Diseño e implementación de un experimento de electrónica fuera del equilibrio a bordo de un nanosatélite de baja órbita

Abstract

Históricamente, la mecánica estadística ha creado herramientas para describir la evolución de sistemas y procesos en equilibrio termodinámico. Sin embargo, los procesos del mundo real no siempre ocurren en condiciones de equilibrio. La turbulencia en fluidos, la materia granular y las máquinas moleculares son sistemas que tienen que lidiar constantemente con esta condición. En base a esto, se han desarrollado herramientas ampliamente utilizadas por la comunidad científica, conocidas como los Teoremas de Fluctuación. No obstante, se ha demostrado -mediante experimentos y simulaciones- que dichos teoremas no son válidos incluso en sistemas de primer orden. Especificamente en [1], se demostró que para un circuito RC fuera del equilibrio, las fluctuaciones de potencia inyectada se atañen a los teoremas de fluctuación solamente si la magnitud de las fluctuaciones son acotadas a un rango específico, lo cual rápidamente deja de ser cierto al aumentar la magnitud del forzante. En vista de esta problemática, este trabajo de tesis busca ampliar la investigación anterior mediante la exposición de un circuito RC a un ambiente espacial. El objetivo principal es desarrollar un experimento que se inserta como carga útil o payload para el nanosatélite SUCHAI. Y además se busca medir los cambios en las fluctuaciones de potencia inyectada con respecto al ambiente espacial. Este payload forma parte de la misión de SUCHAI y conforma la primera iteración de una familia de experimentos electrónicos que permiten acceder al espacio a tiempo real y a costos accesibles. Los resultados obtenidos muestran que es posible forzar un circuito RC a un estado fuera del equilibrio bajo las restricciones del Cubesat. Sin embargo, los datos satelitales no muestran diferencias sustanciales con respecto a las fluctuaciones en tierra. Con respecto al escenario descrito, se realizaron pruebas en ambientes controlados de presión (5 · 10 −6 y 760 [Torr]) y temperatura (−30 ◦ C a 45 ◦ C); donde simultáneamente se comparó la decisión de utilizar un generador de señales y un osciloscopio para excitar y medir el circuito. Estos datos tampoco muestran una diferencia en las fluctuaciones generada por los cambios de presión y tempe- ratura. En una prueba final, se propuso medir un RC equivalente independiente al satélite y además filtrar la respuesta del generador de señales desde 20 MHz a 1.8 KHz, donde se logró percibir cambios considerables en las fluctuaciones debido al cambio de presión atmosférica. En conclusión, se establece la posibilidad de forzar un circuito RC a un estado fuera del equilibrio de forma controlada dentro de un Cubesat. Además, se demuestra la resilencia de los componentes RC comerciales de tecnología SMD a los cambios de presión y temperatura. Por otra parte, la elección de instrumentos de excitación (generador de números aleatorios y DAC), junto los instrumentos de medición (ADC) y el espectro del forzante para el ex- perimento deben ser probados anteriormente en ambientes controlados como una cámara de termovacío, para así validar la factibilidad de medir el ambiente mediante este enfoque.