Design concepts for the Cherenkov Telescope Array CTA: an advanced facility for ground-based high-energy gamma-ray astronomy

Ground-based gamma-ray astronomy has had a major breakthrough with the impressive results obtained using systems of imaging atmospheric Cherenkov telescopes. Ground-based gamma-ray astronomy has a huge potential in astrophysics, particle physics and cosmology. CTA is an international initiative to build the next generation instrument, with a factor of 5-10 improvement in sensitivity in the 100 GeV-10 TeV range and the extension to energies well below 100 GeV and above 100 TeV. CTA will consist of two arrays (one in the north, one in the south) for full sky coverage and will be operated as open observatory. The design of CTA is based on currently available technology. This document reports on the status and presents the major design concepts of CTA.

Design concepts for the Cherenkov Telescope Array CTA: an advanced facility for ground-based high-energy gamma-ray astronomy

Ground-based gamma-ray astronomy has had a major breakthrough with the impressive results obtained using systems of imaging atmospheric Cherenkov telescopes. Ground-based gamma-ray astronomy has a huge potential in astrophysics, particle physics and cosmology. CTA is an international initiative to build the next generation instrument, with a factor of 5-10 improvement in sensitivity in the 100 GeV-10 TeV range and the extension to energies well below 100 GeV and above 100 TeV. CTA will consist of two arrays (one in the north, one in the south) for full sky coverage and will be operated as open observatory. The design of CTA is based on currently available technology. This document reports on the status and presents the major design concepts of CTA.

Design concepts for the Cherenkov Telescope Array CTA: an advanced facility for ground-based high-energy gamma-ray astronomy

Ground-based gamma-ray astronomy has had a major breakthrough with the impressive results obtained using systems of imaging atmospheric Cherenkov telescopes. Ground-based gamma-ray astronomy has a huge potential in astrophysics, particle physics and cosmology. CTA is an international initiative to build the next generation instrument, with a factor of 5-10 improvement in sensitivity in the 100 GeV-10 TeV range and the extension to energies well below 100 GeV and above 100 TeV. CTA will consist of two arrays (one in the north, one in the south) for full sky coverage and will be operated as open observatory. The design of CTA is based on currently available technology. This document reports on the status and presents the major design concepts of CTA.

A Grid Supercomputing Enviroment for High Demand Computational Applications

Despite the huge increase in processor and interprocessor network performace, many computational problems remain unsolved due to lack of some critical resources such as floating point sustained performance, memory bandwidth, etc... Examples of these problems are found in areas of climate research, biology, astrophysics, high energy physics (montecarlo simulations) and artificial intelligence, among others. For some of these problems, computing resources of a single supercomputing facility can be 1 or 2 orders of magnitude apart from the resources needed to solve some them. Supercomputer centers have to face an increasing demand on processing performance, with the direct consequence of an increasing number of processors and systems, resulting in a more difficult administration of HPC resources and the need for more physical space, higher electrical power consumption and improved air conditioning, among other problems. Some of the previous problems can´t be easily solved, so grid computing, intended as a technology enabling the addition and consolidation of computing power, can help in solving large scale supercomputing problems. In this document, we describe how 2 supercomputing facilities in Spain joined their resources to solve a problem of this kind. The objectives of this experience were, among others, to demonstrate that such a cooperation can enable the solution of bigger dimension problems and to measure the efficiency that could be achieved. In this document we show some preliminary results of this experience and to what extend these objectives were achieved.

Silicon nanocluster sensitization of erbium ions under low-energy optical excitation

The sensitizing action of amorphous silicon nanoclusters on erbium ions in thin silica films has been studied under low-energy (long wavelength) optical excitation. Profound differences in fast visible and infrared emission dynamics have been found with respect to the high-energy (shortwavelength) case. These findings point out to a strong dependence of the energy transfer process on the optical excitation energy. Total inhibition of energy transfer to erbium states higher than thefirst excited state (4I13/2) has been demonstrated for excitation energy below 1.82 eV (excitation wavelength longer than 680 nm). Direct excitation of erbium ions to the first excited state (4I13/2)has been confirmed to be the dominant energy transfer mechanism over the whole spectral range of optical excitation used (540 nm¿680 nm).

Different effects of hyperlipidic diets in human lactation and adulthood: growth versus the development of obesity

After birth, the body shifts from glucose as primary energy substrate to milk-derived fats, with sugars from lactose taking a secondary place. At weaning, glucose recovers its primogeniture and dietary fat role decreases. In spite of human temporary adaptation to a high-fat (and sugars and protein) diet during lactation, the ability to thrive on this type of diet is lost irreversibly after weaning. We could not revert too the lactating period metabolic setting because of different proportions of brain/muscle metabolism in the total energy budget, lower thermogenesis needs and capabilities, and absence of significant growth in adults. A key reason for change was the limited availability of foods with high energy content at weaning and during the whole adult life of our ancestors, which physiological adaptations remain practically unchanged in our present-day bodies. Humans have evolved to survive with relatively poor diets interspersed by bouts of scarcity and abundance. Today diets in many societies are largely made up from choice foods, responding to our deeply ingrained desire for fats, protein, sugars, salt etc. Consequently our diets are not well adjusted to our physiological needs/adaptations but mainly to our tastes (another adaptation to periodic scarcity), and thus are rich in energy roughly comparable to milk. However, most adult humans cannot process the food ingested in excess because our cortical-derived craving overrides the mechanisms controlling appetite. This is produced not because we lack the biochemical mechanisms to use this energy, but because we are unprepared for excess, and wholly adapted to survive scarcity. The thrifty mechanisms compound the effects of excess nutrients and damage the control of energy metabolism, developing a pathologic state. As a consequence, an overflow of energy is generated and the disease of plenty develops.

Utilization of dietary glucose in the metabolic syndrome

This review is focused on the fate of dietary glucose under conditions of chronically high energy (largely fat) intake, evolving into the metabolic syndrome. We are adapted to carbohydrate-rich diets similar to those of our ancestors. Glucose is the main energy staple, but fats are our main energy reserves. Starvation drastically reduces glucose availability, forcing the body to shift to fatty acids as main energy substrate, sparing glucose and amino acids. We are not prepared for excess dietary energy, our main defenses being decreased food intake and increased energy expenditure, largely enhanced metabolic activity and thermogenesis. High lipid availability is a powerful factor decreasing glucose and amino acid oxidation. Present-day diets are often hyperenergetic, high on lipids, with abundant protein and limited amounts of starchy carbohydrates. Dietary lipids favor their metabolic processing, saving glucose, which additionally spares amino acids. The glucose excess elicits hyperinsulinemia, which may derive, in the end, into insulin resistance. The available systems of energy disposal could not cope with the excess of substrates, since they are geared for saving not for spendthrift, which results in an unbearable overload of the storage mechanisms. Adipose tissue is the last energy sink, it has to store the energy that cannot be used otherwise. However, adipose tissue growth also has limits, and the excess of energy induces inflammation, helped by the ineffective intervention of the immune system. However, even under this acute situation, the excess of glucose remains, favoring its final conversion to fat. The sum of inflammatory signals and deranged substrate handling induce most of the metabolic syndrome traits: insulin resistance, obesity, diabetes, liver steatosis, hyperlipidemia and their compounded combined effects. Thus, a maintained excess of energy in the diet may result in difficulties in the disposal of glucose, eliciting inflammation and the development of the metabolic syndrome

Spectral energy distribution of the gamma-ray microquasar LS 5039

The microquasar LS 5039 has recently been detected as a source of very high energy (VHE) $\gamma$-rays. This detection, that confirms the previously proposed association of LS 5039 with the EGRET source 3EG~J1824$-$1514, makes of LS 5039 a special system with observational data covering nearly all the electromagnetic spectrum. In order to reproduce the observed spectrum of LS 5039, from radio to VHE $\gamma$-rays, we have applied a cold matter dominated jet model that takes into account accretion variability, the jet magnetic field, particle acceleration, adiabatic and radiative losses, microscopic energy conservation in the jet, and pair creation and absorption due to the external photon fields, as well as the emission from the first generation of secondaries. The radiative processes taken into account are synchrotron, relativistic Bremsstrahlung and inverse Compton (IC). The model is based on a scenario that has been characterized with recent observational results, concerning the orbital parameters, the orbital variability at X-rays and the nature of the compact object. The computed spectral energy distribution (SED) shows a good agreement with the available observational data.

Mechanisms involved in down-regulation of intestinal IgA in rats by high cocoa intake

Previous studies have shown that rat intestinal immunoglobulin A (IgA) concentration and lymphocyte composition of the intestinal immune system were influenced by a highly enriched cocoa diet. The aim of this study was to dissect the mechanisms by which a long-term high cocoa intake was capable of modifying gut secretory IgA in Wistar rats. After 7 weeks of nutritional intervention, Peyer's patches, mesenteric lymph nodes and the small intestine were excised for gene expression assessment of IgA, transforming growth factor ß, C-C chemokine receptor-9 (CCR9), interleukin (IL)-6, CD40, retinoic acid receptors (RAR¿ and RARß), C-C chemokine ligand (CCL)-25 and CCL28 chemokines, polymeric immunoglobulin receptor and toll-like receptors (TLR) expression by real-time polymerase chain reaction. As in previous studies, secretory IgA concentration decreased in intestinal wash and fecal samples after cocoa intake. Results from the gene expression showed that cocoa intake reduced IgA and IL¿6 in Peyer's patches and mesenteric lymph nodes, whereas in small intestine, cocoa decreased IgA, CCR9, CCL28, RAR¿ and RARß. Moreover, cocoa-fed animals presented an altered TLR expression pattern in the three compartments studied. In conclusion, a high-cocoa diet down-regulated cytokines such as IL-6, which is required for the activation of B cells to become IgA-secreting cells, chemokines and chemokine receptors, such as CCL28 and CCR9 together with RAR¿ and RARß, which are involved in the gut homing of IgA-secreting cells. Moreover, cocoa modified the cross-talk between microbiota and intestinal cells as was detected by an altered TLR pattern. These overall effects in the intestine may explain the intestinal IgA down-regulatory effect after the consumption of a long-term cocoa-enriched diet.

An energy efficient vertical handover decision algorithm

As wireless communications evolve towards heterogeneousnetworks, mobile terminals have been enabled tohandover seamlessly from one network to another. At the sametime, the continuous increase in the terminal power consumptionhas resulted in an ever-decreasing battery lifetime. To that end,the network selection is expected to play a key role on howto minimize the energy consumption, and thus to extend theterminal lifetime. Hitherto, terminals select the network thatprovides the highest received power. However, it has been provedthat this solution does not provide the highest energy efficiency.Thus, this paper proposes an energy efficient vertical handoveralgorithm that selects the most energy efficient network thatminimizes the uplink power consumption. The performance of theproposed algorithm is evaluated through extensive simulationsand it is shown to achieve high energy efficiency gains comparedto the conventional approach.

Thickening of phase change materials (PCM) to avoid segregation

Estudi elaborat a partir d’una estada a Çukurova University, Turquia, al juliol del 2006. L’emmagatzematge d’energia tèrmica ha atret interès en aplicacions tèrmiques com l’aigua calenta, la calefacció i l’aire condicionat. Aquests sistemes són útils per corregir la no coincidència entre la oferta i la demanda d’energia. Principalment hi ha dos tipus de sistemes d’emmagatzematge d’energia tèrmica, emmagatzematge amb calor sensible i amb calor latent. L’emmagatzematge amb calor latent és particularment atractiu degut a la seva habilitat de donar una densitat d’emmagatzematge d’energia més alt i la seva característica d’emmagatzemar calor a una temperatura constant corresponent a la temperatura de transició de fase de la substància emmagatzemadora de calor. Les salts hidratades orgàniques tenen certes avantatges com a materials d’emmagatzematge de calor latent sobre els materials orgànics. En canvi, quan les salts hidratades s’utilitzen com a materials de canvi de fase (PCM) apareixen alguns problemes en les aplicacions d’emmagatzematge de calor latent. Aquests són el subrefredament de les salts hidratades quan es congelen degut a les seves dèbils propietats de nucleació, i la separació de fase que hi apareix degut a una fusió incongruent. En aquest estudi, s’estabilitza sal de Glauber (Na2SO4.10H2O) amb diferents concentracions de poliacrilamida i gelatina per prevenir la fusió incongruent. Per prevenir el subrefredament s’utilitza un agent nucleant amb una estructura cristal•lina semblant a la de la sal de Glauber. La capacitat d’emmagatzematge de calor de les mostres de PCM estabilitzades amb diferents concentracions de gels polimèrics es determinen amb DCS i amb el mètode T-history.

Influència del context geològic i hidrogeològic en l'eficiència energètica dels sistemes geotèrmics de molt baixa entalpia

L’elevat consum energètic de les societats actuals, així com la impossibilitat de sostenir-lo a llarg termini implica la cerca de noves fonts d’energia. D’aquesta manera, en el camp de la climatització residencial, l’energia geotèrmica de molt baixa entalpia es posiciona com una alternativa als recursos energètics actuals. Així, els primers metres de subsòl presenten una temperatura adequada per al seu aprofitament calorífic, mitjançant els sistemes geotèrmics de bomba de calor. Si bé a nivell energètic, són sistemes, intrínsecament, molt eficients, el seu rendiment pot patir importants variacions davant dels canvis en les condicions del medi geològic i hidrogeològic. Especialment, els col·lectors de calor verticals, treballen, amb freqüència, en el si de les formacions hidrogeològiques. En aquest sentit, els canvis del nivell hidràulic i de la temperatura de l’aigua de l’aqüífer es manifesten amb variacions de la conductivitat tèrmica equivalent i del flux subterrani d’aigua, que alhora, aquestes, es tradueixen en alteracions del flux subterrani de calor. Davant d’aquest fet, l’avaluació quantitativa de l’efecte d’aquestes fluctuacions que es presenta en aquest treball mostra petites variacions del nivell hidràulic i de la temperatura de l’aigua comporten canvis molt notables en l’eficiència dels sistemes verticals de bomba de calor geotèrmica.

Estudi de la configuració magnètica de l'experiment LTP (LISA Technology Package)

La Teoria de la Relativitat General preveu que quan un objecte massiu és sotmès a una certa acceleració en certes condicions ha d’emetre ones gravitacionals. Es tracta d’un tipus d’on altament energètica però que interacciona amb la matèria de manera molt feble i el seu punt d’emissió és força llunyà. Per la qual cosa la seva detecció és una tasca extraordinàriament complicada. Conseqüentment, la detecció d’aquestes ones es creu molt més factible utilitzant instruments situats a l’espai. Amb aquest objectiu, neis la missió LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Es tracta aquesta d’una missió conjunta entre la NASA i l’ESA amb llançament previst per 2020-2025. Per reduir els riscs que comporta una primera utilització de tecnologia no testejada, unit a l’alt cost econòmic de la missió LISA. Aquesta missió contindrà instruments molt avançats: el LTP (LISA Technoplogy Package), desenvolupat per la Unió Europea, que provarà la tecnologia de LISA i el Drag Free flying system, que s’encarregarà de provar una sèrie de propulsors (thrusters) utilitzats per al control d’actitud i posició de satèl•lit amb precisió de nanòmetres. Particularment, el LTP, està composat per dues masses de prova separades per 35 centímetres, i d’un interferòmetre làser que mesura la variació de la distància relativa entre elles. D’aquesta manera, el LTP mesurarà les prestacions dels equips i les possibles interferències que afecten a la mesura. Entre les fonts de soroll es troben, entre d’altres, el vent i pressió de radiació solar, les càrregues electrostàtiques, el gradient tèrmic, les fluctuacions de voltatge o les forces internes. Una de les possibles causes de soroll és aquella que serà l’objecte d’estudi en aquest projecte de tesi doctoral: la presència dintre del LTP de camps magnètics, que exerceixen una força sobre les masses de prova, la seva estimació i el seu control, prenent en compte les caracterírstiques magnètiques de l’experiment i la dinàmica del satèl•lit.

Emissió ràdio a baixa freqüència en fenòmens eruptius i en fonts esteses de raigs gamma d'alta i molt alta energia

La tasca investigadora presentada en aquesta memòria s'ha centrat en les fonts galàctiques de raigs gamma de molt alta energia LS I +61 303, HESS J1708-410 i HESS J1858+020. La primera és una binària de raigs gamma molt estudiada, formada per una estrella massiva i un objecte compacte. S'ha proposat un escenari on l'objecte compacte seria un púlsar jove, i la interacció del seu vent amb el vent de l'estrella generaria els raigs gamma. De totes formes, no s'ha detectat polsos procedents d'aquest putatiu púlsar. L'investigador va realitzar observacions en fase a 1280 MHz amb el radiotelescopi GMRT, sense trobar-hi polsos, cosa que implica un estricte límit superior de 0,38 mJy a la densitat mitjana de flux polsat en un putatiu púlsar amb un període major que 2 mil•lisegons en el sistema binari LS I +61 303. Per altra banda, HESS J1708-410 i HESS J1858+020 són dues fonts esteses de raigs gamma de molt alta energia de les quals no es coneix cap contrapart a d'altres longituds d'ona. L'investigador les va observar amb el GMRT, quatre vegades HESS J1708-410 (dues a 610 MHz i dues a 1400 MHz) i dues vegades HESS J1858+020 (una a cada freqüència). En les imatges realitzades amb aquestes dades no hi ha emissió estesa coincident amb les regions d'emissió de raigs gamma. HESS J1858+020 se solapa parcialment amb una font estesa que podria ser un SNR. De confirmar-se la falta de contrapartida ràdio de HESS J1708-410, estaríem parlant d'un accelerador hadrònic extraordinàriament eficient, d'una classe desconeguda fins ara.

Eliminació autotròfica de nitrogen en una pila biològica (microbial fuel cells )

L’aigua i l’energia formen un binomi indissociable. En relació al cicle de l’aigua, des de fa varies dècades s’han desenvolupat diferents formes per recuperar part de l’energia relacionada amb l’aigua, per exemple a partir de centrals hidroelèctriques. No obstant, l’ús d’aquesta aigua també porta associat un gran consum energètic, relacionat sobretot amb el transport, la distribució, la depuració, etc... La depuració d’aigües residuals porta associada una elevada demanda energètica (Obis et al.,2009). En termes energètics, tot i que la despesa elèctrica d’una EDAR varia en funció de diferents paràmetres com la configuració i la capacitat de la planta, la càrrega a tractar, etc... es podria considerar que el rati mig seria d’ aproximadament 0.5 KWh•m-3.Els principals costos d’explotació estan relacionats tant amb la gestió de fangs (28%) com amb el consum elèctric (25%) (50% tractament biològic). Tot i que moltes investigacions relacionades amb el tractament d’aigua residual estan encaminades en disminuir els costos d’operació, des de fa poques dècades s’està investigant la viabilitat de que l’aigua residual fins i tot sigui una font d’energia, canviant la perspectiva, i començant a veure l’aigua residual no com a una problemàtica sinó com a un recurs. Concretament s’estima que l’aigua domèstica conté 9.3 vegades més energia que la necessària per el seu tractament mitjançant processos aerobis (Shizas et al., 2004). Un dels processos més desenvolupats relacionats amb el tractament d’aigües residuals i la producció energètica és la digestió anaeròbia. No obstant, aquesta tecnologia permet el tractament d’altes càrregues de matèria orgànica generant un efluent ric en nitrogen que s’haurà de tractar amb altres tecnologies. Per altre banda, recentment s’està investigant una nova tecnologia relacionada amb el tractament d’aigües residuals i la producció energètica: les piles biològiques (microbial fuel cells, MFC). Aquesta tecnologia permet obtenir directament energia elèctrica a partir de la degradació de substrats biodegradables (Rabaey et al., 2005). Les piles biològiques, més conegudes com a Microbial Fuel Cells (acrònim en anglès, MFC), són una emergent tecnologia que està centrant moltes mirades en el camp de l’ investigació, i que es basa en la producció d’energia elèctrica a partir de substrats biodegradables presents en l’aigua residual (Logan., 2008). Els fonaments de les piles biològiques és molt semblant al funcionament d’una pila Daniell, en la qual es separa en dos compartiments la reacció d’oxidació (compartiment anòdic) i la de reducció (compartiment catòdic) amb l’objectiu de generar un determinat corrent elèctric. En aquest estudi, bàsicament es mostra la posada en marxa d'una pila biològica per a l'eliminació de matèria orgànica i nitrogen de les aigües residuals.