Implications of agricultural production, policy and land use changes on water resource assessment

Una gestión más eficiente y equitativa del agua a escala de cuenca no se puede centrar exclusivamente en el recurso hídrico en sí, sino también en otras políticas y disciplinas científicas. Existe un consenso creciente de que, además de la consideración de las cambiantes condiciones climáticas, es necesaria una integración de ámbitos de investigación tales como la agronomía, planificación del territorio y ciencias políticas y económicas a fin de satisfacer de manera sostenible las demandas de agua por parte de la sociedad y del medio natural. La Política Agrícola Común (PAC) es el principal motor de cambio en las tendencias de paisajes rurales y sistemas agrícolas, pero el deterioro del medio ambiente es ahora una de las principales preocupaciones. Uno de los cambios más relevantes se ha producido con la expansión e intensificación del olivar en España, principalmente con nuevas zonas de regadío o la conversión de olivares de secano a sistemas en regadío. Por otra parte, el cambio de las condiciones climáticas podría ejercer un papel importante en las tendencias negativas de las aportaciones a los ríos, pero no queda claro el papel que podrían estar jugando los cambios de uso de suelo y cobertura vegetal sobre las tendencias negativas de caudal observadas. Esta tesis tiene como objetivo mejorar el conocimiento de los efectos de la producción agrícola, política agraria y cambios de uso de suelo y cobertura vegetal sobre las condiciones de calidad del agua, respuesta hidrológica y apropiación del agua por parte de la sociedad. En primer lugar, el estudio determina las tendencias existentes de nitratos y sólidos en suspensión en las aguas superficiales de la cuenca del río Guadalquivir durante el periodo de 1998 a 2009. Desde una perspectiva de política agraria, la investigación trata de evaluar mediante un análisis de datos de panel las principales variables, incluyendo la reforma de la PAC de 2003, que están teniendo una influencia en ambos indicadores de calidad. En segundo lugar, la apropiación del agua y el nivel de contaminación por nitratos debido a la producción del aceite de oliva en España se determinan con una evaluación de la huella hídrica (HH), teniendo en cuenta una variabilidad espacial y temporal a largo de las provincias españolas y entre 1997 y 2008. Por último, la tesis analiza los efectos de los cambios de uso de suelo y cobertura vegetal sobre las tendencias negativas observadas en la zona alta del Turia, cabecera de la cuenca del río Júcar, durante el periodo 1973-2008 mediante una modelización ecohidrológica. En la cuenca del Guadalquivir cerca del 20% de las estaciones de monitoreo muestran tendencias significativas, lineales o cuadráticas, para cada indicador de calidad de agua. La mayoría de las tendencias significativas en nitratos están aumentando, y la mayoría de tendencias cuadráticas muestran un patrón en forma de U. Los modelos de regresión de datos de panel muestran que las variables más importantes que empeoran ambos indicadores de calidad del agua son la intensificación de biomasa y las exportaciones de ambos indicadores de calidad procedentes de aguas arriba. En regiones en las que el abandono agrícola y/o desintensificación han tenido lugar han mejorado las condiciones de calidad del agua. Para los nitratos, el desacoplamiento de las subvenciones a la agricultura y la reducción de la cuantía de las subvenciones a tierras de regadío subyacen en la reducción observada de la concentración de nitratos. Las medidas de modernización de regadíos y el establecimiento de zonas vulnerables a nitratos reducen la concentración en subcuencas que muestran una tendencia creciente de nitratos. Sin embargo, el efecto de las exportaciones de nitratos procedente de aguas arriba, la intensificación de la biomasa y los precios de los cultivos presentan un mayor peso, explicando la tendencia creciente observada de nitratos. Para los sólidos en suspensión, no queda de forma evidente si el proceso de desacoplamiento ha influido negativa o positivamente. Sin embargo, los mayores valores de las ayudas agrarias aún ligadas a la producción, en particular en zonas de regadío, conllevan un aumento de las tasas de erosión. Aunque la cuenca del Guadalquivir ha aumentado la producción agrícola y la eficiencia del uso del agua, el problema de las altas tasas de erosión aún no ha sido mitigado adecuadamente. El estudio de la huella hídrica (HH) revela que en 1 L de aceite de oliva español más del 99,5% de la HH está relacionado con la producción de la aceituna, mientras que menos del 0,5% se debe a otros componentes, es decir, a la botella, tapón y etiqueta. Durante el período estudiado, la HH verde en secano y en regadío representa alrededor del 72% y 12%, respectivamente, del total de la HH. Las HHs azul y gris representan 6% y 10%, respectivamente. La producción de aceitunas se concentra en regiones con una HH menor por unidad de producto. La producción de aceite de oliva ha aumentado su productividad del agua durante 1997-2008, incentivado por los crecientes precios del aceite, como también lo ha hecho la cantidad de exportaciones de agua virtual. De hecho, las mayores zonas productoras presentan una eficiencia alta del uso y de productividad del agua, así como un menor potencial de contaminación por nitratos. Pero en estas zonas se ve a la vez reflejado un aumento de presión sobre los recursos hídricos locales. El aumento de extracciones de agua subterránea relacionadas con las exportaciones de aceite de oliva podría añadir una mayor presión a la ya estresada cuenca del Guadalquivir, mostrando la necesidad de equilibrar las fuerzas del mercado con los recursos locales disponibles. Los cambios de uso de suelo y cobertura vegetal juegan un papel importante en el balance del agua de la cuenca alta del Turia, pero no son el principal motor que sustenta la reducción observada de caudal. El aumento de la temperatura es el principal factor que explica las mayores tasas de evapotranspiración y la reducción de caudales. Sin embargo, los cambios de uso de suelo y el cambio climático han tenido un efecto compensatorio en la respuesta hidrológica. Por un lado, el caudal se ha visto afectado negativamente por el aumento de la temperatura, mientras que los cambios de uso de suelo y cobertura vegetal han compensado positivamente con una reducción de las tasas de evapotranspiración, gracias a los procesos de disminución de la densidad de matorral y de degradación forestal. El estudio proporciona una visión que fortalece la interdisciplinariedad entre la planificación hidrológica y territorial, destacando la necesidad de incluir las implicaciones de los cambios de uso de suelo y cobertura vegetal en futuros planes hidrológicos. Estos hallazgos son valiosos para la gestión de la cuenca del río Turia, y el enfoque empleado es útil para la determinación del peso de los cambios de uso de suelo y cobertura vegetal en la respuesta hidrológica en otras regiones. ABSTRACT Achieving a more efficient and equitable water management at catchment scale does not only rely on the water resource itself, but also on other policies and scientific knowledge. There is a growing consensus that, in addition to consideration of changing climate conditions, integration with research areas such as agronomy, land use planning and economics and political science is required to meet sustainably the societal and environmental water demands. The Common Agricultural Policy (CAP) is a main driver for trends in rural landscapes and agricultural systems, but environmental deterioration is now a principal concern. One of the most relevant changes has occurred with the expansion and intensification of olive orchards in Spain, taking place mainly with new irrigated areas or with the conversion from rainfed to irrigated systems. Moreover, changing climate conditions might exert a major role on water yield trends, but it remains unclear the role that ongoing land use and land cover changes (LULCC) might have on observed river flow trends. This thesis aims to improve the understanding of the effects of agricultural production, policies and LULCC on water quality conditions, hydrological response and human water appropriation. Firstly, the study determines the existing trends for nitrates and suspended solids in the Guadalquivir river basin’s surface waters (south Spain) during the period from 1998 to 2009. From a policy perspective, the research tries to assess with panel data analysis the main drivers, including the 2003 CAP reform, which are having an influence on both water quality indicators. Secondly, water appropriation and nitrate pollution level originating from the production of olive oil in Spain is determined with a water footprint (WF) assessment, considering a spatial temporal variability across the Spanish provinces and from 1997 to 2008 years. Finally, the thesis analyzes the effects of the LULCC on the observed negative trends over the period 1973-2008 in the Upper Turia basin, headwaters of the Júcar river demarcation (east Spain), with ecohydrological modeling. In the Guadalquivir river basin about 20% of monitoring stations show significant trends, linear or quadratic, for each water quality indicator. Most significant trends of nitrates are augmenting than decreasing, and most significant quadratic terms of both indicators exhibit U-shaped patterns. The panel data models show that the most important drivers that are worsening nitrates and suspended solids in the basin are biomass intensification and exports of both water quality indicators from upland regions. In regions that agricultural abandonment and/or de-intensification have taken place the water quality conditions have improved. For nitrates, the decoupling of agricultural subsidies and the reduction of the amount of subsidies to irrigated land underlie the observed reduction of nitrates concentration. Measures of irrigation modernization and establishment of vulnerable zones to nitrates ameliorate the concentration of nitrates in subbasins showing an increasing trend. However, the effect of nitrates load from upland areas, intensification of biomass and crop prices present a greater weight leading to the final increasing trend in this subbasins group, where annual crops dominate. For suspended solids, there is no clear evidence that decoupling process have influenced negatively or positively. Nevertheless, greater values of subsidies still linked to production, particularly in irrigated regions, lead to increasing erosion rates. Although agricultural production has augmented in the basin and water efficiency in the agricultural sector has improved, the issue of high erosion rates has not yet been properly faced. The water footprint (WF) assessment reveals that for 1 L Spanish olive oil more than 99.5% of the WF is related to the olive fruit production, whereas less than 0.5% is due to other components i.e. bottle, cap and label. Over the studied period, the green WF in rainfed and irrigated systems represents about 72% and 12%, respectively, of the total WF. Blue and grey WFs represent 6% and 10%, respectively. The olive production is concentrated in regions with the smallest WF per unit of product. The olive oil production has increased its apparent water productivity from 1997 to 2008 incentivized by growing trade prices, but also did the amount of virtual water exports. In fact, the largest producing areas present high water use efficiency per product and apparent water productivity as well as less nitrates pollution potential, but this enhances the pressure on the available water resources. Increasing groundwater abstractions related to olive oil exports may add further pressure to the already stressed Guadalquivir basin. This shows the need to balance the market forces with the available local resources. Concerning the effects of LULCC on the Upper Turia basin’s streamflow, LULCC play a significant role on the water balance, but it is not the main driver underpinning the observed reduction on Turia's streamflow. Increasing mean temperature is the main factor supporting larger evapotranspiration rates and streamflow reduction. In fact, LULCC and climate change have had an offsetting effect on the streamflow generation during the study period. While streamflow has been negatively affected by increasing temperature, ongoing LULCC have positively compensated with reduced evapotranspiration rates, thanks to mainly shrubland clearing and forest degradation processes. The research provides insight for strengthening the interdisciplinarity between hydrological and spatial planning, highlighting the need to include the implications of LULCC in future hydrological plans. These findings are valuable for the management of the Turia river basin, as well as a useful approach for the determination of the weight of LULCC on the hydrological response in other regions.

Human-robot interaction for telemanipulation in large workspaces

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

Diseño de algoritmos de guerra electrónica y radar para su implementación en sistemas de tiempo real

Esta tesis se centra en el estudio y desarrollo de algoritmos de guerra electrónica {electronic warfare, EW) y radar para su implementación en sistemas de tiempo real. La llegada de los sistemas de radio, radar y navegación al terreno militar llevó al desarrollo de tecnologías para combatirlos. Así, el objetivo de los sistemas de guerra electrónica es el control del espectro electomagnético. Una de la funciones de la guerra electrónica es la inteligencia de señales {signals intelligence, SIGINT), cuya labor es detectar, almacenar, analizar, clasificar y localizar la procedencia de todo tipo de señales presentes en el espectro. El subsistema de inteligencia de señales dedicado a las señales radar es la inteligencia electrónica {electronic intelligence, ELINT). Un sistema de tiempo real es aquel cuyo factor de mérito depende tanto del resultado proporcionado como del tiempo en que se da dicho resultado. Los sistemas radar y de guerra electrónica tienen que proporcionar información lo más rápido posible y de forma continua, por lo que pueden encuadrarse dentro de los sistemas de tiempo real. La introducción de restricciones de tiempo real implica un proceso de realimentación entre el diseño del algoritmo y su implementación en plataformas “hardware”. Las restricciones de tiempo real son dos: latencia y área de la implementación. En esta tesis, todos los algoritmos presentados se han implementado en plataformas del tipo field programmable gate array (FPGA), ya que presentan un buen compromiso entre velocidad, coste total, consumo y reconfigurabilidad. La primera parte de la tesis está centrada en el estudio de diferentes subsistemas de un equipo ELINT: detección de señales mediante un detector canalizado, extracción de los parámetros de pulsos radar, clasificación de modulaciones y localization pasiva. La transformada discreta de Fourier {discrete Fourier transform, DFT) es un detector y estimador de frecuencia quasi-óptimo para señales de banda estrecha en presencia de ruido blanco. El desarrollo de algoritmos eficientes para el cálculo de la DFT, conocidos como fast Fourier transform (FFT), han situado a la FFT como el algoritmo más utilizado para la detección de señales de banda estrecha con requisitos de tiempo real. Así, se ha diseñado e implementado un algoritmo de detección y análisis espectral para su implementación en tiempo real. Los parámetros más característicos de un pulso radar son su tiempo de llegada y anchura de pulso. Se ha diseñado e implementado un algoritmo capaz de extraer dichos parámetros. Este algoritmo se puede utilizar con varios propósitos: realizar un reconocimiento genérico del radar que transmite dicha señal, localizar la posición de dicho radar o bien puede utilizarse como la parte de preprocesado de un clasificador automático de modulaciones. La clasificación automática de modulaciones es extremadamente complicada en entornos no cooperativos. Un clasificador automático de modulaciones se divide en dos partes: preprocesado y el algoritmo de clasificación. Los algoritmos de clasificación basados en parámetros representativos calculan diferentes estadísticos de la señal de entrada y la clasifican procesando dichos estadísticos. Los algoritmos de localization pueden dividirse en dos tipos: triangulación y sistemas cuadráticos. En los algoritmos basados en triangulación, la posición se estima mediante la intersección de las rectas proporcionadas por la dirección de llegada de la señal. En cambio, en los sistemas cuadráticos, la posición se estima mediante la intersección de superficies con igual diferencia en el tiempo de llegada (time difference of arrival, TDOA) o diferencia en la frecuencia de llegada (frequency difference of arrival, FDOA). Aunque sólo se ha implementado la estimación del TDOA y FDOA mediante la diferencia de tiempos de llegada y diferencia de frecuencias, se presentan estudios exhaustivos sobre los diferentes algoritmos para la estimación del TDOA, FDOA y localización pasiva mediante TDOA-FDOA. La segunda parte de la tesis está dedicada al diseño e implementación filtros discretos de respuesta finita (finite impulse response, FIR) para dos aplicaciones radar: phased array de banda ancha mediante filtros retardadores (true-time delay, TTD) y la mejora del alcance de un radar sin modificar el “hardware” existente para que la solución sea de bajo coste. La operación de un phased array de banda ancha mediante desfasadores no es factible ya que el retardo temporal no puede aproximarse mediante un desfase. La solución adoptada e implementada consiste en sustituir los desfasadores por filtros digitales con retardo programable. El máximo alcance de un radar depende de la relación señal a ruido promedio en el receptor. La relación señal a ruido depende a su vez de la energía de señal transmitida, potencia multiplicado por la anchura de pulso. Cualquier cambio hardware que se realice conlleva un alto coste. La solución que se propone es utilizar una técnica de compresión de pulsos, consistente en introducir una modulación interna a la señal, desacoplando alcance y resolución. ABSTRACT This thesis is focused on the study and development of electronic warfare (EW) and radar algorithms for real-time implementation. The arrival of radar, radio and navigation systems to the military sphere led to the development of technologies to fight them. Therefore, the objective of EW systems is the control of the electromagnetic spectrum. Signals Intelligence (SIGINT) is one of the EW functions, whose mission is to detect, collect, analyze, classify and locate all kind of electromagnetic emissions. Electronic intelligence (ELINT) is the SIGINT subsystem that is devoted to radar signals. A real-time system is the one whose correctness depends not only on the provided result but also on the time in which this result is obtained. Radar and EW systems must provide information as fast as possible on a continuous basis and they can be defined as real-time systems. The introduction of real-time constraints implies a feedback process between the design of the algorithms and their hardware implementation. Moreover, a real-time constraint consists of two parameters: Latency and area of the implementation. All the algorithms in this thesis have been implemented on field programmable gate array (FPGAs) platforms, presenting a trade-off among performance, cost, power consumption and reconfigurability. The first part of the thesis is related to the study of different key subsystems of an ELINT equipment: Signal detection with channelized receivers, pulse parameter extraction, modulation classification for radar signals and passive location algorithms. The discrete Fourier transform (DFT) is a nearly optimal detector and frequency estimator for narrow-band signals buried in white noise. The introduction of fast algorithms to calculate the DFT, known as FFT, reduces the complexity and the processing time of the DFT computation. These properties have placed the FFT as one the most conventional methods for narrow-band signal detection for real-time applications. An algorithm for real-time spectral analysis for user-defined bandwidth, instantaneous dynamic range and resolution is presented. The most characteristic parameters of a pulsed signal are its time of arrival (TOA) and the pulse width (PW). The estimation of these basic parameters is a fundamental task in an ELINT equipment. A basic pulse parameter extractor (PPE) that is able to estimate all these parameters is designed and implemented. The PPE may be useful to perform a generic radar recognition process, perform an emitter location technique and can be used as the preprocessing part of an automatic modulation classifier (AMC). Modulation classification is a difficult task in a non-cooperative environment. An AMC consists of two parts: Signal preprocessing and the classification algorithm itself. Featurebased algorithms obtain different characteristics or features of the input signals. Once these features are extracted, the classification is carried out by processing these features. A feature based-AMC for pulsed radar signals with real-time requirements is studied, designed and implemented. Emitter passive location techniques can be divided into two classes: Triangulation systems, in which the emitter location is estimated with the intersection of the different lines of bearing created from the estimated directions of arrival, and quadratic position-fixing systems, in which the position is estimated through the intersection of iso-time difference of arrival (TDOA) or iso-frequency difference of arrival (FDOA) quadratic surfaces. Although TDOA and FDOA are only implemented with time of arrival and frequency differences, different algorithms for TDOA, FDOA and position estimation are studied and analyzed. The second part is dedicated to FIR filter design and implementation for two different radar applications: Wideband phased arrays with true-time delay (TTD) filters and the range improvement of an operative radar with no hardware changes to minimize costs. Wideband operation of phased arrays is unfeasible because time delays cannot be approximated by phase shifts. The presented solution is based on the substitution of the phase shifters by FIR discrete delay filters. The maximum range of a radar depends on the averaged signal to noise ratio (SNR) at the receiver. Among other factors, the SNR depends on the transmitted signal energy that is power times pulse width. Any possible hardware change implies high costs. The proposed solution lies in the use of a signal processing technique known as pulse compression, which consists of introducing an internal modulation within the pulse width, decoupling range and resolution.

Research on wide-bandgap intermediate band solar cells and development of experimental techniques for their characterization

El trabajo que ha dado lugar a esta Tesis Doctoral se enmarca en la invesitagación en células solares de banda intermedia (IBSCs, por sus siglas en inglés). Se trata de un nuevo concepto de célula solar que ofrece la posibilidad de alcanzar altas eficiencias de conversión fotovoltaica. Hasta ahora, se han demostrado de manera experimental los fundamentos de operación de las IBSCs; sin embargo, esto tan sólo has sido posible en condicines de baja temperatura. El concepto de banda intermedia (IB, por sus siglas en inglés) exige que haya desacoplamiento térmico entre la IB y las bandas de valencia y conducción (VB and CB, respectivamente, por sus siglas en inglés). Los materiales de IB actuales presentan un acoplamiento térmico demasiado fuerte entre la IB y una de las otras dos bandas, lo cual impide el correcto funcionamiento de las IBSCs a temperatura ambiente. En el caso particular de las IBSCs fabricadas con puntos cuánticos (QDs, por sus siglas en inglés) de InAs/GaAs - a día de hoy, la tecnología de IBSC más estudiada - , se produce un rápido intercambio de portadores entre la IB y la CB, por dos motivos: (1) una banda prohibida estrecha (< 0.2 eV) entre la IB y la CB, E^, y (2) la existencia de niveles electrónicos entre ellas. El motivo (1) implica, a su vez, que la máxima eficiencia alcanzable en estos dispositivos es inferior al límite teórico de la IBSC ideal, en la cual E^ = 0.71 eV. En este contexto, nuestro trabajo se centra en el estudio de IBSCs de alto gap (o banda prohibida) fabricadsas con QDs, o lo que es lo mismo, QD-IBSCs de alto gap. Hemos fabricado e investigado experimentalmente los primeros prototipos de QD-IBSC en los que se utiliza AlGaAs o InGaP para albergar QDs de InAs. En ellos demostramos une distribución de gaps mejorada con respecto al caso de InAs/GaAs. En concreto, hemos medido valores de E^ mayores que 0.4 eV. En los prototipos de InAs/AlGaAs, este incremento de E^ viene acompaado de un incremento, en más de 100 meV, de la energía de activación del escape térmico. Además, nuestros dispositivos de InAs/AlGaAs demuestran conversión a la alza de tensión; es decir, la producción de una tensión de circuito abierto mayor que la energía de los fotones (dividida por la carga del electrón) de un haz monocromático incidente, así como la preservación del voltaje a temperaura ambiente bajo iluminación de luz blanca concentrada. Asimismo, analizamos el potencial para detección infrarroja de los materiales de IB. Presentamos un nuevo concepto de fotodetector de infrarrojos, basado en la IB, que hemos llamado: fotodetector de infrarrojos activado ópticamente (OTIP, por sus siglas en inglés). Nuestro novedoso dispositivo se basa en un nuevo pricipio físico que permite que la detección de luz infrarroja sea conmutable (ON y OFF) mediante iluminación externa. Hemos fabricado un OTIP basado en QDs de InAs/AlGaAs con el que demostramos fotodetección, bajo incidencia normal, en el rango 2-6/xm, activada ópticamente por un diodoe emisor de luz de 590 nm. El estudio teórico del mecanismo de detección asistido por la IB en el OTIP nos lleva a poner en cuestión la asunción de quasi-niveles de Fermi planos en la zona de carga del espacio de una célula solar. Apoyados por simuaciones a nivel de dispositivo, demostramos y explicamos por qué esta asunción no es válida en condiciones de corto-circuito e iluminación. También llevamos a cabo estudios experimentales en QD-IBSCs de InAs/AlGaAs con la finalidad de ampliar el conocimiento sobre algunos aspectos de estos dispositivos que no han sido tratados aun. En particular, analizamos el impacto que tiene el uso de capas de disminución de campo (FDLs, por sus siglas en inglés), demostrando su eficiencia para evitar el escape por túnel de portadores desde el QD al material anfitrión. Analizamos la relación existente entre el escape por túnel y la preservación del voltaje, y proponemos las medidas de eficiencia cuántica en función de la tensión como una herramienta útil para evaluar la limitación del voltaje relacionada con el túnel en QD-IBSCs. Además, realizamos medidas de luminiscencia en función de la temperatura en muestras de InAs/GaAs y verificamos que los resltados obtenidos están en coherencia con la separación de los quasi-niveles de Fermi de la IB y la CB a baja temperatura. Con objeto de contribuir a la capacidad de fabricación y caracterización del Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid (IES-UPM), hemos participado en la instalación y puesta en marcha de un reactor de epitaxia de haz molecular (MBE, por sus siglas en inglés) y el desarrollo de un equipo de caracterización de foto y electroluminiscencia. Utilizando dicho reactor MBE, hemos crecido, y posteriormente caracterizado, la primera QD-IBSC enteramente fabricada en el IES-UPM. ABSTRACT The constituent work of this Thesis is framed in the research on intermediate band solar cells (IBSCs). This concept offers the possibility of achieving devices with high photovoltaic-conversion efficiency. Up to now, the fundamentals of operation of IBSCs have been demonstrated experimentally; however, this has only been possible at low temperatures. The intermediate band (IB) concept demands thermal decoupling between the IB and the valence and conduction bands. Stateof- the-art IB materials exhibit a too strong thermal coupling between the IB and one of the other two bands, which prevents the proper operation of IBSCs at room temperature. In the particular case of InAs/GaAs quantum-dot (QD) IBSCs - as of today, the most widely studied IBSC technology - , there exist fast thermal carrier exchange between the IB and the conduction band (CB), for two reasons: (1) a narrow (< 0.2 eV) energy gap between the IB and the CB, EL, and (2) the existence of multiple electronic levels between them. Reason (1) also implies that maximum achievable efficiency is below the theoretical limit for the ideal IBSC, in which EL = 0.71 eV. In this context, our work focuses on the study of wide-bandgap QD-IBSCs. We have fabricated and experimentally investigated the first QD-IBSC prototypes in which AlGaAs or InGaP is the host material for the InAs QDs. We demonstrate an improved bandgap distribution, compared to the InAs/GaAs case, in our wide-bandgap devices. In particular, we have measured values of EL higher than 0.4 eV. In the case of the AlGaAs prototypes, the increase in EL comes with an increase of more than 100 meV of the activation energy of the thermal carrier escape. In addition, in our InAs/AlGaAs devices, we demonstrate voltage up-conversion; i. e., the production of an open-circuit voltage larger than the photon energy (divided by the electron charge) of the incident monochromatic beam, and the achievement of voltage preservation at room temperature under concentrated white-light illumination. We also analyze the potential of an IB material for infrared detection. We present a IB-based new concept of infrared photodetector that we have called the optically triggered infrared photodetector (OTIP). Our novel device is based on a new physical principle that allows the detection of infrared light to be switched ON and OFF by means of an external light. We have fabricated an OTIP based on InAs/AlGaAs QDs with which we demonstrate normal incidence photodetection in the 2-6 /xm range optically triggered by a 590 nm light-emitting diode. The theoretical study of the IB-assisted detection mechanism in the OTIP leads us to questioning the assumption of flat quasi-Fermi levels in the space-charge region of a solar cell. Based on device simulations, we prove and explain why this assumption is not valid under short-circuit and illumination conditions. We perform new experimental studies on InAs/GaAs QD-IBSC prototypes in order to gain knowledge on yet unexplored aspects of the performance of these devices. Specifically, we analyze the impact of the use of field-damping layers, and demonstrate this technique to be efficient for avoiding tunnel carrier escape from the QDs to the host material. We analyze the relationship between tunnel escape and voltage preservation, and propose voltage-dependent quantum efficiency measurements as an useful technique for assessing the tunneling-related limitation to the voltage preservation of QD-IBSC prototypes. Moreover, we perform temperature-dependent luminescence studies on InAs/GaAs samples and verify that the results are consistent with a split of the quasi-Fermi levels for the CB and the IB at low temperature. In order to contribute to the fabrication and characterization capabilities of the Solar Energy Institute of the Universidad Polite´cnica de Madrid (IES-UPM), we have participated in the installation and start-up of an molecular beam epitaxy (MBE) reactor and the development of a photo and electroluminescence characterization set-up. Using the MBE reactor, we have manufactured and characterized the first QD-IBSC fully fabricated at the IES-UPM.

Decodificar Sejima‐SANAA: Estrategias formales y estructurales en su trayectoria de proyecto, 1987 a 2010; de la Casa Platform I al Centro Rolex

La Tesis decodifica una selección de veinte proyectos representativos de Sejima-SANAA, desde su primer proyecto construido, la Casa Platform I, 1987, hasta el Centro Rolex, 2010, año en que Sejima y Nishizawa –SANAA- reciben el Premio Pritzker. De los veinte proyectos once son de Sejima: Casa Platform I, Casa Platform II, Residencia de Mujeres, Casa N, Pachinco Parlor I, Villa en el Bosque, Comisaría en Chofu, Casa Y, Apartamentos en Gifu, Edificio de equipamientos en la Expo Tokio 96, Pachinko Parlor III; y nueve de SANAA: edificio Multimedia en Oogaki, estudio de viviendas metropolitanas,Park Café en Koga, De Kunstlinie en Almere, Museo de Kanazawa, Pabellón de Toledo, Escuela de Zollverein, Casa Flor y Centro Rolex. La decodificación lee la obra de Sejima-SANAA a la inversa para ‘reconstruir’, en un ejercicio de simulación ficticia, una versión verosímil y coherente de los que podrían haber sido sus procesos proyectuales; podrían, porque los verdaderos son imposibles de dilucidar. Los que se proponen se pretenden exclusivamente verosímiles y plausibles. Con ello se pretende contribuir al entendimiento y comprensión de la arquitectura de Sejima-SANAA y, tangencialmente y en menor medida, a la teoría sobre el ejercicio proyectual arquitectónico. La decodificación se centra en dos aspectos concretos: la forma arquitectónica y el papel proyectual de la estructura portante. Ambas decodificaciones se extienden inevitablemente a otros aspectos relacionados, como, por ejemplo, la naturaleza del espacio arquitectónico. El procedimiento de investigación partió de una descripción objetiva y pormenorizada de los significantes formales y estructurales de cada proyecto desde su propia configuración física y geométrica. Esa descripción ‘objetiva’, llevada al límite, permitió que afloraran estructuras conceptuales y lógicas subyacentes de cada proyecto. Unida a interpretación crítica, –mediante su relación y confrontación con otras arquitecturas y otros modos de hacer conocidos- permitió trazar la reconstitución ficticia que persigue la decodificación. Ese trabajo se materializó en veinte ensayos críticos y se acompañó de un conjunto de otros textos sobre temas sugeridos o reclamados por el proceso de investigación. El conjunto de todos esos textos constituye el material de trabajo de la tesis. A partir de ahí, con una visión de conjunto, la tesis identifica una trayectoria de estrategias formales y una trayectoria de estrategias proyectuales relacionadas con lo portante. Juntas conforman el grueso de la tesis que se expone en los cuatro capítulos centrales. Los precede un capítulo introductorio que expone el recorrido biográfico de K. Sejima y la trayectoria profesional de Sejima-SANAA; y los siguen de unos textos transversales sobre forma, lugar y espacio. La tesis termina con una síntesis de sus conclusiones. Las estrategias formales se exponen en tres capítulos. El primero, ‘Primeras estrategias formales’ agrupa proyectos de la primera etapa de Sejima. El segundo capítulo está dedicado enteramente al proyecto de los apartamentos en Gifu, 1994-98, que según esta tesis, supuso un importante punto de inflexión en la trayectoria de Sejima; tanto el tercer capítulo lleva por nombre ‘Estrategias formales después de Gifu’ y recoge los proyectos que le siguieron. Las ‘Primeras estrategias formales’, varias y balbucientes, se mueven en general en torno a dos modos o procedimientos de composición, bien conocidos: por partes y sistemático. Éste última inicia en la trayectoria de SANAA un aspecto que va a ser relevante de aquí en adelante: entender el proyecto como propuesta genérica en la que, más allá de su realidad específica y tangible, subyace una lógica, en cada proyecto la suya, extrapolable a otros lugares, otras dimensiones, incluso otros programas: cada proyecto podría dar lugar a otros proyectos de la misma familia. La composición sistemática incluye, entre otros, la Casa Platform II, basada en la definición de un elemento constructivo, y la formulación de unas leyes de repetición y de posibles modos de agrupación. Incluye también la Residencia de Mujeres Saishunkan Seiyaku- proyecto que lanzó a Sejima a la fama internacional-, que también sería un sistema, pero distinto: basado en la repetición regular de una serie de elementos a lo largo de una directriz generando un hipotético contenedor infinito del que el proyecto sería tan solo un fragmento. La estrategia formal del edificio de Gifu ahondaría en la voluntad genérica del proyecto, adoptando la lógica de un juego. El proyecto sería una partida del juego, pero no la única posible, podrían jugarse otras. Esta hipótesis del juego está verificada en ‘El Juego de Gifu’ que - tras formular el juego identificando sus elementos (tablero y fichas), reglas y procedimientos- juega una partida: la que habría dado lugar al edificio proyectado por Sejima. Gifu extiende el concepto de ‘repetir’ un elemento constructivo a la de repetir un patrón espacial, lo que conlleva: la desvinculación entre forma y función; y un nuevo concepto de flexibilidad, que deja de referirse al uso flexible del edificio construido para pertenecer al momento proyectual en que se asignan funciones específicas a los patrones espaciales. Esta tesis propone que esa asignación de funciones sería uno de los últimos eslabones del proceso proyectual, algo opuesto a la premisa moderna de “la forma sigue a la función”. Las estrategias formales ‘Después de Gifu’ tienen también lógicas de juego, pero cada estrategia responde a un juego distinto, como dejan entrever sus nombres: ‘Tableros de Juego’, que con distintos grados de madurez estaría presente en varios proyectos; ‘Elementos de Catálogo’ en el Museo de Kanazawa; ‘Forma apriorística’, en la Casa Flor y ‘Repetición de una situación topológica’, en el Centro Rolex. Todas esas estrategias, o juegos, mantienen aspectos comunes relativos a la forma arquitectónica, precisamente los aspectos Gifu: la repetición aplicada al patrón espacial, y lo que conlleva: desvinculación entre forma y función y la nueva acepción de flexibilidad. ‘Tableros de Juego’ consiste en configurar cada sistema de proyecto (estructura, cerramientos, particiones y mobiliario) eligiendo elementos ofrecidos por una geometría de base, en cada proyecto la suya, en general reticular: intersecciones, líneas, módulos. Cada sistema se configura, en principio, sin relación de subordinación con cualquiera de los demás; cuando esa subordinación es ineludible, el juego determina que el sistema portante no puede materializar el orden geométrico de base, lo que se traduce en que no ejerce el papel dominante. Por lo tanto, ‘Tableros de Juego’ transgrede la lógica de la planta libre moderna: la estructura ni refleja ni revela el orden de base y los sistemas no respetan las relaciones de subordinación jerárquica y encadenada que aquella determinaba. Esta estrategia de ‘Tableros de juego’ deriva en soluciones y proyectos formales muy distintos: los proyectos de Oogaki y Park Café, que presentarían ‘Tableros de Juego’ incipientes; De Kunstlinie en Almere y la Escuela de Zollverein, que presentarían una consolidación de esta estrategia; y el Pabellón de Vidrio de Toledo que resultaría de la subversión de la estrategia. Este último proyecto, además, lleva el concepto de repetición más allá del elemento constructivo y del patrón espacial (que en este caso tiene forma de burbuja) parar acabar afectando a la propia experiencia del espectador, que esté donde esté, siempre tiene la sensación de estar en el mismo sitio. Esta tesis denomina a ese espacio repetitivo como ‘espacio mantra’. La estrategia ‘Elementos de Catálogo’ se ilustra con el Museo de Kanazawa. Su lógica parte de la definición de una serie de elementos, muy pocos, y se basa en el ingente número de posibles combinaciones entre sí. Gifu habría anunciado el catalogo de elementos en la caracterización de sus patrones espaciales. La estrategia ‘Forma Apriorística’ se ilustra con la Casa Flor. La decisión sobre el tipo de forma -en este caso la de una ameba- estaría al principio del proceso proyectual, lo que no quiere decir que sea una forma arbitraria: la forma de la ameba lleva implícita la repetición de un patrón espacial (el seudópodo) y una apoteosis del concepto de repetición que, alcanzando la experiencia espacial, da lugar a un espacio repetitivo o mantra. El ‘Espacio Mantra’ es uno de los leitmotivs, que se emplean como argumento en la última estrategia formal que la Tesis decodifica: el Centro Rolex. Con respecto a la estructura portante, la tesis identifica y traza una trayectoria de cinco estrategias proyectuales: preeminencia, ocultación, disolución, desaparición y desvirtuación. --Ocultación, reduce el papel dominante de la estructura. Al principio es una ocultación literal, casi un tapado de los elementos estructurales, como en Gifu; luego se hace más sofisticada, como la ocultación por camuflaje o la paradójica ocultación por multiplicación de Park Café. --La disolución merma la condición dominante de la estructura que en lugar de configurarse como sistema unitario u homogéneo se fragmenta en varios subsistemas. --La desaparición se refiere a estructuras que desaparecen como sistemas propios y autónomos, a proyectos en los que la función portante es desempeñada por otros sistemas como el de las particiones. La desaparición culmina con la Casa Flor, cuyo perímetro ejerce la función portante y además es transparente, está desmaterializado: la estructura se ha hecho invisible, ha desaparecido. --La desvirtuación se refiere a estructuras que sí se presentan como sistemas propios y autónomos, pero dejan de tener un papel preeminente por cuanto no materializan el orden de base: esta estrategia es correlativa a la estrategia formal ‘Tableros de juego’. Las conclusiones de la tesis están en la propia organización de la tesis: la identificación de las estrategias. Aún así, y como epílogos, se exponen seis. Las dos primeras subrayan el hilo conductor del trabajo realizado, que radica en la cualidad genérica de las estrategias proyectuales en Sejima-SANAA. Las cuatro siguientes dilucidan hasta qué punto hay, en sus proyectos, rasgos o significantes formales y/o estructurales que sean a su vez señales características del panorama arquitectónico contemporáneo; y plantean la pregunta estrella: ¿hay algunos que, apuntando más lejos, supongan aportaciones originales? --Como aportaciones originales la tesis destaca: la identificación entre el ideal genérico y proyecto concreto; y la propuesta de un espacio nuevo, híbrido, una suerte de estadio intermedio entre el espacio subdividido y compartimentado de la tradición y el continuo moderno. --Como síntomas de contemporaneidad se destacan: respecto de la forma, la traslación de la especificidad formal de la parte al conjunto; y respecto de la estructura, la tendencia contemporánea a hacer estructuras cada vez más ligeras y livianas, que tienden a lo evanescente. Ésta última, la tendencia al evanescencia estructural, podría tener la condición de aportación original, no en vano la desaparición de la estructura lleva la evanescencia hacia sus últimas consecuencias, y en el caso de estructuras con presencia física, hace que dejen de ser el sistema ordenador orquestador del proceso proyectual. ABSTRACT The Thesis decodes a selection of twenty representative Sejima-SANAA projects, from the first one built, the Platform I House in 1987, to the Rolex Center in 2010, year in which Sejima and Nishizawa –SANAA- received the Pritzker Prize. Eleven projects are from Sejima: Platform I, Platform II, Saishunkan Seiyaku Women´s Dormitory, N- House, Pachinco Parlor I, Villa in the Forest, Policy Box at Chofu Station, Y-House, Gifu Kitigata Apartment, World City Expo ´96 Facilities Building, Pachinko Parlor III; and nine from SANAA: Multimedia Workshop in Ogaki, Metropolitan Housing Studies, Park Café in Koga, De Kunstlinie in Almere, Kanazawa Museum, Glass Pavilion at the Toledo Museum of Art, Zollverein School, Flower House and the Rolex Center. This decoding reads the Sejima-SANAA’s projects inversely aiming ‘to reconstruct', in a fictitious simulation exercise, a likely and coherent version of what her/their projectual processes ‘could’ have been; ‘could’, because the true ones are impossible to explain. The ones proposed here pretend only to be likely and reasonable. By so doing the Thesis tries to contribute to the understanding and comprehension of Sejima-SANAA architecture and, tangentially and to a lesser extent, to the theory of architectural projects exercise. Decoding centers in two specific aspects: architectural form, and projectual role of the load bearing structure. Both decodes inevitably extend to other related aspects such as, for example, the nature of space. The research procedure begun by carrying out an objective and detailed description of the formal and structural signifiers of each project; looking at them from their physical and geometric configuration. Taken to the limit, the ‘objective’ descriptions allowed the conceptual structures and underlying logics of each project to arise. Together with critical interpretations, which related and confronted them with other architectures and well-known projectual working ways, it became possible to outline and trace the intended fictitious reconstruction decodes. The descriptive analytical work materialized in twenty critical essays, and was accompanied by a set of other essays on subjects suggested or demanded by the research process. Together, all those texts were the material basis on which thesis work was built. Looking at the whole and taking it from there, the thesis identifies two related projectual trajectories: a trajectory of formal strategies and a trajectory of strategies having to do with structural systems and components. Both, together, constitute the bulk of the thesis, as presented in the four central chapters. Preceding them there is an introductory chapter outlining the biographical path of Kazuyo Sejima and the professional trajectory of Sejima-SANAA. And following them there is another one containing transversal texts on form, place and space. The thesis ends with a synthesis on conclusions. The formal strategies are displayed in three chapters. The first one, `Early formal strategies' groups the first phase projects by Sejima. The second one, ‘Formal strategies of Gifu’s paradigm’, is entirely dedicated to the Gifu apartments project, 1994-98, which according to this thesis meant an important inflexion point in Sejima’s trajectory; so much so that the third chapter is named `Formal strategies after Gifu' and gathers the selected projects that followed it. The ‘Early formal strategies', diverse and tentative, move in general around two well-known projectual composition methods ‘composition by parts’, and ‘systematic composition’. This last one –systematic composition- begins and leads in SANAA’s trajectory an aspect which will remain relevant from here on: the understanding of the project as if it were an specific instance of a generic proposal in which -below and beyond the project tangible reality- there lays a logic that could be applicable at other places, for other dimensions, even with other programs; from each project, other projects of the same family could rise. The set of projects using this systematic composition method include, among others, the ‘Platform II House, based on the definition of a constructive element and of rules having to do with its replicas and their possible groupings. It also includes the Saishunkan Seiyaku Women Residence -project that launched Sejima to international fame- that could also be seen as a system, but of a different kind: a system based on the regular repetition of a series of elements along a directive line, thus generating a hypothetical infinite container of which the project would be only a fragment. The formal strategy of the Gifu apartments building would push further towards the generic project concept, adopting the logic of a game. The project would be a bout, a round, one play…, but not the only possible one; others could be played. The thesis confirms this game hypothesis -after having formulated `The Game of Gifu' and identified its elements (board, chips, rules and procedures)- playing the one play from which the building as projected by Sejima would have raised. Gifu extends the concept of ‘repeating a constructive element’ to that of ‘repeating a space pattern element’, and to what it implies: the decoupling of form and function, leading to a new concept of flexibility that no longer refers to the flexible use of the constructed building but to the projectual moment at which the specific functions are assigned to the space patterns. This thesis proposes that this allocation of functions would be one of the last steps in projectual process, quite opposite from the modern premise: “form follows function”. The Formal strategies after Gifu do also have a game logic; but, as their names reveal, each strategy responds to a different game: ‘Game Boards’, present with different maturity levels in several projects; ‘Elements from a Catalogue’, in the Kanazawa Museum; ‘Aprioristic Form’, in the Flower House; and ‘Repetition of a topologic situation', in the Rolex Center. All of these strategies, or games, maintain common aspects having to do with architectural form; aspects that were already present, precisely, in Gifu: repetition of space pattern units, uncoupling of form and function, and a new meaning of flexibility. -`Game Boards’ consists on setting up a base geometry -each project his, generally reticular- and give form to each project system (structure, closings, partitions and furniture) by choosing elements -intersections, lines, modules- it offers. Each project system is formed, in principle, with no subordinated relation with any of the others; when subordination is unavoidable, the game rules determine that the load bearing structural system may not be the one to materialize the base geometric order, which means that it does not exert the dominant role. Therefore, ‘Game Boards' transgresses the Modern logic, because the structure neither reflects nor reveals the base order, and because the systems do not respect any of the hierarchic and chained subordination relations that the ‘free plan’ called for. ‘Game Boards' leads to quite different solutions and formal projects: the Oogaki and Park Coffee projects show incipient Game Boards; The Almere Kunstlinie and the Zollverein School present consolidations of this strategy; and the Toledo’s Glass Pavilion results from subverting the strategy. In addition, the Toledo project takes the repetition concept beyond that of using a constructive element and a space pattern element (in this case with a bubble form) to end up affecting the personal experience of the spectator, who, wherever he is, feels to always be in the same place. This thesis denominates that repetitive space as ‘Mantra space '. -‘Elements from a Catalogue’ is shown with the Kanazawa Museum. Its logic starts from the definition of a series of elements, very few, and it is based on the huge number of possible combinations among them. The ‘Elements from a Catalogue’ approach was announced in the Gifu project when characterizing its space pattern elements. -Aprioristic Form' is illustrated by the Flower House. The decision on the type of form -in this case the form of an amoeba- would be the beginning of the projectual process, but it does not mean it is arbitrary form: the amoeba form implies repeating a space pattern (pseudopodia) and an apotheosis of the repetition concept: embracing the space experience, it gives rise to a repetitive or mantra space. ‘Mantra Space’ is one of leitmotivs used as an argument in the last formal strategy Thesis decodes: the Rolex Center. With respect to the ‘Projectual strategies of the load bearing structure’, the thesis finds and traces a trajectory of five projectual strategies: ‘preeminence, concealment, dissolution, disappearance and desvirtuación’. --Preeminence is present in Sejima’s first works in which she resorts to structures which have a dominant preeminent role in the project in so far as they impersonate the greater scale and/or materialize the base geometric order. In later works that preeminence will be inverted, the projects aiming towards its opposite: lighter, slighter, smaller structures. -Concealment reduces the dominant role of the structure. At the outset concealment is literal, almost hiding the structural elements, as in Gifu; soon it will become more sophisticated, such as the concealment by camouflage or the paradoxical concealment by multiplication in the Koga Park Café. -Dissolution diminishes the dominant condition of the structure: instead of its’ being configured as unitary or homogenous system is fragmented in several subsystems. -Disappearance talks about structures that fade away as self referred and independent systems; projects in which the load bearing function is carried out by other systems such as the set of partitions. Disappearance reaches its zenith at the Flower House, whose perimeter functions structurally being, in addition, transparent, immaterial: its structure has become invisible, has disappeared. -Desvirtuación talks about structures that do appear like independent self-systems, but which that do not longer have a preeminent paper, inasmuch as they do not materialize the base order. This strategy correlates with the ‘Game Boards’ formal strategy. The thesis conclusions are show by the organization of the thesis itself: its identification of the different strategies. Even so, as epilogues, the thesis exposes six ‘Conclusions’. The first two emphasize the leading thread of the work done, rooted in the generic quality of the Sejima-SANAA projectual strategies. The following four expound to what extent their projects show features, or formal and/or structural signifiers, which also are or can be read as characteristic signals of the contemporary architectonic panorama, and raise the key question: aiming farther, may some of them be taken as original contributions? -As original contributions the conclusions highlight: the identification between the generic ideal and the concrete project; and the proposal of a new, hybrid space, kind of an intermediate stage between the traditional subdivided compartmented space and the continuous modern. -As symptoms of contemporaneousness: in relation to the form it highlights the transferring of the formal specificity from the part to the whole; and in relation to the structure, it underscore the contemporary tendency towards lighter and growingly slimmer structures, tending to the evanescent. This last one, the tendency towards structural evanescence, could have condition of being an original contribution, not in vain it carries the structural disappearance towards its last consequences; and in the case of structures with physical presence, it makes them to cease being the ordering system orchestrating the projectual process.

Fault management techniques for systems with SRAM-based FPGAs

Las Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) SRAM se construyen sobre una memoria de configuración de tecnología RAM Estática (SRAM). Presentan múltiples características que las hacen muy interesantes para diseñar sistemas empotrados complejos. En primer lugar presentan un coste no-recurrente de ingeniería (NRE) bajo, ya que los elementos lógicos y de enrutado están pre-implementados (el diseño de usuario define su conexionado). También, a diferencia de otras tecnologías de FPGA, pueden ser reconfiguradas (incluso en campo) un número ilimitado de veces. Es más, las FPGAs SRAM de Xilinx soportan Reconfiguración Parcial Dinámica (DPR), la cual permite reconfigurar la FPGA sin interrumpir la aplicación. Finalmente, presentan una alta densidad de lógica, una alta capacidad de procesamiento y un rico juego de macro-bloques. Sin embargo, un inconveniente de esta tecnología es su susceptibilidad a la radiación ionizante, la cual aumenta con el grado de integración (geometrías más pequeñas, menores tensiones y mayores frecuencias). Esta es una precupación de primer nivel para aplicaciones en entornos altamente radiativos y con requisitos de alta confiabilidad. Este fenómeno conlleva una degradación a largo plazo y también puede inducir fallos instantáneos, los cuales pueden ser reversibles o producir daños irreversibles. En las FPGAs SRAM, los fallos inducidos por radiación pueden aparecer en en dos capas de arquitectura diferentes, que están físicamente superpuestas en el dado de silicio. La Capa de Aplicación (o A-Layer) contiene el hardware definido por el usuario, y la Capa de Configuración contiene la memoria de configuración y la circuitería de soporte. Los fallos en cualquiera de estas capas pueden hacer fracasar el sistema, lo cual puede ser ás o menos tolerable dependiendo de los requisitos de confiabilidad del sistema. En el caso general, estos fallos deben gestionados de alguna manera. Esta tesis trata sobre la gestión de fallos en FPGAs SRAM a nivel de sistema, en el contexto de sistemas empotrados autónomos y confiables operando en un entorno radiativo. La tesis se centra principalmente en aplicaciones espaciales, pero los mismos principios pueden aplicarse a aplicaciones terrenas. Las principales diferencias entre ambas son el nivel de radiación y la posibilidad de mantenimiento. Las diferentes técnicas para la gestión de fallos en A-Layer y C-Layer son clasificados, y sus implicaciones en la confiabilidad del sistema son analizados. Se proponen varias arquitecturas tanto para Gestores de Fallos de una capa como de doble-capa. Para estos últimos se propone una arquitectura novedosa, flexible y versátil. Gestiona las dos capas concurrentemente de manera coordinada, y permite equilibrar el nivel de redundancia y la confiabilidad. Con el objeto de validar técnicas de gestión de fallos dinámicas, se desarrollan dos diferentes soluciones. La primera es un entorno de simulación para Gestores de Fallos de C-Layer, basado en SystemC como lenguaje de modelado y como simulador basado en eventos. Este entorno y su metodología asociada permite explorar el espacio de diseño del Gestor de Fallos, desacoplando su diseño del desarrollo de la FPGA objetivo. El entorno incluye modelos tanto para la C-Layer de la FPGA como para el Gestor de Fallos, los cuales pueden interactuar a diferentes niveles de abstracción (a nivel de configuration frames y a nivel físico JTAG o SelectMAP). El entorno es configurable, escalable y versátil, e incluye capacidades de inyección de fallos. Los resultados de simulación para algunos escenarios son presentados y comentados. La segunda es una plataforma de validación para Gestores de Fallos de FPGAs Xilinx Virtex. La plataforma hardware aloja tres Módulos de FPGA Xilinx Virtex-4 FX12 y dos Módulos de Unidad de Microcontrolador (MCUs) de 32-bits de propósito general. Los Módulos MCU permiten prototipar Gestores de Fallos de C-Layer y A-Layer basados en software. Cada Módulo FPGA implementa un enlace de A-Layer Ethernet (a través de un switch Ethernet) con uno de los Módulos MCU, y un enlace de C-Layer JTAG con el otro. Además, ambos Módulos MCU intercambian comandos y datos a través de un enlace interno tipo UART. Al igual que para el entorno de simulación, se incluyen capacidades de inyección de fallos. Los resultados de pruebas para algunos escenarios son también presentados y comentados. En resumen, esta tesis cubre el proceso completo desde la descripción de los fallos FPGAs SRAM inducidos por radiación, pasando por la identificación y clasificación de técnicas de gestión de fallos, y por la propuesta de arquitecturas de Gestores de Fallos, para finalmente validarlas por simulación y pruebas. El trabajo futuro está relacionado sobre todo con la implementación de Gestores de Fallos de Sistema endurecidos para radiación. ABSTRACT SRAM-based Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) are built on Static RAM (SRAM) technology configuration memory. They present a number of features that make them very convenient for building complex embedded systems. First of all, they benefit from low Non-Recurrent Engineering (NRE) costs, as the logic and routing elements are pre-implemented (user design defines their connection). Also, as opposed to other FPGA technologies, they can be reconfigured (even in the field) an unlimited number of times. Moreover, Xilinx SRAM-based FPGAs feature Dynamic Partial Reconfiguration (DPR), which allows to partially reconfigure the FPGA without disrupting de application. Finally, they feature a high logic density, high processing capability and a rich set of hard macros. However, one limitation of this technology is its susceptibility to ionizing radiation, which increases with technology scaling (smaller geometries, lower voltages and higher frequencies). This is a first order concern for applications in harsh radiation environments and requiring high dependability. Ionizing radiation leads to long term degradation as well as instantaneous faults, which can in turn be reversible or produce irreversible damage. In SRAM-based FPGAs, radiation-induced faults can appear at two architectural layers, which are physically overlaid on the silicon die. The Application Layer (or A-Layer) contains the user-defined hardware, and the Configuration Layer (or C-Layer) contains the (volatile) configuration memory and its support circuitry. Faults at either layers can imply a system failure, which may be more ore less tolerated depending on the dependability requirements. In the general case, such faults must be managed in some way. This thesis is about managing SRAM-based FPGA faults at system level, in the context of autonomous and dependable embedded systems operating in a radiative environment. The focus is mainly on space applications, but the same principles can be applied to ground applications. The main differences between them are the radiation level and the possibility for maintenance. The different techniques for A-Layer and C-Layer fault management are classified and their implications in system dependability are assessed. Several architectures are proposed, both for single-layer and dual-layer Fault Managers. For the latter, a novel, flexible and versatile architecture is proposed. It manages both layers concurrently in a coordinated way, and allows balancing redundancy level and dependability. For the purpose of validating dynamic fault management techniques, two different solutions are developed. The first one is a simulation framework for C-Layer Fault Managers, based on SystemC as modeling language and event-driven simulator. This framework and its associated methodology allows exploring the Fault Manager design space, decoupling its design from the target FPGA development. The framework includes models for both the FPGA C-Layer and for the Fault Manager, which can interact at different abstraction levels (at configuration frame level and at JTAG or SelectMAP physical level). The framework is configurable, scalable and versatile, and includes fault injection capabilities. Simulation results for some scenarios are presented and discussed. The second one is a validation platform for Xilinx Virtex FPGA Fault Managers. The platform hosts three Xilinx Virtex-4 FX12 FPGA Modules and two general-purpose 32-bit Microcontroller Unit (MCU) Modules. The MCU Modules allow prototyping software-based CLayer and A-Layer Fault Managers. Each FPGA Module implements one A-Layer Ethernet link (through an Ethernet switch) with one of the MCU Modules, and one C-Layer JTAG link with the other. In addition, both MCU Modules exchange commands and data over an internal UART link. Similarly to the simulation framework, fault injection capabilities are implemented. Test results for some scenarios are also presented and discussed. In summary, this thesis covers the whole process from describing the problem of radiationinduced faults in SRAM-based FPGAs, then identifying and classifying fault management techniques, then proposing Fault Manager architectures and finally validating them by simulation and test. The proposed future work is mainly related to the implementation of radiation-hardened System Fault Managers.

Explicit context matching in content-based publish/subscribe systems

Although context could be exploited to improve performance, elasticity and adaptation in most distributed systems that adopt the publish/subscribe (P/S) communication model, only a few researchers have focused on the area of context-aware matching in P/S systems and have explored its implications in domains with highly dynamic context like wireless sensor networks (WSNs) and IoT-enabled applications. Most adopted P/S models are context agnostic or do not differentiate context from the other application data. In this article, we present a novel context-aware P/S model. SilboPS manages context explicitly, focusing on the minimization of network overhead in domains with recurrent context changes related, for example, to mobile ad hoc networks (MANETs). Our approach represents a solution that helps to efficiently share and use sensor data coming from ubiquitous WSNs across a plethora of applications intent on using these data to build context awareness. Specifically, we empirically demonstrate that decoupling a subscription from the changing context in which it is produced and leveraging contextual scoping in the filtering process notably reduces (un)subscription cost per node, while improving the global performance/throughput of the network of brokers without fltering the cost of SIENA-like topology changes.

Adaptation strategies for high order discontinuous Galerkin methods based on Tau-estimation

In this paper three p-adaptation strategies based on the minimization of the truncation error are presented for high order discontinuous Galerkin methods. The truncation error is approximated by means of a ? -estimation procedure and enables the identification of mesh regions that require adaptation. Three adaptation strategies are developed and termed a posteriori, quasi-a priori and quasi-a priori corrected. All strategies require fine solutions, which are obtained by enriching the polynomial order, but while the former needs time converged solutions, the last two rely on non-converged solutions, which lead to faster computations. In addition, the high order method permits the spatial decoupling for the estimated errors and enables anisotropic p-adaptation. These strategies are verified and compared in terms of accuracy and computational cost for the Euler and the compressible Navier?Stokes equations. It is shown that the two quasi- a priori methods achieve a significant reduction in computational cost when compared to a uniform polynomial enrichment. Namely, for a viscous boundary layer flow, we obtain a speedup of 6.6 and 7.6 for the quasi-a priori and quasi-a priori corrected approaches, respectively.

Adaptation Strategies for Discontinuous Galerkin Spectral Element Methods by means of Truncation Error Estimations

In this work a p-adaptation (modification of the polynomial order) strategy based on the minimization of the truncation error is developed for high order discontinuous Galerkin methods. The truncation error is approximated by means of a truncation error estimation procedure and enables the identification of mesh regions that require adaptation. Three truncation error estimation approaches are developed and termed a posteriori, quasi-a priori and quasi-a priori corrected. Fine solutions, which are obtained by enriching the polynomial order, are required to solve the numerical problem with adequate accuracy. For the three truncation error estimation methods the former needs time converged solutions, while the last two rely on non-converged solutions, which lead to faster computations. Based on these truncation error estimation methods, algorithms for mesh adaptation were designed and tested. Firstly, an isotropic adaptation approach is presented, which leads to equally distributed polynomial orders in different coordinate directions. This first implementation is improved by incorporating a method to extrapolate the truncation error. This results in a significant reduction of computational cost. Secondly, the employed high order method permits the spatial decoupling of the estimated errors and enables anisotropic p-adaptation. The incorporation of anisotropic features leads to meshes with different polynomial orders in the different coordinate directions such that flow-features related to the geometry are resolved in a better manner. These adaptations result in a significant reduction of degrees of freedom and computational cost, while the amount of improvement depends on the test-case. Finally, this anisotropic approach is extended by using error extrapolation which leads to an even higher reduction in computational cost. These strategies are verified and compared in terms of accuracy and computational cost for the Euler and the compressible Navier-Stokes equations. The main result is that the two quasi-a priori methods achieve a significant reduction in computational cost when compared to a uniform polynomial enrichment. Namely, for a viscous boundary layer flow, we obtain a speedup of a factor of 6.6 and 7.6 for the quasi-a priori and quasi-a priori corrected approaches, respectively. RESUMEN En este trabajo se ha desarrollado una estrategia de adaptación-p (modificación del orden polinómico) para métodos Galerkin discontinuo de alto orden basada en la minimización del error de truncación. El error de truncación se estima utilizando el método tau-estimation. El estimador permite la identificación de zonas de la malla que requieren adaptación. Se distinguen tres técnicas de estimación: a posteriori, quasi a priori y quasi a priori con correción. Todas las estrategias requieren una solución obtenida en una malla fina, la cual es obtenida aumentando de manera uniforme el orden polinómico. Sin embargo, mientras que el primero requiere que esta solución esté convergida temporalmente, el resto utiliza soluciones no convergidas, lo que se traduce en un menor coste computacional. En este trabajo se han diseñado y probado algoritmos de adaptación de malla basados en métodos tau-estimation. En primer lugar, se presenta un algoritmo de adaptacin isótropo, que conduce a discretizaciones con el mismo orden polinómico en todas las direcciones espaciales. Esta primera implementación se mejora incluyendo un método para extrapolar el error de truncación. Esto resulta en una reducción significativa del coste computacional. En segundo lugar, el método de alto orden permite el desacoplamiento espacial de los errores estimados, permitiendo la adaptación anisotropica. Las mallas obtenidas mediante esta técnica tienen distintos órdenes polinómicos en cada una de las direcciones espaciales. La malla final tiene una distribución óptima de órdenes polinómicos, los cuales guardan relación con las características del flujo que, a su vez, depenen de la geometría. Estas técnicas de adaptación reducen de manera significativa los grados de libertad y el coste computacional. Por último, esta aproximación anisotropica se extiende usando extrapolación del error de truncación, lo que conlleva un coste computational aún menor. Las estrategias se verifican y se comparan en téminors de precisión y coste computacional utilizando las ecuaciones de Euler y Navier Stokes. Los dos métodos quasi a priori consiguen una reducción significativa del coste computacional en comparación con aumento uniforme del orden polinómico. En concreto, para una capa límite viscosa, obtenemos una mejora en tiempo de computación de 6.6 y 7.6 respectivamente, para las aproximaciones quasi-a priori y quasi-a priori con corrección.

Grid-Connected Forward Microinverter With Primary-Parallel Secondary-Series Transformer

This paper presents a primary-parallel secondaryseries multicore forward microinverter for photovoltaic ac-module application. The presented microinverter operates with a constant off-time boundary mode control, providing MPPT capability and unity power factor. The proposed multitransformer solution allows using low-profile unitary turns ratio transformers. Therefore, the transformers are better coupled and the overall performance of the microinverter is improved. Due to the multiphase solution, the number of devices increases but the current stress and losses per device are reduced contributing to an easier thermal management. Furthermore, the decoupling capacitor is split among the phases, contributing to a low-profile solution without electrolytic capacitors suitable to be mounted in the frame of a PV module. The proposed solution is compared to the classical parallel-interleaved approach, showing better efficiency in a wide power range and improving the weighted efficiency.

Subnuclear localization of the active variant surface glycoprotein gene expression site in Trypanosoma brucei

In Trypanosoma brucei, transcription by RNA polymerase II and 5′ capping of messenger RNA are uncoupled: a capped spliced leader is trans spliced to every RNA. This decoupling makes it possible to have protein-coding gene transcription driven by RNA polymerase I. Indeed, indirect evidence suggests that the genes for the major surface glycoproteins, variant surface glycoproteins (VSGs) in bloodstream-form trypanosomes, are transcribed by RNA polymerase I. In a single trypanosome, only one VSG expression site is maximally transcribed at any one time, and it has been speculated that transcription takes place at a unique site within the nucleus, perhaps in the nucleolus. We tested this by using fluorescence in situ hybridization. With probes that cover about 50 kb of the active 221 expression site, we detected nuclear transcripts of this site in a single fluorescent spot, which did not colocalize with the nucleolus. Analysis of marker gene-tagged active expression site DNA by fluorescent DNA in situ hybridization confirmed the absence of association with the nucleolus. Even an active expression site in which the promoter had been replaced by an rDNA promoter did not colocalize with the nulceolus. As expected, marker genes inserted in the rDNA array predominantly colocalize with the nucleolus, whereas the tubulin gene arrays do not. We conclude that transcription of the active VSG expression site does not take place in the nucleolus.

The microwave background anisotropies: Observations

Most cosmologists now believe that we live in an evolving universe that has been expanding and cooling since its origin about 15 billion years ago. Strong evidence for this standard cosmological model comes from studies of the cosmic microwave background radiation (CMBR), the remnant heat from the initial fireball. The CMBR spectrum is blackbody, as predicted from the hot Big Bang model before the discovery of the remnant radiation in 1964. In 1992 the cosmic background explorer (COBE) satellite finally detected the anisotropy of the radiation—fingerprints left by tiny temperature fluctuations in the initial bang. Careful design of the COBE satellite, and a bit of luck, allowed the 30 μK fluctuations in the CMBR temperature (2.73 K) to be pulled out of instrument noise and spurious foreground emissions. Further advances in detector technology and experiment design are allowing current CMBR experiments to search for predicted features in the anisotropy power spectrum at angular scales of 1° and smaller. If they exist, these features were formed at an important epoch in the evolution of the universe—the decoupling of matter and radiation at a temperature of about 4,000 K and a time about 300,000 years after the bang. CMBR anisotropy measurements probe directly some detailed physics of the early universe. Also, parameters of the cosmological model can be measured because the anisotropy power spectrum depends on constituent densities and the horizon scale at a known cosmological epoch. As sophisticated experiments on the ground and on balloons pursue these measurements, two CMBR anisotropy satellite missions are being prepared for launch early in the next century.

System for robot control inspired by the functionality and organisation of the human nervous system

This paper presents a model of a control system for robot systems inspired by the functionality and organisation of human neuroregulatory system. Our model was specified using software agents within a formal framework and implemented through Web Services. This approach allows the implementation of the control logic of a robot system with relative ease, in an incremental way, using the addition of new control centres to the system as its behaviour is observed or needs to be detailed with greater precision, without the need to modify existing functionality. The tests performed verify that the proposed model has the general characteristics of biological systems together with the desirable features of software, such as robustness, flexibility, reuse and decoupling.

Caracterización de la impedancia de transferencia de materiales porosos-fibrosos usando holografía acústica de campo cercano (NAH)

En este trabajo se aplica la técnica de holografía acústica de campo cercano (NAH-Near field Acoustic Holography) para determinar la velocidad de vibración de la superficie de una capa de material absorbente que a su vez está adherido a una placa metálica circular que emula un pistón rígido. Este dato de la velocidad es necesario para predecir su impedancia de transferencia. En la experiencia propuesta, la placa metálica vibra por la acción de un actuador ubicado en su centro transmitiendo su vibración a la lámina porosa. El experimento y la técnica implementada se apoyan en la hipótesis del desacoplamiento de la parte vibratoria y la acústica de un sistema placa-poroso para determinar la eficiencia de radiación.

Simulating Granite Emplacement and Deformation with Centrifuge Analogue Modelling

The Greater Himalayan leucogranites are a discontinuous suite of intrusions emplaced in a thickened crust during the Miocene southward ductile extrusion of the Himalayan metamorphic core. Melt-induced weakening is thought to have played a critical role in strain localization that facilitated the extrusion. Recent advancements in centrifuge analogue modelling techniques allow for the replication of a broader range of crustal deformation behaviors, enhancing our understanding of large hot orogens. Polydimethylsiloxane (PDMS) is commonly used in centrifuge experiments to model weak melt zones. Difficulties in handling PDMS had, until now, limited its emplacement in models prior to any deformation. A new modelling technique has been developed where PDMS is emplaced into models that have been subjected to some shortening. This technique aims to better understand the effects of melt on strain localization and potential decoupling between structural levels within an evolving orogenic system. Models are subjected to an early stage of shortening, followed by the introduction of PDMS, and then a final stage of shortening. Theoretical percentages of partial melt and their effect on rock strength are considered when adding a specific percentage of PDMS in each model. Due to the limited size of the models, only PDMS sheets of 3 mm thickness were used, which varied in length and width. Within undeformed packages, minimal surface and internal deformation occurred when PDMS is emplaced in the lower layer of the model, showing a vertical volume increase of ~20% within the package; whereas the emplacement of PDMS into the middle layer showed internal dragging of the middle laminations into the lower layer and a vertical volume increase ~30%. Emplacement of PDMS results in ~7% shortening for undeformed and deformed models. Deformed models undergo ~20% additional shortening after two rounds of deformation. Strain localization and decoupling between units occur in deformed models where the degree of deformation changes based on the amount of partial melt present. Surface deformation visible by the formation of a bulge, mode 1 extension cracks and varying surface strain ellipses varies depending if PDMS is present. Better control during emplacement is exhibited when PDMS is added into cooler models, resulting in reduced internal deformation within the middle layer.