Electrodynamic Tethers For Planetary And De-orbiting Missions

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

Tether radiation in Juno-type and circular-equatorial Jovian orbits

Wave radiation by a conductor carrying a steady current in both a polar, highly eccentric, low perijove orbit, as in NASA's planned Juno mission, and an equatorial low Jovian orbit (LJO) mission below the intense radiation belts, is considered. Both missions will need electric power generation for scientific instruments and communication systems. Tethers generate power more efficiently than solar panels or radioisotope power systems (RPS). The radiation impedance is required to determine the current in the overall tether circuit. In a cold plasma model, radiation occurs mainly in the Alfven and fast magnetosonic modes, exhibiting a large refraction index. The radiation impedance of insulated tethers is determined for both modes and either mission. Unlike the Earth ionospheric case, the low-density, highly magnetized Jovian plasma makes the electron gyrofrequency much larger than the plasma frequency; this substantially modifies the power spectrum for either mode by increasing the Alfven velocity. Finally, an estimation of the radiation impedance of bare tethers is considered. In LJO, a spacecraft orbiting in a slow downward spiral under the radiation belts would allow determining magnetic field structure and atmospheric composition for understanding the formation, evolution, and structure of Jupiter. Additionally, if the cathodic contactor is switched off, a tether floats electrically, allowing e-beam emission that generate auroras. On/off switching produces bias/current pulses and signal emission, which might be used for Jovian plasma diagnostics.

Analysis of microscopic magnitudes of radiative blast waves launched in xenon clusters with collisional-radiative steady-state simulations

Radiative shock waves play a pivotal role in the transport energy into the stellar medium. This fact has led to many efforts to scale the astrophysical phenomena to accessible laboratory conditions and their study has been highlighted as an area requiring further experimental investigations. Low density material with high atomic mass is suitable to achieve radiative regime, and, therefore, low density xenon gas is commonly used for the medium in which the radiative shocks such as radiative blast waves propagate. In this work, by means of collisional-radiative steady-state calculations, a characterization and an analysis of microscopic magnitudes of laboratory blast waves launched in xenon clusters are made. Thus, for example, the average ionization, the charge state distribution, the cooling time or photon mean free paths are studied. Furthermore, for a particular experiment, the effects of the self-absorption and self-emission in the specific intensity emitted by the shock front and that is going through the radiative precursor are investigated. Finally, for that experiment, since the electron temperature is not measured experimentally, an estimation of this magnitude is made both for the shock shell and the radiative precursor.

Determination and analysis of plasma radiative properties for numerical simulations of laboratory radiative blast waves launched in xenon clusters

Radiative shock waves play a pivotal role in the transport energy into the stellar medium. This fact has led to many efforts to scale the astrophysical phenomena to accessible laboratory conditions and their study has been highlighted as an area requiring further experimental investigations. Low density material with high atomic mass is suitable to achieve radiative regime, and, therefore, low density xenon plasmas are commonly used for the medium in which the radiative shocks propagate. The knowledge of the plasma radiative properties is crucial for the correct understanding and for the hydrodynamic simulations of radiative shocks. In this work, we perform an analysis of the radiative properties of xenon plasmas in a range of matter densities and electron temperatures typically found in laboratory experiments of radiative shocks launched in xenon plasmas. Furthermore, for a particular experiment, our analysis is applied to make a diagnostics of the electron temperatures of the radiative shocks since they could not be experimentally measured

Background noise and its influence on the brain waves related to attention

In this work, we present a study whose objective is to prove the influence of background noise produced inside university facilities on the brain waves related to attention processes. Recordings of background noise were carried out in study areas inside university facilities. Volunteers were asked to perform an attention test without any background noise but also while being exposed to the sound recordings, and their cerebral activity was recorded through electroencephalography (EEG). After the application of the test in both conditions, changes in the frequency bands related to attention processes (beta 13-30 Hz and theta 4-7 Hz) were studied. The results of this study show that when the students were performing the test while being exposed to background noise, both beta and theta frequency bands decreased statistically significantly. Because attentional improvement is related to increases of the beta and theta waves, we believe that those decreases are directly related to a lack of attention caused by the exposure to background noise. Nevertheless, the results do not allow us to conclude that background noise produced inside university facilities has an influence on the attentional processes.

Numerical and experimental study of the parametric rolling of a fisihing vessel in regular head waves

The dynamic behaviour of a fishing vessel in waves is studied in order to reveal its parametric rolling characteristics. This paper presents experimental and numerical results in longitudinal regular waves. The experimental results are compared against the results of a time-domain non-linear strip theory model of ship motions in six degrees-of-freedom. These results contribute to the validation of the parametric rolling prediction method, so that it can be used as an assessment tool to evaluate both the susceptibility and severity of occurrence of parametric rolling at the early design stage of these types of vessels.

Offshore stereo measurements of gravity waves

Stereo video techniques are effective for estimating the space-time wave dynamics over an area of the ocean. Indeed, a stereo camera view allows retrieval of both spatial and temporal data whose statistical content is richer than that of time series data retrieved from point wave probes. To prove this, we consider an application of the Wave Acquisition Stereo System (WASS) for the analysis of offshore video measurements of gravity waves in the Northern Adriatic Sea. In particular, we deployed WASS at the oceanographic platform Acqua Alta, off the Venice coast, Italy. Three experimental studies were performed, and the overlapping field of view of the acquired stereo images covered an area of approximately 1100 m2. Analysis of the WASS measurements show that the sea surface can be accurately estimated in space and time together, yielding associated directional spectra and wave statistics that agree well with theoretical models. From the observed wavenumber-frequency spectrum one can also predict the vertical profile of the current flow underneath the wave surface. Finally, future improvements of WASS and applications are discussed.

Chaos in non lineal Alfven waves using the DNLS equations

The electro-dynamical tethers emit waves in structured denominated Alfven wings. The Derivative Nonlineal Schrödinger Equation (DNLS) possesses the capacity to describe the propagation of circularly polarized Alfven waves of finite amplitude in cold plasmas. The DNLS equation is truncated to explore the coherent, weakly nonlinear, cubic coupling of three waves near resonance, one wave being linearly unstable and the other waves damped. In this article is presented a theoretical and numerical analysis when the growth rate of the unstable wave is next to zero considering two damping models: Landau and resistive. The DNLS equation presents a chaotic dynamics when is consider only three wave truncation. The evolution to chaos possesses three routes: hard transition, period-doubling and intermittence of type I.

Contribution to the Analysis of Waveguides and Design of Passive Components at Millimeter and Submillimeter-Waves

Esta tesis está dedicada al análisis de las guías de onda y el diseño de los componentes pasivos con énfasis en aplicaciones de alta frecuencia. En primer lugar, se lleva a cabo el análisis de las guías de onda con conductores metálicos no ideales, con el objetivo de establecer el límite superior en frecuencia de las aproximaciones habitualmente utilizadas en microondas para el cálculo de las pérdidas óhmicas. Posteriormente, se presenta el diseño de diferentes componentes pasivos de guía de ondas: filtros, transductores de modos ortogonales (OMT), polarizadores, duplexores y alimentadores de antena, funcionando en frecuencias desde 10 a 750 GHz. Para el correcto diseño de componentes a altas frecuencias se requiere, en primer lugar, comprender los nuevos procesos de fabricación y después adecuar los diversos componentes para cumplir especificaciones eléctricas y geométricas simultáneamente. Para esto, se presentan modificaciones y nuevas geometrías de guiado de ondas para diferentes aplicaciones y procesos tecnológicos. Además se discuten sus ventajas sobre las soluciones ya existentes. Además, el trabajo presentado en esta tesis se ocupa del desarrollo completo de dispositivos: diseño, fabricación y caracterización de los componentes ya mencionados. Por último, algunos de los dispositivos desarrollados han sido diseñados para ser integrados en diferentes sistemas. De esta forma, se mejoran las prestaciones y capacidades de dichos sistemas.

Dynamic earth pressures against a retaining wall caused by Rayleigh waves

An approximate procedure for studying harmonic soil-structure interaction problems is presented. The presence of Rayleigh waves is considered and the resulting governing equations of the dynamic soil-structure system are solved in the time domain. With this method the transient and steady states of a vibratory motion and also the nonlinear behaviour of the soil can be studied. As an example, the dynamic earth pressure against a rigid retaining wall is investigated. The loads are assumed to be harmonic Rayleigh waves with both static and dynamic surface surcharges. The dependence of the results on the excitation frequency is shown.

Coupling light into graphene plasmons with the help of surface acoustic waves

We propose a scheme for coupling laser light into graphene plasmons with the help of electrically generated surface acoustic waves. The surface acoustic wave forms a diffraction grating which allows us to excite the long lived phononlike branch of the hybridized graphene plasmon-phonon dispersion with infrared laser light. Our approach avoids patterning the graphene sheet, does not rely on complicated optical near-field techniques, and allows us to electrically switch the coupling between far-field radiation and propagating graphene plasmons.

Analysis of measured and simulated supraglottal acoustic waves

To date, although much attention has been paid to the estimation and modeling of the voice source (ie, the glottal airflow volume velocity), the measurement and characterization of the supraglottal pressure wave have been much less studied. Some previous results have unveiled that the supraglottal pressure wave has some spectral resonances similar to those of the voice pressure wave. This makes the supraglottal wave partially intelligible. Although the explanation for such effect seems to be clearly related to the reflected pressure wave traveling upstream along the vocal tract, the influence that nonlinear source-filter interaction has on it is not as clear. This article provides an insight into this issue by comparing the acoustic analyses of measured and simulated supraglottal and voice waves. Simulations have been performed using a high-dimensional discrete vocal fold model. Results of such comparative analysis indicate that spectral resonances in the supraglottal wave are mainly caused by the regressive pressure wave that travels upstream along the vocal tract and not by source-tract interaction. On the contrary and according to simulation results, source-tract interaction has a role in the loss of intelligibility that happens in the supraglottal wave with respect to the voice wave. This loss of intelligibility mainly corresponds to spectral differences for frequencies above 1500 Hz.

Pattern formation of parametrically driven surface waves induced by vibration

Esta tesis se centra en la generación de ondas superficiales subarmónicas en fluidos sometidos a vibración forzada en el régimen gravitatorio capilar con líquidos de baja viscosidad. Tres problemas diferentes han sido estudiados: un contenedor rectangular con vibración horizontal, la misma geometría pero con una combinación de vibración vertical y horizontal y un obstáculo completamente sumergido vibrado verticalmente en un contenedor grande. Se deriva una ecuación de amplitud desde primeros principios para describir las ondas subarmónicas con forzamiento parámetrico inducido por la vibración. La ecuación es bidimensional mientras que el problema original es tridimensional y admite un forzamiento espacial no uniforme. Usando esta ecuación los tres sistemas han sido analizados, centrándose en calcular la amplitud crítica, la orientación de los patrones y el carácter temporal de los patrones espaciotemporales, que pueden ser estrictamente subarmónicos o cuasiperiodicos con una frecuencia de modulación temporal. La dependencia con los parámetros adimensionales también se considera. La teoría será comparada con los experimentos disponibles en la literatura. Abstract This thesis focus on the generation of subharmonic surface waves on fluids subject to forced vibration in the gravity-capillary regime with liquids of small viscosity. Three different problems have been considered: a rectangular container under horizontal vibration; the same geometry but under a combination of horizontal and vertical vibration; and a fully submerged vertically vibrated obstacle in a large container. An amplitude equation is derived from first principles that fairly precisely describes the subharmonic surfaces waves parametrically driven by vibration. That equation is two dimensional while the underlying problem is three-dimensional and permits spatially nonuniform forcing. Using this equation, the three systems have been analyzed, focusing on the calculation of the threshold amplitude, the pattern orientation, and the temporal character of the spatio-temporal patterns, which can be either strictly subharmonic or quasi-periodic, showing an additional modulation frequency. Dependence on the non-dimensional parameters is also considered. The theory is compared with the experiments available in the literature.

Waves, analytical signals, and some postulates of quantum theory

In this paper we apply the formalism of the analytical signal theory to the Schrödinger wavefunction. Making use exclusively of the wave-particle duality and the rinciple of relativistic covariance, we actually derive the form of the quantum energy and momentum operators for a single nonrelativistic particle. Without using any more quantum postulates, and employing the formalism of the characteristic function, we also derive the quantum-mechanical prescription for the measurement probability in such cases.