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.

Self-organized colloidal quantum dots and metal nanoparticles for plasmon-enhanced intermediate-band solar cells

A colloidal deposition technique is presented to construct long-range ordered hybrid arrays of self-assembled quantum dots and metal nanoparticles. Quantum dots are promising for novel opto-electronic devices but, in most cases, their optical transitions of interest lack sufficient light absorption to provide a significant impact in their implementation. A potential solution is to couple the dots with localized plasmons in metal nanoparticles. The extreme confinement of light in the near-field produced by the nanoparticles can potentially boost the absorption in the quantum dots by up to two orders of magnitude. In this work, light extinction measurements are employed to probe the plasmon resonance of spherical gold nanoparticles in lead sulfide colloidal quantum dots and amorphous silicon thin-films. Mie theory computations are used to analyze the experimental results and determine the absorption enhancement that can be generated by the highly intense near-field produced in the vicinity of the gold nanoparticles at their surface plasmon resonance. The results presented here are of interest for the development of plasmon-enhanced colloidal nanostructured photovoltaic materials, such as colloidal quantum dot intermediate-band solar cells.

Contribución a la caracterización espacial de canales con sistemas MIMO-OFDM en la banda de 2,45 Ghz

La tecnología de múltiples antenas ha evolucionado para dar soporte a los actuales y futuros sistemas de comunicaciones inalámbricas en su afán por proporcionar la calidad de señal y las altas tasas de transmisión que demandan los nuevos servicios de voz, datos y multimedia. Sin embargo, es fundamental comprender las características espaciales del canal radio, ya que son las características del propio canal lo que limita en gran medida las prestaciones de los sistemas de comunicación actuales. Por ello surge la necesidad de estudiar la estructura espacial del canal de propagación para poder diseñar, evaluar e implementar de forma más eficiente tecnologías multiantena en los actuales y futuros sistemas de comunicación inalámbrica. Las tecnologías multiantena denominadas antenas inteligentes y MIMO han generado un gran interés en el área de comunicaciones inalámbricas, por ejemplo los sistemas de telefonía celular o más recientemente en las redes WLAN (Wireless Local Area Network), principalmente por la mejora que proporcionan en la calidad de las señales y en la tasa de transmisión de datos, respectivamente. Las ventajas de estas tecnologías se fundamentan en el uso de la dimensión espacial para obtener ganancia por diversidad espacial, como ya sucediera con las tecnologías FDMA (Frequency Division Multiplexing Access), TDMA (Time Division Multiplexing Access) y CDMA (Code Division Multiplexing Access) para obtener diversidad en las dimensiones de frecuencia, tiempo y código, respectivamente. Esta Tesis se centra en estudiar las características espaciales del canal con sistemas de múltiples antenas mediante la estimación de los perfiles de ángulos de llegada (DoA, Direction-of- Arrival) considerando esquemas de diversidad en espacio, polarización y frecuencia. Como primer paso se realiza una revisión de los sistemas con antenas inteligentes y los sistemas MIMO, describiendo con detalle la base matemática que sustenta las prestaciones ofrecidas por estos sistemas. Posteriormente se aportan distintos estudios sobre la estimación de los perfiles de DoA de canales radio con sistemas multiantena evaluando distintos aspectos de antenas, algoritmos de estimación, esquemas de polarización, campo lejano y campo cercano de las fuentes. Así mismo, se presenta un prototipo de medida MIMO-OFDM-SPAA3D en la banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) de 2,45 Ghz, el cual está preparado para caracterizar experimentalmente el rendimiento de los sistemas MIMO, y para caracterizar espacialmente canales de propagación, considerando los esquemas de diversidad espacial, por polarización y frecuencia. Los estudios aportados se describen a continuación. Los sistemas de antenas inteligentes dependen en gran medida de la posición de los usuarios. Estos sistemas están equipados con arrays de antenas, los cuales aportan la diversidad espacial necesaria para obtener una representación espacial fidedigna del canal radio a través de los perfiles de DoA (DoA, Direction-of-Arrival) y por tanto, la posición de las fuentes de señal. Sin embargo, los errores de fabricación de arrays así como ciertos parámetros de señal conlleva un efecto negativo en las prestaciones de estos sistemas. Por ello se plantea un modelo de señal parametrizado que permite estudiar la influencia que tienen estos factores sobre los errores de estimación de DoA, tanto en acimut como en elevación, utilizando los algoritmos de estimación de DOA más conocidos en la literatura. A partir de las curvas de error, se pueden obtener parámetros de diseño para sistemas de localización basados en arrays. En un segundo estudio se evalúan esquemas de diversidad por polarización con los sistemas multiantena para mejorar la estimación de los perfiles de DoA en canales que presentan pérdidas por despolarización. Para ello se desarrolla un modelo de señal en array con sensibilidad de polarización que toma en cuenta el campo electromagnético de ondas planas. Se realizan simulaciones MC del modelo para estudiar el efecto de la orientación de la polarización como el número de polarizaciones usadas en el transmisor como en el receptor sobre la precisión en la estimación de los perfiles de DoA observados en el receptor. Además, se presentan los perfiles DoA obtenidos en escenarios quasiestáticos de interior con un prototipo de medida MIMO 4x4 de banda estrecha en la banda de 2,45 GHz, los cuales muestran gran fidelidad con el escenario real. Para la obtención de los perfiles DoA se propone un método basado en arrays virtuales, validado con los datos de simulación y los datos experimentales. Con relación a la localización 3D de fuentes en campo cercano (zona de Fresnel), se presenta un tercer estudio para obtener con gran exactitud la estructura espacial del canal de propagación en entornos de interior controlados (en cámara anecóica) utilizando arrays virtuales. El estudio analiza la influencia del tamaño del array y el diagrama de radiación en la estimación de los parámetros de localización proponiendo, para ello, un modelo de señal basado en un vector de enfoque de onda esférico (SWSV). Al aumentar el número de antenas del array se consigue reducir el error RMS de estimación y mejorar sustancialmente la representación espacial del canal. La estimación de los parámetros de localización se lleva a cabo con un nuevo método de búsqueda multinivel adaptativo, propuesto con el fin de reducir drásticamente el tiempo de procesado que demandan otros algoritmos multivariable basados en subespacios, como el MUSIC, a costa de incrementar los requisitos de memoria. Las simulaciones del modelo arrojan resultados que son validados con resultados experimentales y comparados con el límite de Cramer Rao en términos del error cuadrático medio. La compensación del diagrama de radiación acerca sustancialmente la exactitud de estimación de la distancia al límite de Cramer Rao. Finalmente, es igual de importante la evaluación teórica como experimental de las prestaciones de los sistemas MIMO-OFDM. Por ello, se presenta el diseño e implementación de un prototipo de medida MIMO-OFDM-SPAA3D autocalibrado con sistema de posicionamiento de antena automático en la banda de 2,45 Ghz con capacidad para evaluar la capacidad de los sistemas MIMO. Además, tiene la capacidad de caracterizar espacialmente canales MIMO, incorporando para ello una etapa de autocalibración para medir la respuesta en frecuencia de los transmisores y receptores de RF, y así poder caracterizar la respuesta de fase del canal con mayor precisión. Este sistema incorpora un posicionador de antena automático 3D (SPAA3D) basado en un scanner con 3 brazos mecánicos sobre los que se desplaza un posicionador de antena de forma independiente, controlado desde un PC. Este posicionador permite obtener una gran cantidad de mediciones del canal en regiones locales, lo cual favorece la caracterización estadística de los parámetros del sistema MIMO. Con este prototipo se realizan varias campañas de medida para evaluar el canal MIMO en términos de capacidad comparando 2 esquemas de polarización y tomando en cuenta la diversidad en frecuencia aportada por la modulación OFDM en distintos escenarios. ABSTRACT Multiple-antennas technologies have been evolved to be the support of the actual and future wireless communication systems in its way to provide the high quality and high data rates required by new data, voice and data services. However, it is important to understand the behavior of the spatial characteristics of the radio channel, since the channel by itself limits the performance of the actual wireless communications systems. This drawback raises the need to understand the spatial structure of the propagation channel in order to design, assess, and develop more efficient multiantenna technologies for the actual and future wireless communications systems. Multiantenna technologies such as ‘Smart Antennas’ and MIMO systems have generated great interest in the field of wireless communications, i.e. cellular communications systems and more recently WLAN (Wireless Local Area Networks), mainly because the higher quality and the high data rate they are able to provide. Their technological benefits are based on the exploitation of the spatial diversity provided by the use of multiple antennas as happened in the past with some multiaccess technologies such as FDMA (Frequency Division Multiplexing Access), TDMA (Time Division Multiplexing Access), and CDMA (Code Division Multiplexing Access), which give diversity in the domains of frequency, time and code, respectively. This Thesis is mainly focus to study the spatial channel characteristics using schemes of multiple antennas considering several diversity schemes such as space, polarization, and frequency. The spatial characteristics will be study in terms of the direction-of-arrival profiles viewed at the receiver side of the radio link. The first step is to do a review of the smart antennas and MIMO systems technologies highlighting their advantages and drawbacks from a mathematical point of view. In the second step, a set of studies concerning the spatial characterization of the radio channel through the DoA profiles are addressed. The performance of several DoA estimation methods is assessed considering several aspects regarding antenna array structure, polarization diversity, and far-field and near-field conditions. Most of the results of these studies come from simulations of data models and measurements with real multiantena prototypes. In the same way, having understand the importance of validate the theoretical data models with experimental results, a 2,4 GHz MIMO-OFDM-SPAA2D prototype is presented. This prototype is intended for evaluating MIMO-OFDM capacity in indoor and outdoor scenarios, characterize the spatial structure of radio channels, assess several diversity schemes such as polarization, space, and frequency diversity, among others aspects. The studies reported are briefly described below. As is stated in Chapter two, the determination of user position is a fundamental task to be resolved for the smart antenna systems. As these systems are equipped with antenna arrays, they can provide the enough spatial diversity to accurately draw the spatial characterization of the radio channel through the DoA profiles, and therefore the source location. However, certain real implementation factors related to antenna errors, signals, and receivers will certainly reduce the performance of such direction finding systems. In that sense, a parameterized narrowband signal model is proposed to evaluate the influence of these factors in the location parameter estimation through extensive MC simulations. The results obtained from several DoA algorithms may be useful to extract some parameter design for directing finding systems based on arrays. The second study goes through the importance that polarization schemes can have for estimating far-field DoA profiles in radio channels, particularly for scenarios that may introduce polarization losses. For this purpose, a narrowband signal model with polarization sensibility is developed to conduct an analysis of several polarization schemes at transmitter (TX) and receiver (RX) through extensive MC simulations. In addition, spatial characterization of quasistatic indoor scenarios is also carried out using a 2.45 GHz MIMO prototype equipped with single and dual-polarized antennas. A good agreement between the measured DoA profiles with the propagation scenario is achieved. The theoretical and experimental evaluation of polarization schemes is performed using virtual arrays. In that case, a DoA estimation method is proposed based on adding an phase reference to properly track the DoA, which shows good results. In the third study, the special case of near-field source localization with virtual arrays is addressed. Most of DoA estimation algorithms are focused in far-field source localization where the radiated wavefronts are assume to be planar waves at the receive array. However, when source are located close to the array, the assumption of plane waves is no longer valid as the wavefronts exhibit a spherical behavior along the array. Thus, a faster and effective method of azimuth, elevation angles-of-arrival, and range estimation for near-field sources is proposed. The efficacy of the proposed method is evaluated with simulation and validated with measurements collected from a measurement campaign carried out in a controlled propagation environment, i.e. anechoic chamber. Moreover, the performance of the method is assessed in terms of the RMSE for several array sizes, several source positions, and taking into account the effect of radiation pattern. In general, better results are obtained with larger array and larger source distances. The effect of the antennas is included in the data model leading to more accurate results, particularly for range rather than for angle estimation. Moreover, a new multivariable searching method based on the MUSIC algorithm, called MUSA (multilevel MUSIC-based algorithm), is presented. This method is proposed to estimate the 3D location parameters in a faster way than other multivariable algorithms, such as MUSIC algorithm, at the cost of increasing the memory size. Finally, in the last chapter, a MIMO-OFDM-SPAA3D prototype is presented to experimentally evaluate different MIMO schemes regarding antennas, polarization, and frequency in different indoor and outdoor scenarios. The prototype has been developed on a Software-Defined Radio (SDR) platform. It allows taking measurements where future wireless systems will be developed. The novelty of this prototype is concerning the following 2 subsystems. The first one is the tridimensional (3D) antenna positioning system (SPAA3D) based on three linear scanners which is developed for making automatic testing possible reducing errors of the antenna array positioning. A set of software has been developed for research works such as MIMO channel characterization, MIMO capacity, OFDM synchronization, and so on. The second subsystem is the RF autocalibration module at the TX and RX. This subsystem allows to properly tracking the spatial structure of indoor and outdoor channels in terms of DoA profiles. Some results are draw regarding performance of MIMO-OFDM systems with different polarization schemes and different propagation environments.

Self-assembly of large, ordered lamellae from non-bilayer lipids and integral membrane proteins in vitro

In many biological membranes, the major lipids are “non-bilayer lipids,” which in purified form cannot be arranged in a lamellar structure. The structural and functional roles of these lipids are poorly understood. This work demonstrates that the in vitro association of the two main components of a membrane, the non-bilayer lipid monogalactosyldiacylglycerol (MGDG) and the chlorophyll-a/b light-harvesting antenna protein of photosystem II (LHCII) of pea thylakoids, leads to the formation of large, ordered lamellar structures: (i) thin-section electron microscopy and circular dichroism spectroscopy reveal that the addition of MGDG induces the transformation of isolated, disordered macroaggregates of LHCII into stacked lamellar aggregates with a long-range chiral order of the complexes; (ii) small-angle x-ray scattering discloses that LHCII perturbs the structure of the pure lipid and destroys the inverted hexagonal phase; and (iii) an analysis of electron micrographs of negatively stained 2D crystals indicates that in MGDG-LHCII the complexes are found in an ordered macroarray. It is proposed that, by limiting the space available for MGDG in the macroaggregate, LHCII inhibits formation of the inverted hexagonal phase of lipids; in thylakoids, a spatial limitation is likely to be imposed by the high concentration of membrane-associated proteins.

Female preproenkephalin-knockout mice display altered emotional responses

The endogenous opioid system has been implicated in sexual behavior, palatable intake, fear, and anxiety. The present study examined whether ovariectomized female transgenic preproenkephalin-knockout (PPEKO) mice and their wild-type and heterozygous controls displayed alterations in fear and anxiety paradigms, sucrose intake, and lordotic behavior. To examine stability of responding, three squads of the genotypes were tested across seasons over a 20-month period. In a fear-conditioning paradigm, PPEKO mice significantly increased freezing to both fear and fear + shock stimuli relative to controls. In the open field, PPEKO mice spent significantly less time and traversed significantly less distance in the center of an open field than wild-type controls. Further, PPEKO mice spent significantly less time and tended to be less active on the light side of a dark–light chamber than controls, indicating that deletion of the enkephalin gene resulted in exaggerated responses to fear or anxiety-provoking environments. These selective deficits were observed consistently across testing squads spanning 20 months and different seasons. In contrast, PPEKO mice failed to differ from corresponding controls in sucrose, chow, or water intake across a range (0.0001–20%) of sucrose concentrations and failed to differ in either lordotic or female approach to male behaviors when primed with estradiol and progesterone, thereby arguing strongly for the selectivity of a fear and anxiety deficit which was not caused by generalized and nonspecific debilitation. These transgenic data strongly suggest that opioids, and particularly enkephalin gene products, are acting naturally to inhibit fear and anxiety.

Rethinking the role of phosducin: Light-regulated binding of phosducin to 14-3-3 in rod inner segments

Phosducin (Pd), a small protein found abundantly in photoreceptors, is widely assumed to regulate light sensitivity in the rod outer segment through interaction with the heterotrimeric G protein transducin. But, based on histochemistry and Western blot analysis, Pd is found almost entirely in the inner segment in both light and dark, most abundantly near the rod synapse. We report a second small protein, 14-3-3, in the rod with a similar distribution. By immunoprecipitation, phospho-Pd is found to interact with 14-3-3 in material from dark-adapted retina, and this interaction is markedly diminished by light, which dephosphorylates Pd. Conversely, unphosphorylated Pd binds to inner segment G protein(s) in the light. From these results and reported functions of 14-3-3, we have constructed a hypothesis for the regulation of light sensitivity at the level of rod synapse. By dissociating the Pd/14-3-3 complex, light enables both proteins to function in this role.

An approach to three-dimensional structures of biomolecules by using single-molecule diffraction images

We describe an approach to the high-resolution three-dimensional structural determination of macromolecules that utilizes ultrashort, intense x-ray pulses to record diffraction data in combination with direct phase retrieval by the oversampling technique. It is shown that a simulated molecular diffraction pattern at 2.5-Å resolution accumulated from multiple copies of single rubisco biomolecules, each generated by a femtosecond-level x-ray free electron laser pulse, can be successfully phased and transformed into an accurate electron density map comparable to that obtained by more conventional methods. The phase problem is solved by using an iterative algorithm with a random phase set as an initial input. The convergence speed of the algorithm is reasonably fast, typically around a few hundred iterations. This approach and phasing method do not require any ab initio information about the molecule, do not require an extended ordered lattice array, and can tolerate high noise and some missing intensity data at the center of the diffraction pattern. With the prospects of the x-ray free electron lasers, this approach could provide a major new opportunity for the high-resolution three-dimensional structure determination of single biomolecules.

The folding mechanism of larger model proteins: role of native structure.

The folding mechanism of a 125-bead heteropolymer model for proteins is investigated with Monte Carlo simulations on a cubic lattice. Sequences that do and do not fold in a reasonable time are compared. The overall folding behavior is found to be more complex than that of models for smaller proteins. Folding begins with a rapid collapse followed by a slow search through the semi-compact globule for a sequence-dependent stable core with about 30 out of 176 native contacts which serves as the transition state for folding to a near-native structure. Efficient search for the core is dependent on structural features of the native state. Sequences that fold have large amounts of stable, cooperative structure that is accessible through short-range initiation sites, such as those in anti-parallel sheets connected by turns. Before folding is completed, the system can encounter a second bottleneck, involving the condensation and rearrangement of surface residues. Overly stable local structure of the surface residues slows this stage of the folding process. The relation of the results from the 125-mer model studies to the folding of real proteins is discussed.

Excitation transfer spectroscopy with two metastable 138Ba+ ions in same trap.

In the absence of lasers approaching trapped ion clock transitions in sharpness we propose to replace the 12.49 m laser field exciting the D3/2-D5/2 transition of the single Ba+ ion A in D3/2 with the near-field of a close by identical ion B in the excited D5/2 state. We tune the frequency of the near-field by the differential Stark shift generated when the center of mass of the tuned ions is slightly moved out of the trap center by a small bias voltage. We demonstrate that the resultant resonant energy exchange can be made considerably faster than the natural lifetime of either metastable level and show how it might be detected.

The crystal structure of human glycosylation-inhibiting factor is a trimeric barrel with three 6-stranded beta-sheets.

Glycosylation-inhibiting factor (GIF) is a cytokine that is involved in the regulation of IgE synthesis. The crystal structure of recombinant human GIF was determined by the multiple isomorphous replacement method. The structure was refined to an R factor of 0.168 at 1.9 angstrom resolution. The overall structure is seen to consist of three interconnected subunits forming a barrel with three 6-stranded beta-sheets on the inside and six alpha-helices on the outside. There is a 5-angstrom-diameter "hole" through the middle of the barrel. The barrel structure of GIF in part resembles other "trefoil" cytokines such as interleukin 1 and fibroblast growth factor. Each subunit has a new class of alpha + beta sandwich structure consisting of two beta-alpha-beta motifs. These beta-alpha-beta motifs are related by a pseudo-twofold axis and resemble both interleukin 8 and the peptide binding domain of major histocompatibility complex protein, although the topology of the polypeptide chain is quite different.

Nanopartículas superparamagnéticas encapsuladas com polímeros para tratamento de câncer por hipertermia

O câncer é uma das maiores causas de mortalidade no Brasil e no mundo, com potencial de crescimento nas próximas décadas. Um tipo de tratamento promissor é a hipertermia magnética, procedimento no qual as células tumorais morrem pelo efeito do calor gerado por partículas magnéticas após a aplicação de campo magnético alternado em frequências adequadas. Tais partículas também são capazes de atuar como agentes de contraste para imageamento por ressonância magnética, um poderoso método de diagnóstico para identificação de células neoplásicas, formando a combinação conhecida como theranostics (terapia e diagnóstico). Neste trabalho foram sintetizadas nanopartículas de óxido de ferro por método de coprecipitação com posterior encapsulação por técnica de nano spray drying, visando sua aplicação no tratamento de câncer por hipertermia e como agente de contraste para imageamento por ressonância magnética. Para a encapsulação foram utilizadas matrizes poliméricas de Maltodextrina com Polissorbato 80, Pluronic F68, Eudragit® S100 e PCL com Pluronic F68, escolhidos com o intuito de formar partículas que dispersem bem em meio aquoso e que consigam atingir alvo tumoral após administração no corpo do paciente. Parâmetros de secagem pelo equipamento Nano Spray Dryer, como temperatura, solvente e concentração de reagentes, foram avaliados. As partículas formadas foram caracterizadas por Microscopia Eletrônica de Varredura, Difração de Raios-X, Análise Termogravimétrica, Espalhamento de Luz Dinâmico, Espectroscopia de Infravermelho, magnetismo quanto a magnetização de saturação e temperatura, citotoxicidade e potencial de aquecimento. Tais procedimentos indicaram que o método de coprecipitação produziu nanopartículas de magnetita de tamanho em torno 20 nm, superparamagnéticas a temperatura ambiente, sem potencial citotóxico. A técnica de nano spray drying foi eficiente para a formação de partículas com tamanho em torno de 1 μm, também superparamagnéticas, biocompatíveis e com propriedades magnéticas adequadas e para aplicações pretendidas. Destaca-se a amostra com Pluronic, OF-10/15-1P, que apresentou magnetização de saturação de 68,7 emu/g e interação específica com células tumorais.

Estudo comparativo de técnicas numéricas de inversão para obtenção de distribuição de tamanho de gotas em emulsões.

O desenvolvimento de algoritmos computacionais para a obtenção de distribuições de tamanho de partícula em dispersões e que utilizam dados espectroscópicos em tempo real e in-line a partir de sensores permitirá uma variedade de aplicações, como o monitoramento de propriedades em fluidos de corte industriais, acompanhamento de processos de polimerização, tratamento de efluentes e sensoriamento atmosférico. O presente estudo tem como objetivo a implementação e comparação de técnicas para resolução de problemas de inversão, desenvolvendo algoritmos que forneçam distribuição de tamanho de partículas em dispersões a partir de dados de espectroscopia UV-Vis-Nir (Ultravioleta, Visível e Infravermelho próximo). Foram implementadas quatro técnicas, sendo uma delas um método alternativo sem a presença de etapas de inversão. Os métodos que utilizaram alguma técnica de inversão evidenciaram a dificuldade em se obter distribuições de tamanho de gotas (DTG) de boa qualidade, enquanto o método alternativo foi aquele que se mostrou mais eficiente e confiável. Este estudo é parte de um programa cooperativo entre a Universidade de São Paulo e a Universidade de Bremen chamado programa BRAGECRIM (Brazilian German Cooperative Research Initiative in Manufacturing) e é financiado pela FAPESP, CAPES, FINEP e CNPq (Brasil) e DFG (Alemanha).

A proposal of algorithm for solving definite descriptions through dialogue structure

En este trabajo proponemos un algoritmo para la resolución de las descripciones definidas en español a través de la estructura del diálogo, mediante la definición de un espacio de accesibilidad anafórico. Este algoritmo está basado en la hipótesis de que la resolución de la anáfora está relacionada con la estructura del diálogo. Así, la resolución de la anáfora mejora si se especifica un espacio de accesibilidad para cada tipo descripción definida según la estructura del diálogo. La utilización de este espacio de accesibilidad anafóico reduce tanto el tiempo de procesamiento como la posibilidad de obtener un antecedente erróneo. Además, la definición de este espacio de accesibilidad depende únicamente de la propia estructura textual del diálogo.

Pulsar timing irregularities and the imprint of magnetic field evolution

Context. The rotational evolution of isolated neutron stars is dominated by the magnetic field anchored to the solid crust of the star. Assuming that the core field evolves on much longer timescales, the crustal field evolves mainly though Ohmic dissipation and the Hall drift, and it may be subject to relatively rapid changes with remarkable effects on the observed timing properties. Aims. We investigate whether changes of the magnetic field structure and strength during the star evolution may have observable consequences in the braking index n. This is the most sensitive quantity to reflect small variations of the timing properties that are caused by magnetic field rearrangements. Methods. We performed axisymmetric, long-term simulations of the magneto-thermal evolution of neutron stars with state-of-the-art microphysical inputs to calculate the evolution of the braking index. Relatively rapid magnetic field modifications can be expected only in the crust of neutron stars, where we focus our study. Results. We find that the effect of the magnetic field evolution on the braking index can be divided into three qualitatively different stages depending on the age and the internal temperature: a first stage that may be different for standard pulsars (with n ~ 3) or low field neutron stars that accreted fallback matter during the supernova explosion (systematically n < 3); in a second stage, the evolution is governed by almost pure Ohmic field decay, and a braking index n > 3 is expected; in the third stage, at late times, when the interior temperature has dropped to very low values, Hall oscillatory modes in the neutron star crust result in braking indices of a high absolute value and both positive and negative signs. Conclusions. Current magneto-thermal evolution models predict a large contribution to the timing noise and, in particular, to the braking index, from temporal variations of the magnetic field. Models with strong (≳ 1014 G) multipolar or toroidal components, even with a weak (~1012 G) dipolar field are consistent with the observed trend of the timing properties.

Second St. Gallen European Organisation for Research and Treatment of Cancer Gastrointestinal Cancer Conference: consensus recommendations on controversial issues in the primary treatment of rectal cancer

Primary treatment of rectal cancer was the focus of the second St. Gallen European Organisation for Research and Treatment of Cancer (EORTC) Gastrointestinal Cancer Conference. In the context of the conference, a multidisciplinary international expert panel discussed and voted on controversial issues which could not be easily answered using published evidence. Main topics included optimal pretherapeutic imaging, indication and type of neoadjuvant treatment, and the treatment strategies in advanced tumours. Here we report the key recommendations and summarise the related evidence. The treatment strategy for localised rectal cancer varies from local excision in early tumours to neoadjuvant radiochemotherapy (RCT) in combination with extended surgery in locally advanced disease. Optimal pretherapeutic staging is a key to any treatment decision. The panel recommended magnetic resonance imaging (MRI) or MRI + endoscopic ultrasonography (EUS) as mandatory staging modalities, except for early T1 cancers with an option for local excision, where EUS in addition to MRI was considered to be most important because of its superior near-field resolution. Primary surgery with total mesorectal excision was recommended by most panellists for some early tumours with limited risk of recurrence (i.e. cT1-2 or cT3a N0 with clear mesorectal fascia on MRI and clearly above the levator muscles), whereas all other stages were considered for multimodal treatment. The consensus panel recommended long-course RCT over short-course radiotherapy for most clinical situations where neoadjuvant treatment is indicated, with the exception of T3a/b N0 tumours where short-course radiotherapy or even no neoadjuvant therapy were regarded to be an option. In patients with potentially resectable tumours and synchronous liver metastases, most panel members did not see an indication to start with classical fluoropyrimidine-based RCT but rather favoured preoperative short-course radiotherapy with systemic combination chemotherapy or alternatively a liver-first resection approach in resectable metastases, which both allow optimal systemic therapy for the metastatic disease. In general, proper patient selection and discussion in an experienced multidisciplinary team was considered as crucial component of care.