Construir para el espacio

Desde muy pequeña he sentido fascinación por el espacio. Recuerdo ver documentales sobre el universo y entusiasmarme con toda esa inmensidad por descubrir. Quería viajar a todos esos lugares y conocer nuevos horizontes inexplorados.

Más tarde, descubrí la física, me especialicé en electrónica y la rama de lógica llamó poderosamente mi atención.

Nada más entrar en el IAA-CSIC empecé programando sistemas de control para el Observatorio de Sierra Nevada (OSN). Aunque es fascinante el manejo de los telescopios, sus instrumentos, y hay mil anécdotas que contar de las subidas a observatorio, cuando tuve la oportunidad de trabajar diseñando sistemas espaciales no lo dudé. Descubrí entonces el mundo de las FPGAs (Field Programmable Gate Array o Matriz de Puertas Lógicas programable, en español), unos dispositivos con los que se puede crear “casi” cualquier cosa que requiera electrónica digital.

Mi primer contacto con un proyecto espacial fue con el instrumento NOMAD (Nadir and Occultation for MArs Discovery), dentro de la misión ExoMars (ESA). Se trataba de una unidad de procesamiento que leía los datos de los tres espectrómetros de la misión y los ordenaba para su posterior envío a plataforma. Además, gracias al carácter de programación paralelo de las FPGAs, se recogían valores de temperatura, voltajes y corrientes que, aunque no son útiles para la ciencia, son vitales para el buen desarrollo y salud del instrumento.

Recreación artística del rover marciano de la misión ExoMars. Crédito: ESA/ATG medialab

Fue con este proyecto cuando descubrí todas las restricciones que conlleva trabajar para el espacio: en un entorno tan hostil (temperaturas extremas, radiación muy alta) la electrónica ha de ser adecuada para cumplir los requisitos de durabilidad y fiabilidad. En ExoMars se usaron dispositivos OTPs (programables solo una vez). Eso proporciona una seguridad extra frente a la radiación, pero implica realizar numerosas pruebas para acabar configurando un chip que puede valer miles de euros. Cualquier fallo es potencialmente catastrófico; aunque la programación sea correcta, es necesario predecir y prepararse para el mayor número de eventualidades posible, ya que una vez en vuelo será imposible llegar hasta el instrumento.

Después de ExoMars me incorporé al grupo de física solar con el Polarimetric and Helioseismic Imager (PHI), un espectropolarímetro para la misión Solar Orbiter (ESA). Esto me permitió aventurarme con algo que no había hecho antes: usar las máquinas no para control de flujo de datos y movimiento, sino para procesar imágenes y hacer cálculos complicados.

Solar Orbiter cuenta con un conjunto de diez instrumentos científicos para estudiar el Sol. Los hay de dos tipos: in situ, que miden las condiciones que rodean a la propia nave espacial, y de teledetección, que miden lo que ocurre a grandes distancias. Juntos, ambos conjuntos de datos pueden utilizarse para obtener una imagen más completa de lo que ocurre en la corona y el viento solares. Crédito: ESA/ATG medialab

La gran ventaja de las FPGAs es que pueden efectuar tareas en paralelo, como si fueran dispositivos independientes. En el caso de PHI se pretendía realizar, en un tiempo récord y con un único dispositivo ligero y de bajo consumo, la inversión de la ecuación de transporte radiativo (el famoso RTE). Para ello, el equipo formado por Juan Pedro Cobos, José Luis Ramos y yo misma estuvimos diseñando la manera de dividir un solo cálculo matemático muy complejo en varios cálculos más simples que pudieran ejecutarse a la vez y ahorrar tiempo.

Aquella aventura duró unos cuantos años, y más tarde continuó con PMI, un instrumento en cuyo desarrollo estoy inmersa ahora mismo.

A la izquierda, modelo de vuelo de la DPU de ExoMars antes de su integración. Crédito: GIES | A la derecha, vista de las FPGAs en PHI, ya integradas en el modelo de vuelo: Credito: SPG

PMI (Photospheric Magnetic field Imager) es un magnetógrafo que formará parte de los instrumentos a bordo de la misión Vigil (ESA). El objetivo de Vigil es operacional, no científico, y la idea es detectar eventos de tiempo espacial que puedan ser potencialmente dañinos para los satélites y avisar para minimizar el daño. El orbital se posicionará en el punto L5 de Lagrange y podrá tomar datos del Sol de forma continua.

PMI presenta desafíos tecnológicos muy importantes. Al ser una misión de servicio y no de ciencia, los requisitos de fiabilidad y durabilidad son muy fuertes (99% de fiabilidad y, al menos, 10 años de duración de la misión, más 3 años de almacenamiento). Y, al ser en espacio profundo, el uso de dispositivos electrónicos está limitado a aquellos resistentes a radiación. Sin embargo, los dispositivos más robustos en este aspecto no son adecuados para realizar cálculos complejos.

Leí una vez que la ingeniería es el arte de buscar el equilibrio. En el caso de PMI, hemos encontrado ese equilibrio optando por un dispositivo, cuya resistencia a la carga total de ionización y a la radiación es ligeramente menor que otras, pero que, a cambio, nos brinda una gran capacidad de cálculo. Aún así, existe el riesgo de que un rayo cósmico impacte en el dispositivo dañándolo permanentemente. Asimismo, podría ocurrir que hubiera una alteración transitoria de algún elemento del chip en cualquier lugar, de manera que al cambiar un 0 por un 1 (o al revés) se modifique el funcionamiento del sistema.

La futura misión Vigil de la ESA permitirá, por primera vez, monitorizar el Sol para obtener datos constantes y casi en tiempo real sobre la actividad solar potencialmente peligrosa. Crédito: ESA/A. Baker

Cuando nos enfrentamos a estas dificultades, además de seleccionar una FPGA adecuada al entorno, hay que utilizar técnicas especiales para proteger el contenido del programa. Una de ellas consiste en triplicar internamente todas las funciones y poner sistemas de votación para eliminar el resultado que difiere de los otros dos.). Debido a la limitada capacidad del dispositivo, debemos seleccionar cuidadosamente las zonas con más riesgo de fallo y las más críticas para triplicar solo esas.

Además de la redundancia en la electrónica, utilizaremos técnicas de codificación especiales para conseguir la máxima fiabilidad y seguridad. Y todo esto, en el caso de PMI, se verá reforzado con la reconfiguración total de la FPGA cada 15 minutos.

Esta estrategia nos permitirá dos cosas. Por un lado, aumenta la capacidad de procesamiento de la FPGA, ya que habrá dos bitstreams (archivos de configuración) diferentes que se irán alternando. Por otro lado, corregir cualquier posible fallo transitorio que pueda surgir debido a la radiación, ya que, al reprogramar, los efectos de las alteraciones por eventos unitarios son eliminados.

Ya veis que mi Moby Dick sigue nadando y poniendo inconvenientes a la exploración espacial, pero poco a poco vamos sorteando las dificultades y consiguiendo retos cada vez más complicados, tanto en procesamientos cada vez más ambiciosos como en duración. Esperemos que continúe este viaje apasionante, al que claramente aún le queda mucho camino.