mediante diferentes tipos de ensayos

El vidrio no puede ser tratado como un material estructural convencional desde el punto de vista de la resistencia mecánica. Su naturaleza, como material frágil, junto con la inevitable presencia de microfisuras en su superficie y las consecuencias de accidentes por posibles fallos, exigen métodos rigurosos que garanticen un cálculo seguro de los elementos estructurales de vidrio, cuya resistencia a rotura depende en gran medida del tamaño del elemento y del tipo de carga a la que está sometido. Por lo tanto, su cálculo debe basarse en conceptos probabilísticos y en criterios de mecánica de la fractura, en sustitución de un cálculo convencional de vidrio según tablas deducidas de programas experimentales y posterior aplicación del concepto de tensiones admisibles. Con el fin de analizar y comparar las características mecánicas de vidrios templados, termoendurecidos y recocidos, se realizó un amplio programa experimental de ensayos de flexión a cuatro puntos y de anillos concéntricos de pequeña superficie, seguido de un ajuste de los resultados mediante una función de distribución triparamétrica de Weibull. Glass cannot be handled as a conventional structural material from the point of view of the mechanical strength. Its nature as brittle material, together with the inevitable presence of micro-cracks on its surface and the consequences of eventual failures, demand rigorous methods to achieve a safe design for glass elements, whose stress resistance is very much dependent on the integrity of its surface, element size and loading pattern. Thus, its design must rely on probabilistic concepts and fracture mechanics criteria, substitutive of the conventional glass design based on charts derived from experimental programs and subsequent application of the admissible stress concept. In order to analyze and compare the strength characteristics of tempered, heat-strengthened and annealed glass, a large experimental programme based on four-point bending and coaxial double ring tests was performed and the results were fitted using a three-parameter Weibull cumulative distribution function.

Analysis of the Mechanical Properties of Multicrystalline and Monocrystalline Silicon Wafers Manufactured by Casting Methods

Quasi-monocrystalline silicon wafers have appeared as a critical innovation in the PV industry, joining the most favourable characteristics of the conventional substrates: the higher solar cell efficiencies of monocrystalline Czochralski-Si (Cz-Si) wafers and the lower cost and the full square-shape of the multicrystalline ones. However, the quasi-mono ingot growth can lead to a different defect structure than the typical Cz-Si process. Thus, the properties of the brand-new quasi-mono wafers, from a mechanical point of view, have been for the first time studied, comparing their strength with that of both Cz-Si mono and typical multicrystalline materials. The study has been carried out employing the four line bending test and simulating them by means of FE models. For the analysis, failure stresses were fitted to a three-parameter Weibull distribution. High mechanical strength was found in all the cases. The low quality quasi-mono wafers, interestingly, did not exhibit critical strength values for the PV industry, despite their noticeable density of extended defects.

Economic analysis of drought risks: an application to irrigated agriculture in Spain

Abstract This paper describes a two-part methodology for managing the risk posed by water supply variability to irrigated agriculture. First, an econometric model is used to explain the variation in the production value of irrigated agriculture. The explanatory variables include an index of irrigation water availability (surface storage levels), a price index representative of the crops grown in each geographical unit, and a time variable. The model corrects for autocorrelation and it is applied to 16 representative Spanish provinces in terms of irrigated agriculture. In the second part, the fitted models are used for the economic evaluation of drought risk. In flow variability in the hydrological system servicing each province is used to perform ex-ante evaluations of economic output for the upcoming irrigation season. The model?s error and the probability distribution functions (PDFs) of the reservoirs? storage variations are used to generate Monte Carlo (Latin Hypercube) simulations of agricultural output 7 and 3 months prior to the irrigation season. The results of these simulations illustrate the different risk profiles of each management unit, which depend on farm productivity and on the probability distribution function of water in flow to reservoirs. The potential for ex-ante drought impact assessments is demonstrated. By complementing hydrological models, this method can assist water managers and decisionmakers in managing reservoirs.

Damage reduction of the laser drilling process on back contact solar cells by chemical treatment

Production of back contact solar cells requires holes generations on the wafers to keep both positive and negative contacts on the back side of the cell. This drilling process weakens the wafer mechanically due to the presence of the holes and the damage introduced during the process as microcracks. In this study, several chemical processes have been applied to drilled wafers in order to eliminate or reduce the damage generated during this fabrication step. The treatments analyzed are the followings: alkaline etching during 1, 3 and 5 minutes, acid etching for 2 and 4 minutes and texturisation. To determine mechanical strength of the samples a common mechanical study has been carried out testing the samples by the Ring on Ring bending test and obtaining the stress state in the moment of failure by FE simulation. Finally the results obtained for each treatment were fitted to a three parameter Weibull distribution

Dispersion relation for electron waves propagating in an isotropic plasma containing Maxwellian and suprathermal electrons

The paper discusses the dispersion relation for longitudinal electron waves propagating in a collisionless, homogeneous isotropic plasma, which contains both Maxwellian and suprathermal electrons. I t is found that the dispersion curve, known to have two separate branches for zero suprathermal energy spread,depends sensitively on this quantity. As the energy half-width of the suprathermal population increases, the branches approach each other until they touch at a connexion point, for a small critical value of that half-width. The topology of the dispersion curves is different for half-widths above and below critical; and this can affect the use of wave-propagation measurements as a diagnostic technique for the determination of the electron distribution function. Both the distance between the branches and spatial damping near the connexion frequency depend on the half-width, if below critical, and can be used to determine it. The theory is applied to experimental data.

Monte Carlo simulation on a system of hard cylinders at a very high packing fraction

Using the Monte Carlo method the behavior of a system of true hard cylinders has been studied. Values of the length-to-breadth ratio L/D and packing fraction η have been chosen similar to those of real nematic liquid crystals. Results include radial distribution function g(r), structure factor S(k), and orientational order parameter M. These results lead to the conclusion that the hard cylinder model may be a useful reference for real mesomorphic phases.

Geometric diagnostics of complex patterns: Spiral defect chaos

Motivated by the observation of spiral patterns in a wide range of physical, chemical, and biological systems, we present an automated approach that aims at characterizing quantitatively spiral-like elements in complex stripelike patterns. The approach provides the location of the spiral tip and the size of the spiral arms in terms of their arc length and their winding number. In addition, it yields the number of pattern components (Betti number of order 1), as well as their size and certain aspects of their shape. We apply the method to spiral defect chaos in thermally driven Rayleigh- Bénard convection and find that the arc length of spirals decreases monotonically with decreasing Prandtl number of the fluid and increasing heating. By contrast, the winding number of the spirals is nonmonotonic in the heating. The distribution function for the number of spirals is significantly narrower than a Poisson distribution. The distribution function for the winding number shows approximately an exponential decay. It depends only weakly on the heating, but strongly on the Prandtl number. Large spirals arise only for larger Prandtl numbers. In this regime the joint distribution for the spiral length and the winding number exhibits a three-peak structure, indicating the dominance of Archimedean spirals of opposite sign and relatively straight sections. For small Prandtl numbers the distribution function reveals a large number of small compact pattern components.

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.

Estimación y evolución temporal de variables forestales con tecnología LiDAR en el Valle de la Fuenfría (Cercedilla, Madrid)

Este estudio profundiza en la estimación de variables forestales a partir de información LiDAR en el Valle de la Fuenfría (Cercedilla, Madrid). Para ello se dispone de dos vuelos realizados con sensor LiDAR en los años 2002 y 2011 y en el invierno de 2013 se ha realizado un inventario de 60 parcelas de campo. En primer lugar se han estimado seis variables dasométricas (volumen, área basimétrica, biomasa total, altura dominante, densidad y diámetro medio cuadrático) para 2013, tanto a nivel de píxel como a nivel de rodal y monte. Se construyeron modelos de regresión lineal múltiple que permitieron estimar con precisión dichas variables. En segundo lugar, se probaron diferentes métodos para la estimación de la distribución diamétrica. Por un lado, el método de predicción de percentiles y, por otro lado, el método de predicción de parámetros. Este segundo método se probó para una función Weibull simple, una función Weibull doble y una combinación de ambas según la distribución que mejor se ajustaba a cada parcela. Sin embargo, ninguno de los métodos ha resultado suficientemente válido para predecir la distribución diamétrica. Por último se estimaron el crecimiento en volumen y área basimétrica a partir de la comparación de los vuelos del 2002 y 2011. A pesar de que la tecnología LiDAR era diferente y solo se disponía de un inventario completo, realizado en 2013, los modelos construidos presentan buenas bondades de ajuste. Asimismo, el crecimiento a nivel de pixel se ha mostrado estar relacionado de forma estadísticamente significativa con la pendiente, orientación y altitud media del píxel. ABSTRACT This project goes in depth on the estimation of forest attributes by means of LiDAR data in Fuenfria’s Valley (Cercedilla, Madrid). The available information was two LiDAR flights (2002 and 2011) and a forest inventory consisting of 60 plots (2013). First, six different dasometric attributes (volume, basal area, total aboveground biomass, top height, density and quadratic mean diameter) were estimated in 2013 both at a pixel, stand and forest level. The models were developed using multiple linear regression and were good enough to predict these attributes with great accuracy. Second, the measured diameter distribution at each plot was fitted to a simple and a double Weibull distribution and different methods for its estimation were tested. Neither parameter prediction method nor percentile prediction method were able to account for the diameter distribution. Finally, volume and top height growths were estimated comparing 2011 LiDAR flight with 2002 LiDAR flight. Even though the LiDAR technology was not the same and there was just one forest inventory with sample plots, the models properly explain the growth. Besides, growth at each pixel is significantly related to its average slope, orientation and altitude.

Direct Vlasov simulations of electron-attracting cylindrical Langmuir probes in flowing plasmas

Current collection by positively polarized cylindrical Langmuir probes immersed in flowing plasmas is analyzed using a non-stationary direct Vlasov-Poisson code. A detailed description of plasma density spatial structure as a function of the probe-to-plasma relative velocity U is presented. Within the considered parametric domain, the well-known electron density maximum close to the probe is weakly affected by U. However, in the probe wake side, the electron density minimum becomes deeper as U increases and a rarified plasma region appears. Sheath radius is larger at the wake than at the front side. Electron and ion distribution functions show specific features that are the signature of probe motion. In particular, the ion distribution function at the probe front side exhibits a filament with positive radial velocity. It corresponds to a population of rammed ions that were reflected by the electric field close to the positively biased probe. Numerical simulations reveal that two populations of trapped electrons exist: one orbiting around the probe and the other with trajectories confined at the probe front side. The latter helps to neutralize the reflected ions, thus explaining a paradox in past probe theory.