UNIVERSIDAD DE COSTA RICA SISTEMA DE ESTUDIOS DE POSGRADO DISEÑO DE LA INTEGRACIÓN ESTRUCTURAL DE UN SISTEMA DE ESPECTROMETRÍA DE MASAS A UN DRON OCTOCÓPTERO PARA LA CARACTERIZACIÓN DE GASES VOLCÁNICOS Trabajo final de investigación aplicada sometido a la consideración de la Comisión del Programa de Estudios de Posgrado en Ingeniería Mecánica para optar al grado y título de Maestría Profesional en Ingeniería Mecánica ERNESTO CORRALES CORRALES Ciudad Universitaria Rodrigo Facio, Costa Rica 2023 Dedicatoria A mi madre, por su gran entrega, amor y ganas de luchar por el bien de sus hijos. ii Agradecimientos El autor agradece a su familia, amigos y compañeros de trabajo por el constante apoyo, momentos y lecciones compartidas en este camino. Además, agradece las continua guía y ejemplo que ha sido el Dr. Jorge Andrés Díaz, por la confianza y los retos propuestos en proyectos impresionantes. Un especial agradecimiento para los profesores asesores de este trabajo que, con sus consejos y palabras de motivación, han ayudado a la consecución de este proyecto. iii ”Este trabajo final de investigación aplicada fue aceptado por la Comisión del Programa de Estudios de Posgrado en Ingeniería Mecánica de la Universidad de Costa Rica, como requisito parcial para optar al grado y título de Maestría Profesional en Ingeniería Mecánica.” M.Sc. Sergio Ferreto Brenes Representante de la Decana Sistema de Estudios de Posgrado Dr. Arnoldo Castro Castro Profesor guía Dr. Leonardo Lesser Rojas Lector Mag. Luis Rapso Brenes Lector M.Sc. Alejandra Sánchez Calvo Directora Programa de Posgrado en Ingeniería Mecánica Ernesto Corrales Corrales Sustentante iv Tabla de contenido Dedicatoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii Agradecimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii Hoja de tribunal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix Lista de cuadros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x Lista de figuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi Lista de abreviaturas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xx 1 Introducción 1 1.1 Descripción general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Justificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.4.1 Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.4.2 Objetivos específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.5 Alcances y limitaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2 Marco teórico 13 2.1 Espectrometría de masas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.1 Transpector XPR3+ y MPH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.1.2 Componentes principales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.1.3 Sistemas de vacío . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.1.4 Cámara de vacío . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.1.5 Sistemas de bombeo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.1.6 Otros componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.1.7 Monitoreo volcánico con SEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2 Sistemas de transporte aéreo no tripulados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2.1 Drones multirotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.2.2 Esfuerzos mecánicos en un dron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2.2.1 Interface mecánica entre el dron y su carga útil . . . . . . . . . 28 2.2.3 Aplicaciones científicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.3 Ambientes volcánicos y su impacto en drones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 v 2.4 Teoría para análisis mecánico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.4.1 Vibraciones mecánicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.4.1.1 Vibraciones amortiguadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.4.1.2 Amortiguadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.4.1.3 Análisis modal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.4.1.4 Movimiento armónico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.4.1.5 Vibraciones aleatorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.4.1.6 Transformada de Fourier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.4.1.7 Densidad espectral de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.4.2 Fallas por fatiga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.4.2.1 Métodos de fatiga-vida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.4.2.2 Factores que modifican el límite de resistencia a la fatiga . . . 54 2.4.2.3 Esfuerzos fluctuantes y criterios de falla . . . . . . . . . . . . . 55 2.4.3 Diseño de uniones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.4.3.1 Uniones pernadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.4.3.2 Uniones soldadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.4.4 Materiales de interés para la aplicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.4.5 Método de elemento finito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 2.4.5.1 Módulo de análisis estructural estático . . . . . . . . . . . . . . 68 2.4.5.2 Módulo de análisis estructural transitorio . . . . . . . . . . . . 69 2.4.5.3 Módulo de análisis modal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2.4.5.4 Módulo de vibración aleatoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2.4.5.5 Optimización topológica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 2.4.5.6 Programas de dinámica de fluidos computacional . . . . . . . . 73 2.4.6 Técnicas para el diseño de productos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3 Metodología 78 4 Diseños y análisis 80 4.1 Parámetros de diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.1.1 Inventario de componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.1.2 Diagrama de conexión del instrumento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.1.3 Capacidad de levantamiento del dron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.1.4 Estimación de vibraciones del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.1.4.1 Vibraciones transmitidas por el dron a su carga útil . . . . . . 94 4.1.4.2 Vibraciones de la bomba mecánica . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.1.5 Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.2 Diseño de la cámara de vacío del MS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.2.1 Modelado CFD para ubicación de puertos principales . . . . . . . . . . . 104 4.2.2 Puertos de conexión de componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 vi 4.3 Diseño de la estructura de unión del instrumento con el dron . . . . . . . . . . 114 4.3.1 Aislantes de la vibración del dron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 4.3.2 Anclaje al dron, configuración A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.3.3 Anclaje al dron, configuración B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 4.3.4 Anclaje al dron, configuración C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 4.3.4.1 Elementos de unión al instrumento . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4.3.4.2 Elemento intermedio de unión . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4.3.4.3 Acople rápido con el instrumento . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 4.3.4.4 Ensamble de la estructura central . . . . . . . . . . . . . . . . 132 4.3.4.5 Ensamble de la estructura de anclaje al dron . . . . . . . . . . 133 4.4 Diseño de la estructura de ensamble de componentes . . . . . . . . . . . . . . . 136 4.4.1 Soporte de la computadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 4.4.2 Soporte de la bomba de diafragma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 4.4.3 Soporte de la caja de distribución eléctrica del instrumento . . . . . . . 139 4.4.4 Cálculo de los pernos utilizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 4.5 Diseño de componentes complementarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 4.5.1 Elementos complementarios varios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 4.5.2 Carcasa para la protección del equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 4.5.3 Refuerzos para el dron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 4.6 Resumen de productos finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 5 Conclusiones y recomendaciones 149 5.1 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.2 Recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Bibliografía 153 Anexos 159 A.1 Programa MATLAB para cálculos de FFT y PSD . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 A.2 Gráficas del análisis FFT de las aceleraciones del dron . . . . . . . . . . . . . . 160 A.3 Gráficas del análisis FFT de las aceleraciones de la bomba mecánica . . . . . . 163 A.4 Cálculos de soldadura de la cámara de vacío . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 A.5 Tablas con información de diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 A.5.1 Tablas de datos de los pernos utilizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 A.5.2 Propiedades del Aluminio 6061-T6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 A.5.3 Diagrama S-N experimental de la fibra de carbono . . . . . . . . . . . . 168 vii Resumen En este trabajo se propone el diseño de los elementos estructurales necesarios para el acople de un instrumento científico a un dron multirotor, con el fin de realizar mediciones de la composición gaseosa de plumas volcánicas a distancia. El instrumento usa tecnología de espectrometría de masas compacta y está basado en un prototipo diseñado por el laboratorio GasLab, del CICANUM, en la Universidad de Costa Rica. Se estudian las características propias del instrumento para diseñar su cámara de vacío, luego se diseña la integración mecánica del resto de componentes y se diseñan los elementos necesarios para el acople al dron disponible para la aplicación, el Italdron Bigone 8HSE. Se agregan componentes opcionales como refuerzos para el dron y una carcasa hermética para el instrumento. Los diseños propuestos se basan en datos experimentales de vibración, características físicas de los componentes del instrumento y del dron. Los elementos se evalúan mediante modelado computacional y el análisis se enfoca en la disminución de su masa, facilidad de mantenimiento en el campo y bajos costos de manufactura. Se concluye con una propuesta de ensamble total que tiene una masa de unos 7,1 kg, lo que resultaría ser un 16% más ligero que el modelo base inicial, y que según modelado computacional, cumple con los requerimientos mecánicos de la aplicación. Para la masa final del instrumento, el Italdron podría no lograr transportar el instrumento a alturas superiores a los 1000 m.s.n.m de forma segura, debido a que el tiempo de vuelo disponible podría ser muy bajo en esas circunstancias y podría no ser suficiente para completar las misiones de monitoreo en las que se pretende implementar el equipo. Se recomienda realizar pruebas de levantamiento en campo a diferentes alturas y evaluar su desempeño en esas condiciones, antes de anclarle el instrumento a grandes alturas. De la misma manera, se recomienda construir prototipos de los elementos mecánicos, ensamblar el sistema para hacer pruebas físicas y evaluar su comportamiento final. Se propone considerar el dron DJI Agras-T30 para la aplicación, pues podría volar a los 4000 m.s.n.m o un 60% más de tiempo con baterías extra. viii Abstract This work proposes the design of the structural elements necessary for the coupling of a scientific instrument to a multirotor drone, in order to measure the gaseous composition of volcanic plumes from a distance. The instrument uses compact mass spectrometry technology and is based on a prototype designed by the CICANUM GasLab laboratory at the University of Costa Rica. The characteristics of the instrument are studied to design its vacuum chamber, then the mechanical integration of the rest of the components is designed and the necessary elements are designed for coupling to the drone available for the application, the Italdron Bigone 8HSE. Optional components such as reinforcements for the drone and a watertight enclosure (POD) for the instrument will be added, but optional due to mass limitations. The proposed designs are based on experimental vibration data, physical characteristics of the instrument and drone components. Elements are evaluated using computational modeling, and analysis focuses on decrease in mass, ease of field maintenance, and low manufacturing costs. It concludes with a total assembly proposal that has a mass of about 7.1 kg, which would turn out to be 16% lighter than the initial base model, and that, according to computational modeling, meets the mechanical requirements of the application. For the final mass of the instrument, the Italdron might not be able to safely transport the instrument to heights above 1000 meters above mean sea level (AMSL) as the available flight time might be very low in those circumstances and might not be sufficient to complete the missions. monitoring in which the equipment is intended to be implemented. It is recommended to carry out field survey tests at different heights and evaluate its performance in those conditions, before anchoring the instrument at great heights. In the same way, it is recommended to build prototypes of the mechanical elements, assemble the system to carry out physical tests and evaluate its final behavior. It is proposed to consider the DJI Agras-T30 drone for the application, since it could fly at 4000 m AMSL or 60% more time with extra batteries. ix Lista de cuadros 2.1.1 Lista de características para comparar los espectrómetros de masa de interés. . 14 2.4.1 Factores de amortiguamiento para materiales comúnmente usados como aisladores. Información adaptada y traducida de (Barry Controls, 2011). . . . . 44 4.1.1 Lista con los componentes no modificables del sistema Instrumento + dron. . . 85 4.1.2 Lista con los componentes no modificables del sistema Instrumento + dron. . . 85 4.1.3 Características del Italdron para evaluar su capacidad de levantamiento. . . . . 89 4.1.4 Frecuencias naturales principales para cada estado de aceleración de los motores del dron. Las celdas en verde destacan las dos frecuencias de mayor peso para cada estado y para cada eje. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.1.5 Frecuencias naturales principales para los datos de aceleración de la bomba mecánica. Las celdas en verde destacan la frecuencia de mayor peso para cada eje. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.2.1 Resumen de parámetros usados en la simulación DPM . . . . . . . . . . . . . . 107 4.3.1 Resumen de las cargas completas aplicadas a los elementos estructurales . . . . 117 4.3.2 Tabla con aceleraciones PSD resultantes de los datos experimentales . . . . . . 117 4.3.3 Transmisibilidades resultantes de la relación entre la frecuencia de perturbación y las características del amortiguador seleccionado. . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.6.1 Lista de componentes modificados finales del sistema Instrumento + Dron. . . 146 A.4.1 Parámetros de cálculo y resultados de la soldadura para un h=2 mm. . . . . . 164 A.5.1 Resumen de los principales pernos y tornillos utilizados, parte 1. . . . . . . . . 165 A.5.2 Resumen de los principales pernos y tornillos utilizados, parte 2. . . . . . . . . 165 A.5.3 Resumen de los principales pernos y tornillos utilizados, parte 3. . . . . . . . . 165 A.5.4 Tamaños de los pernos principales. Se adaptó de la norma ASME B1.13M y ASME B1.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 A.5.5 Diámetros mínimos de orificios de espacio libre para los principales tamaños de pernos usados. Se adaptó de ASME B18.2.3.1M y ASME B18.2.8. . . . . . 166 A.5.6 Esfuerzos últimos y cortantes para los principales materiales de pernos y roscas usados (Budynas & Nisbett, 2008). *Corresponde a una estimación del 55% del esfuerzo en tensión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 A.5.7 Datos para un análisis S-N con el aluminio 6061-T6, (Yahr, 1993). . . . . . . . 167 x Lista de figuras 1.1.1 Fotografía tomada por un astronauta ISS020-E-9048 durante la expedición 20 de la ISS. En el que se muestra que el volcán Sarychev de Rusia expulsa una columna de ceniza volcánica y gas a la atmósfera en 2009. ({National Geographic Society}, 2021) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.1.2 Mapa que ilustra la extensión del Anillo de Fuego del Pacífico (Ring of Fire). (Bravo-Mosquera y col., 2017) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3.1 Pruebas de campo del prototipo ULISSES, cerca de fumarolas del Volcán Turrialba. Cortesía de GasLab. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.3.2 Prototipo mMS-XPR3-UAS del GasLab. El sistema utilizaba un espectrómetro Inficon Transpector© XPR3 con sistema de bombeo de la marca Creare LLC. Imagen cortesía de GasLab. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.3.3 Prototipo mMS-XPR3-UAS con sistema de bombeo de masa regular. Pruebas del sistema instalado en el Italdron (izquierda) y que luego fue probado en el Volcán Etna, Italia en el año 2018 (derecha). Imágenes cortesía de GasLab. . . 9 2.1.1 Imágenes descriptivas del fabricante para el espectrómetro Transpector XPR3+. Se presenta una fotografía del sistema electrónica más sensor, las dimensiones generales del instrumento y un esquema del flujo de moléculas y iones. (INFICON Inc., 2021). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.1.2 Imágenes descriptivas del fabricante para el espectrómetro Transpector MPH. Se presenta una fotografía del sistema electrónica más sensor, las dimensiones generales del instrumento y un dibujo CAD del fabricante mostrando subcomponentes clave para la caracterización de las moléculas de la muestra. (INFICON Inc., 2021). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.1.3 Principio de operación del filtro de masas de un espectrómetro de masas de cuadrupolo. Se divide en tres etapas, de izquierda a derecha; el ionizador, el separador de iones por su proporciónm/z en el arreglo de varillas y, por último, el detector de iones (Pfeiffer Vacuum SAS, 2013). . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.1.4 Resumen de rangos de trabajo para diferentes sistemas de bombeo para equipos científicos e industriales (Pfeiffer Vacuum SAS, 2013). . . . . . . . . . . . . . . 19 xi 2.1.5 Espectro de abundancia en función de la proporción entre carga y masa de las especies identificadas en un gas durante una medición de campo en Italia, por medio de sistemas de espectrometría de masas portátiles. Tomada de (Diaz y col., 2015). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.2.1 Dron Italdron BIGONE 8HSE, adquirido por el GasLab para su uso en aplicaciones científicas y que se eligió como dron de referencia en este trabajo. (Italdron S.r.l., 2022). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.2.2 Ejes ortogonales para el control de dirección de un dron; el Yaw para el control de la rotación horizontal, el Pitch para la rotación hacia el frente o hacia atrás y el Roll para controlar la rotación lateral. La imagen también muestra la dirección de rotación de las propelas de un octocóptero. . . . . . . . . . . . . . 26 2.2.3 Monitoreo de los gases emitidos por el volcán Turrialba utilizando un dron octocóptero para transportar un prototipo compacto llamado miniGAS, capaz de medir hasta 5 gases diferentes presentes en la nube volcánica, diseñado por el laboratorio GasLab. (GasLab, 2018.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3.1 Resumen gráfico de algunas de las características de los ambientes en desgasificación, regímenes de transporte y procesos de depósito de material emitido por volcanes activos. Tomado de (Mason y col., 2021) . . . . . . . . . 32 2.3.2 Gráfica de datos de un instrumento científico tras un vuelo de drones en el Volcán Masaya, el 4 de mayo de 2017. (a) SO2 versus CO2; (b) H2O versus SO2; (c) H2O frente a CO2. ’Se puede observar un alto grado de correlación en todos los gráficos, lo que atestigua las concentraciones elevadas de gas en la pluma y la excelente sensibilidad de los instrumentos.’ (Stix y col., 2018). . . . 33 2.3.3 Algunos de los fenómenos que ocurren con las corrientes de viento en las superficies de las montañas: a) Aire deflectado por una superficie sólida o líquida, b) masa de aire estable que pasa sobre una montaña y forma ondas, c) velocidad de viento incrementando con la altitud y afectando el patrón de onda generado por una montaña, d) corriente de viento estable que se divide para rodear una montaña y se junta creando convergencias y turbulencias, e) convergencia de corrientes de aire generadas por termales y f) convergencias de aire frío que ocurren en los valles. (Holtz, 2005). . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.4.1 Representación gráfica de un sistema masa-resorte-amortiguador, para ilustrar los factores de los que depende la ecuación de equilibrio dinámico. . . . . . . . 38 2.4.2 Representación del movimiento vibratorio libre amortiguado, mostrando una curva envolvente en donde el periodo se conoce como periodo de oscilación amortiguada. El decaimiento exponencial de la oscilación depende del factor de amortiguamiento (Beer y col., 2010). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.4.3 Factor de amplificación en función de la razón de las frecuencias amortiguada y natural del sistema, (Beer y col., 2010). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 xii 2.4.4 Curva de transmisibilidad para un sistema amortiguado. Donde fd es la frecuencia de perturbación y la fn es la frecuencia natural amortiguada, (Barry Controls, 2011). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.4.5 Curva de transmisibilidad: a) con factores de amortiguación típicos y b) comparando el hule con un resorte de acero, (Barry Controls, 2011). . . . . . . 43 2.4.6 Gráfica genérica que muestra cómo el sistema presenta amplitudes pronunciadas a determinadas frecuencias. (Agilent Technologies, 2000). . . . . 45 2.4.7 Representaciones de diferentes sistemas sujetos a entradas de vibración aleatorias. (a) Modelo simplificado de la suspensión de un vehículo rodando por la carretera. (b) Estructura arquitectónica bajo la influencia de un terremoto. (c) Vibraciones en el piso de una planta industrial. (Kelly, 2012). . . . . . . . . 47 2.4.8 Procesos de vibraciones aleatorias en el tiempo, específicamente, su distribución de probabilidad P (y) y la densidad de probabilidad de la distribución P (x). (Kelly, 2012). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.4.9 El diagrama S-N que se grafica a partir de los resultados de ensayos a la fatiga axial completamente invertidos, para el material Acero UNS G41300, normalizado (Budynas & Nisbett, 2008). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.4.10 Esquema de uno de los casos de la relación de esfuerzo fluctuante en función del tiempo. En ella se muestran algunos de los parámetros principales de esfuerzo que describen la curva de oscilación (Budynas & Nisbett, 2008). . . . . . . . . 56 2.4.11 Diagrama de fatiga que agrupa las diferentes curvas relacionadas con criterios de falla; Langer, Gerber, Goodman modificada, ASME-elíptica y Soderberg. (Budynas & Nisbett, 2008). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.4.12 a) Perno bajo cargas P de tensión con empleo de arandelas y b) representación de un tornillo. La longitud de agarre de la conexión se representa con l. (Budynas & Nisbett, 2008). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.4.13 a) Fuerza normal sobre una rosca ACME mostrando ángulos genéricos (Budynas & Nisbett, 2008), b) parámetros para estimación de área cortante en la rosca (Richards, 2013). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.4.14 Representación de una soldadura circundante para unión de componentes con esa geometría (Budynas & Nisbett, 2008). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.4.15 Ejemplo de parámetros de una soldadura bajo cargas F sobre la geometría mostrada (Budynas & Nisbett, 2008). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.4.16 Gráficas de Ashby del esfuerzo mecánico en función de la Densidad, para varios grupos de materiales (Ashby, 2005). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 2.4.17 Gráficas de esfuerzo (Stress) en función de la deformación (Strain) genéricas para materiales, a) para metales y b) para polímeros. (Ashby, 2005). . . . . . . 66 xiii 2.4.18 Elemento de máquina modelado para evaluar la existencia de esfuerzos biaxiales la pieza, utilizando la herramienta Fatigue tool del modulo Static Structural de ANSYS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.1.1 Algunos de los componentes del sistema de espectrometría y del Italdron que fueron caracterizados en dimensiones, masa y materiales para comprender su función en el sistema y proponer productos que satisfagan el JTBD. . . . . . . 82 4.1.2 Vista frontal del modelado CAD del dron con representaciones generales de la carga útil y sus diferentes etapas de acople hasta el dron y el área disponible bajo el dron para colocar el instrumento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.1.3 Diagrama de la conexión neumática de los componentes seleccionados para el sistema de espectrometría de masas. Los componentes seleccionados son los mínimos necesarios, con el fin de disminuir la masa total del equipo que volará en el dron. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.1.4 Relación teórica simplificada de la altura de vuelo en función de la carga útil máxima de levantamiento que tiene el Italdron, con respecto a la temperatura ambiental. Se presentan altitudes nominales de algunos de los cráteres de los volcanes de interés para el laboratorio GasLab. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.1.5 Gráfica comparativa de la capacidad de levantamiento del Italdron y del Agras- T30. Se grafica para las mismas alturas de vuelo en función de las diferentes cargas útiles máximas en función de la temperatura ambiental. . . . . . . . . . 92 4.1.6 Gráfica comparativa de los drones respecto a la altura perdida por cada unidad de masa agregada al sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.1.7 a) Ubicación del celular en el dron y b) en la bomba de diafragma para la medición de vibraciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.1.8 Fotografía de la computadora que muestra las gráficas generadas por el detector del espectrómetro de masas Transpector XPR3 en una configuración anterior de este sistema. En ella se muestran las oscilaciones de la gráfica de concentración de gases y cuyo ruido fue creado por la transmisión de vibración desde las propelas del dron. El programa de visualización es el Fabguard® Explorer Gas Analysis Software, de Inficon. GasLab. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.1.9 Configuración utilizada en el GasLab para el anclaje con cuerdas del dron durante pruebas. Tiene dos puntos de pivote, uno anclado al suelo y otro en un árbol. Mantiene el equipo seguro durante vuelos de prueba o cuando se le exige a los motores para recopilar datos de aceleración. . . . . . . . . . . . . . 96 4.1.10 Perfil completo del muestreo de aceleraciones generadas por el dron en el punto de acople de la carga útil. Se presentan las aceleraciones en las direcciones de los ejes x, y y z, con respecto al número de dato. . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 xiv 4.1.11 Perfil completo del muestreo de las aceleraciones generadas por la bomba mecánica. Se presentan las aceleraciones en las direcciones de los ejes x, y y z, con respecto al número de dato. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.2.1 Cámara de vacío para el EM XPR3 y que sirve como base de diseño. Su material de construcción fue acero inoxidable AISI 304, con 295 g de masa y un largo de 6 cm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.2.2 Cámara de vacío inicial, modificada para el EM MPH, con 233 g de masa y con 20 cm de largo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.2.3 Vista de corte longitudinal de ensamble de la cámara de vacío uniendo el EM con la bomba turbo-molecular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4.2.4 a) Cámara de vacío original simplificada para modelado CFD, llamada Geometría #1, junto con una vista de corte longitudinal en la parte inferior. b) Simplificación de la cámara de vacío modificada, llamada geometría #2, con un desplazamiento en su acople para la bomba turbo-molecular y su vista de corte longitudinal en la parte inferior. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 4.2.5 Condiciones iniciales del modelado. A la derecha se presenta el resultado de la geometría mallada con la herramienta de Workbench para luego convertir a elementos de poliedros en Fluent. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.2.6 a) Vista de contorno de los resultados de temperatura de la corriente de aire en la geometría #1, b) resultados de contorno para la geometría #2, c) líneas de corriente de flujo coloreadas por temperatura para la geometría #1, d) líneas de corriente de flujo por temperatura para la geometría #2 . . . . . . . . . . . 108 4.2.7 a) Vista isométrica del resultado del flujo de partículas con colores indicando el tiempo de residencia, en la cámara de geometría #1, b) Isométrico del flujo de partículas en la cámara de geometría #2, c) Isométrico del flujo de partículas en la cámara de la geometría #3, d) vista superior de geometría #1 con el largo libre L1, e) distribución de partículas para geometría #2 señalando el volumen extra que podría reducirse y f) distribución de partículas en la nueva geometría #3 con un largo libre reducido L2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.2.8 Modelo CAD de ensamble inicial y parcial del instrumento para visualizar las conexiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.2.9 a) Adaptador comercial KF25 a VCR-male (Kurt J. Lesker Company, s.f.), b) Adaptador CAD propuesto: una Tee de KF25 a conectores VCR-female. . . . . 112 4.2.10 Soldadura aplicada a puerto de conexión de la bomba turbo-molecular. a) Vista isométrica de la soldadura del puerto de conexión de la bomba, b) elemento de conexión KF25 a soldar, c) agujero en la cámara de vacío para el conector, d) vista con corte longitudinal mostrando los elementos a soldar de colores diferentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 xv 4.2.11 Modelo CAD de ensamble nuevos puertos de conexión frontales y cambio de posición de la bomba turbo-molecular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 4.2.12 Vistas isométricas del modelo CAD de la cámara de vacío que propuesta. En material aluminio 6061 anodizado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 4.3.1 Vista lateral del CAD del instrumento científico, señalando el punto de colocación del anclaje en el instrumento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 4.3.2 a) Vista isométrica del dron señalando uno de los puntos disponibles para el anclaje de elementos, b) detalle de los pernos que incluye el dron, c) vista de planta del plano señalando del dron señalando los agujeros de los cuatro pares de pernos disponibles y d) vista lateral del dron resaltando dos de los pernos de anclaje. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 4.3.3 Vistas preliminar del ensamble del instrumento con dron, señalando algunas dimensiones importantes para el acople. a) Vista frontal, b) vista lateral. Las dimensiones están en milímetros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 4.3.4 a) Esquemático del ensamble del amortiguador señalando las principales dimensiones de sus elementos con una vista isométrica en la parte inferior derecha, b) gráfica de carga en función de la deflexión del amortiguador ’11’, por ser el 22001-11. La gráfica incluye marcas a condiciones de carga nominal (rojo) e impacto extremo (azul). Ambas imágenes fueron tomadas de (Barry Controls, 2011). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 4.3.5 Configuración A de anclaje al dron. Geometría y componentes. En la figura derecha se hace énfasis en el anclaje rápido diseñado para la aplicación. . . . . 121 4.3.6 Configuración A de anclaje al dron. Simulación FEA para el análisis de la deformación de los amortiguadores en la parte inferior. a) Deformación total, en todas direcciones y b) deformación en dirección vertical. . . . . . . . . . . . 122 4.3.7 a) Ensamble completo de la estructura, b) isométrico del modelo CAD para el anclaje rápido, c) fotografía de la impresión 3D del anclaje rápido en material PLA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 4.3.8 Configuración A de anclaje al dron. Ensamble total con el instrumento. . . . . 123 4.3.9 Configuración B de anclaje al dron. a) Geometría base y componentes periféricos, b) elemento estructural intermedio con malla para análisis bajo cargas y c) ensamble de configuración B para análisis integral de cargas. . . . . 123 4.3.10 Configuración B de anclaje al dron. a) Simulación de torques sobre la cámara de vacío y de torsión en el eje Z, b) resultado de la simulación con zonas en rojo indicando posibles puntos de falla, c) deformación que tiene a abrir la pieza central en las zonas en rojo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 xvi 4.3.11 Configuración B de anclaje al dron. a) Simulación para análisis de deformación del elemento en forma de X usando un ensamble completo simplificado y b) imagen de la tabla de resultados con los factores de participación tras un análisis modal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 4.3.12 Configuración B de anclaje al dron. Ensamble total con el instrumento. a) Detalle de la estructura de acople con la cámara de vacío. b) Detalle de la sección de anclaje de la bomba mecánica con amortiguador de vibraciones. c) Ensamble completo del SEM con los componentes diseñados. . . . . . . . . . . 125 4.3.13 Elemento de unión con la brida del instrumento, a) Vista isométrica del CAD, b) esfuerzo mecánico equivalente del análisis transiente tras ser sometido a cargas extremas y c) la vida del elemento tras ser sometido a cargas nominales. 127 4.3.14 Optimización topológica de anclaje central principal, a) Elemento mallado y semi-relleno que se somete a cargas, b) resultado optimizado del elemento estructural y c) corte lateral del elemento optimizado con marcas mostrando su geometría interna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 4.3.15 Anclaje central principal, a) Elemento optimizado en crudo, b) elemento refinado y adaptado al ensamble usando herramientas CAD y c) corte lateral del elemento refinado final, resaltando el espesor angulado interno. . . . . . . . 129 4.3.16 Análisis transiente de cargas del anclaje central principal mostrando la vida del elemento; a) sometido a cargas nominales esperadas, de 1g en todas direcciones e impactos de 1,5g en el eje vertical, b) con cargas medias con impactos de 2g laterales y de 5g verticales, c) sometido a cargas extremas de impactos de 5g laterales y 15g verticales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.3.17 Análisis del anclaje rápido comercial. a) Fotografía del componente comercial y su componente CAD mallado para análisis, b) Análisis estático estructural para evaluar cargas tras deformación y c) representación de la fuerza de reacción resultante tras deformación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 4.3.18 Ensamble de acople rápido, a) Rediseño de los elementos del ensamble de los componentes comerciales, b) detalle del rediseño del acople rápido, señalando las zonas modificadas y c) vista en explosión del ensamble rediseñado. . . . . . 131 4.3.19 Configuración C de la unión central principal del acople rápido con el instrumento, a) Vista isométrica del ensamble central, b) corte de la vista lateral mostrando la conexión con el elemento de acople rápido y la geometría interna del cilindro central y c) elemento de anclaje con la brida del instrumento.132 4.3.20 Resultados de la simulación de vibración aleatoria sobre el ensamble parcial de la unión central principal de la configuración C. a) Resultado de esfuerzo en 3-σ para los componentes a manufacturar, b) resultado de vida esperada en el ensamble con el anclaje rápido y c) resultado de la vida esperada de los componentes a manufacturar del sub-ensamble. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 xvii 4.3.21 Configuración C de anclaje al dron, a) Vista frontal-superior del ensamble del acople al dron, b) vista frontal-inferior exponiendo el punto de anclaje rápido de la estructura del instrumento, c) vista lateral señalando la posibilidad de desplazamiento del sub-acople de anclaje rápido, para balance de masa y d) vista del componente del sub-ensamble de acople rápido entre el dron y la estrutura intermedia del instrumento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 4.3.22 Configuración C de anclaje al dron, a) CAD del acople atornillado al dron, una vista de corte longitudinal y su resultado del esfuerzo estructural bajo cargas extremas y b) ensamble usado para la simulación y el resultado para el tubo de fibra de carbono bajo cargas extremas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 4.3.23 Comparación de las configuraciones de anclaje al dron. a) Configuración A, b) configuración B y c) la configuración C, la estructura seleccionada para el acople.136 4.4.1 a) Acople de plástico flexible para la computadora, b) vista lateral-derecha- inferior del ensamble bajo la cámara de vacío, c) sub-ensamble de con la computadora mediante fajas plásticas y d) vista lateral-izquierda del ensamble total. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 4.4.2 Modelo CAD del soporte de la bomba para la Configuración C. a) Detalle de los componentes del ensamble del soporte con la bomba de diafragma (3), b) detalle del ensamble CAD del acople plástico (7) con el amortiguador de ojal comercial (2) y sus vistas de corte (8), c) ensamble CAD con el resto de la estructura del instrumento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 4.4.3 Estudio FEA del soporte de la bomba para la configuración C. a) Análisis transiente de esfuerzo equivalente para el ensamble completo, b) Vista superior del ensamble bajo análisis modal, en oscilación de su modo #1 de oscilación. . 139 4.4.4 Soportes (2) y (4) propuestos para sujetar la caja de control eléctrica (3) a la cámara de vacío (1). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 4.4.5 Señalización de los principales pernos utilizados para el ensamble de la estructura central. a) Vista frontal y b) vista lateral simplificada. . . . . . . . . 141 4.5.1 CAD del ensamble del instrumento, señalando tres componentes complementarios; 1) la agarradera para transporte manual, 2) las tuberías de unión de las bombas y para la toma de muestras y 3) las patas de apoyo del instrumento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 4.5.2 CAD del ensamble completo del sistema mostrando en a) una vista de la tubería de entrada de gases y su tubo de soporte, b) una vista de la parte inferior del dron mostrando la colocación del tubo y la tubería y c) una vista cercana de la tubería de entrada de gases con un filtro de partículas en el extremo. . . . . 143 xviii 4.5.3 Patas de soporte (3) atornilladas a la cámara de vacío (5) y su función secundaría de darle soporte a la electrónica del EM mediantes los elementos (4). a) Vista isométrica de las patas y sus soportes y b) sub-ensamble acoplado al instrumento completo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 4.5.4 Carcasa CAD opcional para el ensamble del instrumento y que permite el acople al dron. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 4.5.5 Refuerzos propuestos para el dron; 1) cuerda o cable horizontal, 2) soporte metálico en el vértice de unión con los tubos verticales y 3) extender el largo de los tubos horizontales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 4.6.1 Ubicación del centro de masa; a) en el instrumento solo, b) en la una vista lateral, c) diagrama mostrando la fuerzas principales que actúan sobre el sistema completo y d) vista frontal con la ubicación del centro de masa general.147 4.6.2 Vistas lateral-derecha (arriba), frontal y tracera (abajo) del ensamble CAD total, mostrando las dimensiones principales del sistema de EM con acople para el Italdron del GasLab. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 A.1.1 Parte del código utilizado para el análisis de datos de aceleración con MATLAB. Basado en teorías FFT y PSD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 A.2.1 Resultados del análisis de las aceleraciones del dron en el eje x, en función del número de dato para los cuatro estados de interés. . . . . . . . . . . . . . . . 160 A.2.2 Resultados del análisis de las aceleraciones del dron en el eje y, en función del número de dato para los cuatro estados de interés. . . . . . . . . . . . . . . . 161 A.2.3 Resultados del análisis de las aceleraciones del dron en el eje z, en función del número de dato para los cuatro estados de interés. . . . . . . . . . . . . . . . 162 A.3.1 Resultados del análisis de las aceleraciones de la bomba en los ejes x, y y z, en función del número de dato. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 A.4.1 Vistas CAD para la estimación de esfuerzos sobre la soldadura de la cámara de vacío. a) Vista frontal mostrando la distancia entre el eje axial de la cámara con un extremo de la bomba turbo, b) vista de planta señalando el diámetro de ubicación promedio de la mayoría de componentes del sistema. . . . . . . . 164 A.5.1 Diagrama S-N para el aluminio 6061-T6, (Yahr, 1993). . . . . . . . . . . . . . 167 A.5.2 Gráfica del esfuerzo máximo (Maximum Stress) en función del número de ciclos, diagrama S-N, para un material (0/90) laminado con 5,0 GPa CFRP. (Amiri, 2012). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 xix Lista de abreviaturas En este documento se utilizan con frecuencia las siguientes abreviaturas de uso convencional en publicaciones en inglés y en español relacionadas con el tema central de esta investigación: ASD: Densidades espectrales de aceleración Aceleration spectral densities. ASTER: Radiómetro espacial avanzado de emisión y reflexión térmica Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer. Instrumento abordo del satélite TERRA, de la NASA. AVEMS: Espectrómetro de masas de emisiones volcánicas en el aire, para aviones tripulados. CAD: Diseño asistido por computadora (Computer-aided design). CAE: Ingeniería asistida por computadora (Computer-aided engineering). CFD: Dinámica de fluidos computacional (Computational Fluid Dynamics). CICANUM: Centro de Investigación en Ciencias Atómicas, Nucleares y Moleculares. CO2: Dióxido de carbono. DGAC: Dirección General de Aviación Civil, de Costa Rica. EM: Espectrómetro de Masas, definido para este trabajo. FEA: Método de análisis por elemento finito (Finite Element Analysis). FFT: Transformada rápida de Fourier (Fast Fourier Transform). GasLab: Laboratorio de Gases, perteneciente al CICANUM. H2S: Sulfuro de hidrógeno. HCL: Cloruro de hidrógeno. INGV: Instituto Nacional de Geología y Vulcanología de Italia (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia). xx mMS: mini Mass Spectrometer. Espectrómetro de masas ’miniatura’. MPH: Espectrómetro de masas Transpector® MPH, de la marca Inficon. NASA: La Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio, de los Estados Unidos de América (The National Aeronautics and Space Administration). OMI: Ozone Monitoring Instrument. Instrumento abordo del satélite AURA, de la NASA. OVSICORI: Observatorio Vulcanológico y Sismológico de Costa Rica. PSD: Densidad espectral de potencia Power spectral density. RMS: Valor cuadrático medio Root Mean Square. RPAS: Remotely Piloted Aircraft System. Sistema aereo no tripulado. RSN: Red Sismológica Nacional, Costa Rica. SEM: Sistema de Espectrometría de masas, definido para este trabajo. SO2: Dióxido de azufre. UAS: Sistemas de aeronaves no tripuladas. UAV, Drone o VANT: Vehículo Aéreo No Tripulado (Unmanned aerial vehicle). ULISSES: Utilization of Lightweight in situ Sensors and Remote Sensing to Study active volcanic Emissions Sites. Instrumento de espectrometría de masas compacto. VTOL: Capacidad de despegue y aterrizaje vertical (Vertical Take Off and Landing). XPR3: Espectrómetro de masas Transpector® XPR3, de la marca Inficon. xxi 1 Capítulo 1 Introducción 1.1. Descripción general Las emanaciones volcánicas son una importante fuente de gases y aerosoles para la atmósfera, que incluyen varios compuestos de azufre y halógenos. Ellos juegan un papel importante en el balance de radiación de la Tierra, en la química y la dinámica de la troposfera y de la estratosfera, además de que pueden impactar los ecosistemas terrestres y la salud humana a escala local y regional, (Allen y col., 2002). Un informe de la Red Sismológica Nacional (Red Sismológica Nacional UCR-ICE, 2010) muestra que, solo en Costa Rica, se han identificado más de 120 focos volcánicos, de los cuales 9 son los más importantes y activos; Orosí, Rincón de la Vieja, Miravalles, Tenorio, Arenal, Poás, Barva, Irazú y Turrialba, todos ellos cercanos a sitios poblados en donde su eyección de ceniza podría alcanzar zonas de gran actividad humana al poco tiempo de una erupción. Costa Rica forma parte del llamado ’Anillo de Fuego del Pacífico’ que es una gran zona alrededor del Océano Pacífico, en donde hay un alto nivel de actividad sísmica y volcánica (Bravo-Mosquera y col., 2017). Se extiende a lo largo de más de 40 000 km, desde Nueva Zelanda hasta la costa occidental de América del Sur, a través de las costas de Asia Oriental, Alaska, el Noreste de América del Norte y América Central, ver figura 1.1.2. Esta zona contiene unos 450 volcanes, donde algunos de ellos han generado las mayores pérdidas humanas y económicas, debido a la magnitud de sus erupciones. Entre los volcanes más importantes se encuentran: Volcán Tambora (2 850 msnm), ubicado en Indonesia cuya erupción causó 82 000 muertes; El Nevado del Ruiz en Colombia que ha provocado unas 24 800 muertes y el Monte Unzen, en Japón que ha causado unas 15 000 muertes, entre otras. Además del riesgo para las poblaciones cercanas a los volcanes, también hay peligro para poblaciones alejadas, puesto que la eyección de grandes cantidades de ceniza volcánica al aire se da en un período de tiempo relativamente corto. Según (Patterson y col., 2005), solo toma unos cinco minutos para que el penacho de ceniza llegue a elevarse a una altura de unos 10 2 Figura 1.1.1: Fotografía tomada por un astronauta ISS020-E-9048 durante la expedición 20 de la ISS. En el que se muestra que el volcán Sarychev de Rusia expulsa una columna de ceniza volcánica y gas a la atmósfera en 2009. ({National Geographic Society}, 2021) km y con ello desplazarse por masas de aire alcanzando lugares a decenas de kilómetros de distancia. La ceniza volcánica está formada por pequeños fragmentos de roca irregular, minerales y vidrio volcánico. Este material en el aire representa una amenaza para actividades como los vuelos comerciales, debido a que las partículas de ceniza volcánica son abrasivas y pueden derretirse a altas temperaturas dentro de los motores a reacción, obstruyendo las turbinas y provocando que los motores se apaguen (Patterson y col., 2005). Los avances tecnológicos recientes han dado como resultado una amplia variedad de sistemas de monitoreo, que proveen datos que sirven de insumo para los científicos para proporcionar una advertencia cada vez más adecuada y oportuna a las poblaciones, antes y durante esos eventos volcánicos. Pues, según (Bravo-Mosquera y col., 2017), la mayor cantidad de los efectos negativos podrían evitarse con un análisis adecuado de la composición gaseosa y las deformaciones superficiales que sufren estos volcanes. En (de Moor y col., 2019) se comenta que la identificación de señales inequívocas de disturbios volcánicos es crucial en la evaluación de peligros. Pero que aún existen grandes 3 Figura 1.1.2: Mapa que ilustra la extensión del Anillo de Fuego del Pacífico (Ring of Fire). (Bravo-Mosquera y col., 2017) retos desde un punto de vista científico e instrumental, puesto que los procesos que conducen a erupciones freáticas y freatomagmáticas siguen siendo poco conocidos, lo que inhibe la predicción eficaz de las erupciones. Por lo tanto, los científicos requieren realizar mediciones periódicas en volcanes activos, utilizando instrumentos científicos capaces de recopilar datos geofísicos y geoquímicos, para con ello tratar de caracterizar esos disturbios volcánicos en puntos estratégicos que ayuden a que esas mediciones sean representativas. Entre todos los posibles instrumentos de medición analítica, pocos son tan poderosos y con amplio rango de aplicaciones como los espectrómetros de masas (Diaz, 1999). La espectrometría de masas es una técnica micro-analítica basada en la determinación de la masa y carga eléctrica de las moléculas de una muestra gaseosa. Su utilización en el monitoreo volcánico ayudaría a mejorar la comprensión de las características físico-químicas de las emisiones gaseosas volcánicas, por lo que puede aportar información muy valiosa para complementar los estudios de las emisiones de esos colosos. Un proyecto del laboratorio GasLab, del CICANUM, de la Universidad de Costa Rica, y a cargo del catedrático Dr. Jorge Andrés Díaz, propone la utilización de vehículos aéreos no tripulados (drones) para ser utilizados como el medio de transporte de los instrumentos científicos que medirán la composición de las emisiones volcánicas, para se puedan superar los obstáculos naturales presentes en esos ambientes volcánicos. La propuesta se ha hecho viable puesto que la tecnología robótica utilizada en los drones ha tenido una impresionante evolución en los últimos años y su costo ha disminuido de forma que ahora es factible ser utilizada en diferentes aplicaciones civiles. 4 Por lo tanto, en este trabajo, se resume el proceso de adaptación de un prototipo de un sistema de espectrometría de masas compacto a un dron, de forma que reúna las características necesarias para que los despliegues de medición sean lo suficientemente confiables y simples como para poder ser realizados periódicamente en volcanes. Se resumen algunas de las principales consideraciones que se tomaron en cuenta para el diseño de un sistema de medición de variables físicas que, según investigadores del GasLab, podría ayudar en la mejora y validación de los modelos de transporte actuales y la validación de la detección de especies gaseosas por medio de satélites, para así tratar de mitigar los efectos negativos de los eventos volcánicos. 1.2. Justificación La capacidad de proporcionar pronósticos de eventos volcánicos ayudaría a reducir los impactos negativos de las erupciones en la salud de los seres vivos y las infraestructuras en las que viven y se transportan. A pesar de los grandes avances tecnológicos de estos tiempos, aún no se cuenta con este tipo de pronósticos, debido a que requiere procesar mucha información para asimilar la alta complejidad de la dinámica geológica terrestre, trabajando con grandes escalas espaciales y temporales. Por lo tanto, contar con más datos y estudios en ese ámbito ayudaría a disminuir los efectos negativos de esos eventos sobre las sociedades humanas. Un ejemplo de esos impactos se da en el transporte aéreo, en donde la emisión de ceniza de ciertos eventos volcánicos puede llegar a interrumpir vuelos y afectar las cadenas de suministro global de la que dependemos los humanos actualmente, (Diaz, 1999). El uso de instrumentación científica precisa y confiable es vital para un adecuado estudio de la actividad volcánica. Con ella se pretende tener una mejor comprensión de los procesos que conllevan a erupciones y con ello intentar mejorar las predicciones de esos eventos. Sin embargo, enviar investigadores a pie o en aeronaves piloteadas para inspeccionar volcanes de cerca, puede ser peligroso y costoso económicamente. Tampoco es rentable hacerlo en todos los volcanes, ni de forma periódica. El reto está en que los ambientes volcánicos suelen ser de difícil acceso y hostiles para la vida, haciendo que el transporte de instrumentos pueda resultar agotador y riesgoso, principalmente si se da por medio de caminatas hasta las zonas activas de interés, pues suelen ser extensas y lentas, exponiendo a los investigadores a accidentes ocasionados por las erupciones, altas temperaturas y a gases tóxicos que podrían tener efectos dañinos sobre la salud a corto o largo plazo. Las estaciones terrestres permanentes, que suelen estar instaladas en las cercanías de un cráter o puntos de emisión activos, a menudo se pierden durante las fases iniciales de la erupción, lo que interrumpe el monitoreo en tiempo real del evento y evita registrar los datos de la evolución de las erupciones. Por lo tanto, el transporte de instrumentos científicos antes, durante y después de eventos eruptivos, por medio de plataformas aéreas se hace muy 5 conveniente. La conveniencia radica en la flexibilidad de transportar esa instrumentación a lugares relativamente lejanos a mayor velocidad para registrar datos de forma remota, brindando la posibilidad de alcanzar muchos más puntos por cada viaje. El monitoreo se daría en un menor tiempo, reduciendo la exposición de los científicos y sus instrumentos al ambiente hostil. Tecnologías robóticas como los drones han sido una de las grandes protagonistas en los últimos años, puesto que sirven como medio de transporte aéreo controlado por pilotos en tierra o mediante rutas pre-programadas, para llegar de un punto a otro de forma autónoma, evitando obstáculos y rutas extensas hacia áreas en las que hubiera sido difícil o imposible acceder, como son algunos ambientes volcánicos. Los drones civiles actuales son más económicos y sencillos de implementar que los aviones tripulados, por lo que pueden ser herramientas útiles para laboratorios, empresas y organizaciones. Pero, sin embargo, para ciertas aplicaciones presentan limitaciones como el tiempo de vuelo disponible y la capacidad de transporte de carga útil, y que no solo se deben a la potencia disponible sino también a limitaciones en su resistencia estructural de diseño y a su dinámica de vuelo. Estos factores deben tomarse en cuenta cuando se pretende integrar cargas útiles a drones de forma acertada y segura. Para el estudio de las emisiones de volcanes, uno de los instrumentos científicos que más convendría transportar con un dron sería un espectrómetro de masas. Son de los instrumentos científicos que más información útil pueden aportar respecto a las especies químicas que componen los gases volcánicos. Ofrece múltiples determinaciones de especies químicas, junto con un amplio rango dinámico de sus concentraciones, desde menos de una parte por millón hasta una concentración del 100%, de forma confiable y con tiempos de respuesta relativamente cortos. Estos sistemas han ido evolucionando con los años de forma que se van haciendo cada vez más compactos, livianos y de bajo consumo energético, por lo que ahora podrían transportarse directamente al volcán para realizar mediciones in situ en las zonas de mayor interés. El laboratorio GasLab del CICANUM, de la Universidad de Costa Rica, ha diseñado diferentes sistemas de espectrometría de masas compactos que, en sus últimas versiones, son lo suficientemente livianos como para poder ser transportados por uno de sus drones, el octocóptero Italdron. El GasLab ya voló con un dron su primer prototipo llamado mMS- XPR3-UAS, la versión más compacta que ha tenido de sus sistemas EM, pero el sistema demostró tener varias limitaciones tanto operacionales, de sensibilidad de medición como de estructura mecánica, que hacen que se requiera un estudio más amplio de las consideraciones particulares de la aplicación, para resolverla de forma más adecuada. El GasLab ha continuado con el desarrollo y ha creado un nuevo prototipo de su sistema de espectrometría de masas, el llamado mMS-MPH-UAS, que es más robusto y sensible y, por lo tanto, más apto para aplicaciones volcánicas, pero que, en sus ensambles preliminares, resulta ser más grande y un 15% más masivo que su predecesor, y que también requiere ser integrado 6 a su octocóptero Italdron. Este es el problema que se pretende resolver en este trabajo final de investigación aplicada. La integración mecánica del instrumento representa un reto debido a que se le deben diseñar los elementos de acople para que resistan las cargas dinámicas de la aplicación, pero que sean lo suficientemente livianos y balanceados respecto al centro de masa como para no sobrecargar o desestabilizar el dron, ya que con ello se puede afectar la seguridad de su operación y disminuir su tiempo de vuelo. Se diseñarán elementos estructurales de diferentes materiales para integrar los componentes del instrumento y poder acoplarlo al Italdron, considerando las características de su interacción e interfaces necesarias para un adecuado funcionamiento en ambientes volcánicos. Además, no se puede dejar de lado aspectos clave como las limitaciones geométricas del dron, el soporte seguro del cableado eléctrico de potencia, los sistemas de control y tuberías neumáticas propias del instrumento, teniendo en cuenta que algunos de ellos pueden verse afectados por la vibración proveniente de las propelas del dron y de su propio sistema de bombeo. Por tratarse de un diseño para un laboratorio de presupuesto limitado, es deseable que el diseño final sea seleccionado teniendo en cuenta no solo su capacidad mecánica y practicidad de uso en campo, sino que también contemple bajos costos de manufactura y mantenimiento. Si el prototipo de integración propuesto en este trabajo se llegara a construir, el sistema de medición resultante sería único en el país, por lo que representa un reto realizar la adaptación orgánica de las tecnologías disponibles. El sistema pretende ayudar al estudio de los volcanes costarricenses, pero aportando información científica que podría resultar valiosa a nivel mundial. 1.3. Antecedentes Desde hace un par de décadas, la tecnología de espectrometría de masas se ha estado desarrollando en búsqueda de la miniaturización con el fin de hacerla cada vez más compacta y portátil, para poder ser implementada en tareas como la de caracterización de muestras gaseosas de las emisiones de volcanes activos. Los resultados de esos monitoreos pueden ser utilizados para responder preguntas de carácter científico, pero también con fines de vigilancia y prevención de emergencias. En el pasado, los espectrómetros de masas solo se integraban en aviones tripulados (Arkin y col., 2004) o en drones grandes y costosos, como el Global Hawk (Brown y col., 2011), debido al gran tamaño de los instrumentos y componentes auxiliares asociados a estos analizadores de gas. Ahora, los drones pequeños son una tecnología rentable que se puede usar de forma rápida y precisa con alta resolución espacial, por lo que es común el uso de los drones para transportar sensores con baja masa, como lo son sensores ópticos espectrales y multiespectrales, cámaras fotográficas para aplicaciones de fotogrametría, y otras aplicaciones de interés científico, pero son pocas las instituciones que incursionan en la aplicación de instrumentación tan compleja 7 como la de la espectrometría de masas. En 1998, el investigador Dr. Jorge Andrés Díaz, a cargo del GasLab del CICANUM de la Universidad de Costa Rica (UCR), comenzó con la implementación de un sistema de espectrometría de masas para estudiar la emisión gaseosa en los volcanes, de lo que resultó un primer sistema de medición portátil de doble enfoque para muestrear fumarolas en varios volcanes de Estados Unidos y Costa Rica, (Wiley y col., 2001). En el año 2002, el HGDL de la NASA en colaboración con el Dr. Díaz, desarrolló un analizador de gases in situ basado en un espectrómetro de masas de cuadrupolo pequeño comercial, listo para usar combinado con calibración autónoma a bordo, composición química calibrada y GPS para geo-referenciar las mediciones. El espectrómetro de masas de emisiones volcánicas en el aire (AVEMS) fue desplegado y probado en vuelo sobre volcanes activos de 2003 a 2006 a bordo de la aeronave tripulada de investigación de alta altitud, WB-57 de la NASA y a bordo de una aeronave Cessna 206 Stationair que proporcionó el primer monitoreo gráfico tridimensional, trazable por el NIST, químico-cuantitativo de los gases emitidos por varios volcanes activos de Costa Rica en esa época (Griffin y col., 2008), en lo que se llamó misión CARTA. El AVEMS tenía una masa de 32 kg y un volumen considerable, por lo que solo se puede implementar en una plataforma aérea tripulada relativamente grande, por lo que restringe su uso en entornos de erupción volcánica activa por el alto riesgo para los ocupantes de la nave, debido a la presencia de nubes de cenizas y gases ácidos (por ejemplo: SO2, HCl, HF ), en donde sería más conveniente el uso de una plataforma aérea no tripulada (Diaz y col., 2015). Años después, en el laboratorio GasLab se desarrolló el instrumento ULISSES (utilization of lightweight in situ sensors and remote sensing to study active volcanic emissions sites), con el mismo sensor comercial de espectrometría de masas y el GPS usado en AVEMS, pero con nuevos componentes electromecánicos y de soporte que lo hacían más liviano. El sistema de espectrometría del ULISSES tenía un volumen mucho menor, con una masa aproximada de 10 kg (sin baterías) y con 80 W de consumo de energía. Entre los años 2009 y 2010, fue utilizado para el monitoreo a pie, figura 1.3.1, de las fumarolas del Volcán Turrialba antes y después de su erupción en enero de 2010 (Diaz y col., 2010). Los despliegues de campo al Volcán Turrialba demostraron su utilidad para caracterizar las concentraciones de emisiones gaseosas volcánicas en condiciones ambientales adversas. Para las primeras versiones del sistema ULISSES, se diseñó y fabricó un chasis que unía todos los componentes del instrumento y le permitía ser transportado al campo para misiones terrestres y aéreas tripuladas. Este fue un proyecto de graduación de maestría en Ingeniería Mecánica del ahora Dr. Leonardo Lesser Rojas, (Lesser Rojas, 2006). El trabajo de graduación presenta la descripción de cada uno de los componentes del sistema, para luego diseñar el prototipo utilizando herramientas CAD y CAE, con el fin de optimizar la adaptación reduciendo masa y asegurando que los componentes estuvieran unidos de forma segura entre sí. 8 Figura 1.3.1: Pruebas de campo del prototipo ULISSES, cerca de fumarolas del Volcán Turrialba. Cortesía de GasLab. Según (Diaz y col., 2015), el sistema ULISSES se desarrolló para demostrar que este tipo de sistemas pueden ser utilizados por una sola persona en tierra y que, con más desarrollo, podría integrarse a vehículos aéreos no tripulados. En esta nueva etapa, se tenía el objetivo de correlacionar datos terrestres in situ del ULISSES con datos de satélites de teledetección con la finalidad de ayudar a su validación y calibración, sin embargo, el instrumento presentaba limitaciones de velocidad en la toma de datos, de sensibilidad a los iones y el sistema de bombeo era complejo, además que seguía siendo relativamente masivo y voluminoso para su transporte al campo. Por lo tanto, se necesitaba un nuevo analizador de masas y un sistema de bombeo para desarrollar un sistema UAS-MS completo, además de encontrar un dron apropiado para transportar esta carga útil. Figura 1.3.2: Prototipo mMS-XPR3-UAS del GasLab. El sistema utilizaba un espectrómetro Inficon Transpector© XPR3 con sistema de bombeo de la marca Creare LLC. Imagen cortesía de GasLab. En 2009, investigadores de tres centros de la NASA: Ames Research Center (ARC), Goddard Space Flight Center-Wallops Flight Facility (GSFC-WFF) y Jet Propulsion Laboratory (JPL) se unieron para colaborar con el Dr. Díaz en el desarrollo de nuevos sistemas de monitoreo de volcanes mediante plataformas aéreas. Pretendía aprovechar la experiencia 9 de los científicos en el uso de drones y en sus aplicaciones de detección remota. El grupo ampliado se centró inicialmente en evaluar el uso de pequeñas plataformas aéreas no tripuladas, como drones y globos meteorológicos, para el transporte de sensores electroquímicos para caracterización de gases y para la medición de variables atmosféricas complementarias, para con ello colaborar en la integración de un espectrómetro de masas a una de esas plataformas. Se pretendía crear un sistema compacto de baja altitud para monitoreo de entornos hostiles para el análisis in situ de gases de columna volcánica. En el año 2016, de esta colaboración surge el llamado mMS-XPR3-UAS, figura 1.3.2, como prueba de concepto que sustituiría el instrumento ULISSES. Se trataba de un instrumento basado en el espectrómetro de masas comercial Transpector© XPR3, de la marca Inficon, con un sistema de bombeo de la marca Creare LLC, con poco más de 6,5 kg de masa total, incluyendo su batería, que fue el prototipo más ligero desarrollado por el GasLab hasta ese momento. Figura 1.3.3: Prototipo mMS-XPR3-UAS con sistema de bombeo de masa regular. Pruebas del sistema instalado en el Italdron (izquierda) y que luego fue probado en el Volcán Etna, Italia en el año 2018 (derecha). Imágenes cortesía de GasLab. El sistema mMS-XPR3-UAS, de la figura 1.3.3, tenía un volumen cercano a los 18 000 cm3 y una masa de 7,5 kg (sin baterías, ni cubierta), con un consumo de unos 75 W. Estas características hacían que fuera lo suficientemente portátil como para ser transportado por el octocóptero Italdron, adquirido por GasLab en el 2016, con presupuesto de la Universidad de Costa Rica. Tras algunas pruebas de campo en volcanes, se concluyó que el dron seleccionado se veía en aprietos para levantar el sistema de espectrometría de masas a las alturas en las que se encuentra la pluma del volcán Turrialba, de una altura superior a los 3 350 msnm. El sistema se probó también en las faldas del Volcán Etna, Italia en el año 2018, en donde se intentó volar el sistema pero no pudo mantener el vuelo por más de 2 minutos y tuvo que ser aterrizado de emergencia. Además del problema con el tiempo de vuelo, la integración estructural del instrumento era ligera pero débil, por lo que comprometía la sujeción de componentes a la hora de realizar maniobras con la nave o a la hora de su aterrizaje, lo que 10 ponía en riesgo el funcionamiento y la seguridad del instrumento y el dron. Tras esas pruebas se detectaron oportunidades de mejora en aspectos de seguridad estructural, el amortiguamiento de vibraciones y en la sensibilidad del espectrómetro de masas Transpector XPR3, pues se considera que había una limitada capacidad al medir las bajas concentraciones de gases debidas a larga distancia con la que se realizaban las mediciones con respecto a las fumarolas. Es por lo anterior que se pensó en que la siguiente versión del prototipo debía utilizar el espectrómetro de masas Transpector© MPH, que es más sensible para detectar los gases de interés en la aplicación, pero que es más masivo, voluminoso y trabaja a una presión de vació dos ordenes de magnitud más baja, por lo que le exige un sistema de bombeo más robusto y posiblemente masivo también. En este trabajo, se desarrollará el ensamble de componentes e integración estructural de la última versión de este instrumento, el mMS-MPH-UAS, para que pueda ser transportado por un dron multirotor en ambientes volcánicos. En el pasado, el GasLab ha probado sus instrumentos en giras de campo en volcanes nacionales e internacionales, en las que ha contado con el apoyo técnico, político o económico de parte de instituciones como la Universidad de Costa Rica, (UCR) la Red Sismológica Nacional (RSN), el Observatorio Vulcanológico y Sismológico de Costa Rica (OVSICORI), el Instituto Nacional de Geología y Vulcanología de Italia (INGV), el Jet Propulsion Laboratory (JPL) y el AMES Research Center de la NASA. Por lo que se espera contar con ese apoyo en las nuevas etapas de desarrollo del nuevo instrumento mMS-MPH-UAS, para que también pueda ser probado, construido y volado con drones en el futuro próximo. 1.4. Objetivos 1.4.1. Objetivo general Diseñar los elementos para la integración estructural de un sistema de espectrometría de masas a un dron octocóptero para caracterizar gases en ambientes volcánicos. 1.4.2. Objetivos específicos 1. Agrupar y distribuir los principales componentes del sistema de espectrometría de masas para balancear la geometría y centro de masa del instrumento completo, sin comprometer su adecuado funcionamiento. 2. Evaluar la idoneidad del dron seleccionado por el usuario final para el transporte del instrumento. 3. Diseñar la cámara de vacío para el sensor de un espectrómetro de masas Transpector MPH de la marca Inficon, para que se compacte la distribución de los componentes del sistema, utilizando la asistencia de modelado computacional CAD, CAE. 11 4. Diseñar la estructura mecánica para ensamble de componentes para minimizar su masa, contemplando la integridad del sistema y utilizando la asistencia de modelado computacional CAD, CAE. 5. Diseñar las sujeciones estructurales para unir el sistema de espectrometría de masas con el vehículo aéreo seleccionado, con la asistencia de programas de modelado computacional CAD, CAE. 6. Producir archivos digitales del diseño, listas de materiales y componentes. 1.5. Alcances y limitaciones Se utilizará la versión 2020 del prototipo de espectrometría de masas mMS-MPH-UAS del GasLab. Se distinguirán los componentes más importantes para distribuirlos a conveniencia de masa y geometría para luego diseñarle una cámara de vacío, los elementos mecánicos para integración estructural de sus componentes y los elementos para su anclaje estructural a el octocóptero Italdron, que es el dron disponible para esta aplicación actualmente. Se estudian algunas condiciones físico-químicas relevantes a las que se expondría un dron que vuela en ambientes volcánicos. Aspectos como la altitud de vuelo requerida, la lluvia ácida y los gases corrosivos forman parte de esos temas. Se utilizan herramientas CAD para dibujar los componentes más importantes del instrumento mencionada y del dron elegido por GasLab para la aplicación. El dibujo se da con el suficiente detalle como para que incluyan características físicas como su masa real y el material predominante con el que fueron hechos, para ir ensamblándolos digitalmente y distribuyendo su masa a conveniencia, según los objetivos de este trabajo. Se contempla, además, proponer otros componentes periféricos que se consideran necesarios para la implementación integral del diseño; como lo sería una carcasa para el instrumento, refuerzos para el tren de aterrizaje del dron y los puntos de anclaje para cables y tuberías. Para resolver la integración del instrumento con el dron, se da un proceso de diseño que define las especificaciones técnicas a cumplir, para el sistema general y sus subsistemas, realizando una generación de ideas y evaluación de estas. Para la definición de las especificaciones mecánicas, se definen las fuerzas principales a las que se someterá cada uno de los subsistemas, como cargas laterales y vibración. Se toman en cuenta las condiciones de carga más extremas que debería soportar el sistema completo basado en recomendaciones de documentos pertinentes. Con respecto a las limitaciones de este trabajo, se establece que los diseños se hacen para la integración con el octocóptero Italdron del GasLab, aunque se analizarán sus capacidades para evaluar su idoneidad en el transporte de la carga útil deseada. Los sistemas de trabajo se estudian en las instalaciones del laboratorio GasLab. Se analiza el instrumento tomando nota de sus propiedades físicas, requerimientos de potencia, conexión 12 y comunicación para entender si las estructuras mecánicas o la carcasa diseñadas interfieren en aspectos como la distribución de cables eléctricos o telemetría. Por tratarse de un diseño para un laboratorio de presupuesto limitado, es deseable que el diseño final sea seleccionado teniendo en cuenta aspectos funcionales, pero que también contemple bajos costos de manufactura, baja complejidad y bajos costos de mantenimiento. Este trabajo no cuenta con presupuesto asignado, por lo que no se pretende llevar a cabo la construcción de prototipos para la validación de la respuesta de los sistemas mecánicos diseñados. Se utiliza el programa ANSYS versión estudiantil para el análisis computacional por medio del método de elemento finito. El trabajo de conceptualización y diseño se lleva a cabo en un tiempo de 1 año natural, manteniendo continua comunicación con los profesores asesores del proyecto y con el cliente final, los científicos del GasLab. 13 Capítulo 2 Marco teórico 2.1. Espectrometría de masas La espectrometría de masas (EM) es una técnica microanalítica que se puede utilizar de forma selectiva para detectar y determinar la cantidad de un analito de interés. Se emplea, también, para determinar la composición elemental y algunos aspectos de la estructura molecular de un analito. Estas tareas se logran mediante la medición experimental de la masa de iones en fase gaseosa producidos a partir de moléculas de un analito. La EM tiene la capacidad de generar más información estructural por unidad de cantidad de un analito que la que puede determinar cualquier otro método analítico (Watson & Sparkman, 2007). La EM se basa en el principio de iones en movimiento que son deflectados por campos eléctricos y magnéticos. La técnica se basa en la determinación de la proporción entre la masa y la carga (m/z) de esos iones. Con esta técnica se pueden agrupar los iones para caracterizarlos y cuantificarlos, para con ello especificar la concentración de cada una dentro de una muestra de interés (Watson & Sparkman, 2007). Normalmente, los espectrómetros de masas se pueden emplear para identificar compuestos desconocidos mediante la determinación de su peso molecular, para cuantificar compuestos conocidos y para determinar la estructura y las propiedades químicas de las moléculas que han sido ionizadas. Esta tecnología se viene desarrollando desde inicios del siglo XX, con los experimentos de W. Wien y J.J. Thomson. A este último es a quién se le otorga la construcción del primer instrumento EM propiamente. Desde entonces, se han venido dando múltiples mejoras a los subcomponentes y etapas del proceso de medición con un EM, de forma que han venido a simplificar su constitución, al vez que mejoran su exactitud y precisión, por lo que las opciones comerciales se han vuelto muy prácticas, incluso para comunidades científicas fuera de la física experimental; áreas como la química, biología, ingeniería en ciencia de materiales, geología y geoquímica utilizan sistemas de espectrometría robustos con fines académicos o de industria. 14 Cuadro 2.1.1: Lista de características para comparar los espectrómetros de masa de interés. 2.1.1. Transpector XPR3+ y MPH Los espectrómetros de masa que se tienen de referencia para este trabajo son los modelos Transpector XPR3+ y el Transpector MPH, de la marca Inficon. A estos instrumentos se les llama ’analizadores de gases residuales (RGA)’ de gran velocidad. Se recomiendan para aplicaciones donde se requiere monitorear y controlar cambios proceso en varios campos de la industria de forma rápida, puesto que son capaces de realizar mediciones en tiempo real. Se utilizan, por ejemplo; para el monitoreo in situ de fugas de aire, pureza de gas, hidrocarburos y contaminación ambiental. Por medio del software, el usuario puede configurar los periodos de monitoreo para los isótopos de interés, de forma individual. Algunas de las principales características comparativas de los instrumentos se presentan en la tabla del Cuadro 2.1.1. Cabe resaltar que, aunque la masa total del MPH es un 10% menor que la del XPR3+, figura 2.1.1, la longitud del sensor del MPH es casi 7 veces más largo que el del XPR3, por lo que la cámara de vacío debe ser más grande para cubrir completamente el sensor. El volumen del MPH, figura 2.1.2, será mayor también. Por lo tanto, el resto de componentes, como carcasa externa, cables y demás, tenderían a ser más pesados en un ensamble con el espectrómetro MPH. Inclusive el sistema de bombeo debe ser más robusto en para un sistema que utilice el MPH, puesto que su presión máxima de funcionamiento es de dos ordenes de magnitud más baja que la requerida con el XPR3. Una presión de trabajo superior a esos límites podría quemar los filamentos del EM y dañar las unidades. Otro aspecto a notar de la tabla comparativa es que la presión parcial mínima detectable del MPH es de 3 ordenes de magnitud menor que la del XPR3, por lo que el MPH podría detectar masas en concentraciones mucho menores, lo que lo hace más conveniente para aplicaciones aéreas, en donde se dan vuelos lejos de los focos de emisión de los gases de interés. Además, el 15 Figura 2.1.1: Imágenes descriptivas del fabricante para el espectrómetro Transpector XPR3+. Se presenta una fotografía del sistema electrónica más sensor, las dimensiones generales del instrumento y un esquema del flujo de moléculas y iones. (INFICON Inc., 2021). MPH realiza monitoreos de masas en periodos de tiempo bastante bajos, del orden de los 1,8 milisegundos por punto. Ambos sistemas cuentan con electrónica y sensores intercambiables en campo, lo cual es una característica deseable para reparaciones u optimizaciones de equipos a utilizar en giras de campo, en donde se está lejos de un laboratorio acondicionado. 2.1.2. Componentes principales Un sistema de espectrometría de masas requiere varios componentes para operar apropiadamente, algunos de los más comunes son los siguientes: tubería de succión de gas, elemento para el gradiente de presión, un punto de entrada de la muestra, el sistema de vacío, fuente de iones, analizador de masas, detector, electrónica, computadora y software. El sensor de espectrómetro de masas consta de, al menos, tres componentes: fuente de ionización, analizador de masas y un sistema de detección de iones. La fuente de ionización es donde las moléculas se convierten en iones en fase gaseosa para que puedan moverse y manipularse mediante campos eléctricos y magnéticos dentro del cabezal del sensor del espectrómetro. Por su parte, el analizador de masas es donde los iones se clasifican y separan de acuerdo con las relaciones masa-carga. Hay varios analizadores de masas disponibles actualmente, cada uno de los cuales tiene ventajas y desventajas relacionadas con la velocidad de funcionamiento, 16 Figura 2.1.2: Imágenes descriptivas del fabricante para el espectrómetro Transpector MPH. Se presenta una fotografía del sistema electrónica más sensor, las dimensiones generales del instrumento y un dibujo CAD del fabricante mostrando subcomponentes clave para la caracterización de las moléculas de la muestra. (INFICON Inc., 2021). la resolución de la separación y otros requisitos operativos. Y, el sistema de detección de iones se encarga de medir los iones separados y los envía a un sistema de datos donde las proporciones de m/z se almacenan junto con su abundancia relativa. Un espectro de masas es simplemente la relación m/z de los iones presentes en una muestra representada, frente a sus intensidades. Cada pico en un espectro de masas muestra un componente de m/z único en la muestra, y las alturas de los picos connotan la abundancia relativa de los diversos componentes en la muestra. Los espectrómetros de masas de cuadrupolo (QMS), como los Transpector XPR3+ y MPH, tienen un filtro de masas que consisten en un arreglo cuadrado de cuatro varillas paralelas. Cada par de varillas opuestas están conectadas entre sí y tienen cargas positivas y negativas, ver figura 2.1.3. De esa figura, se observa que entre cada par de varillas se aplica un voltaje en corriente directa (U) y voltaje en corriente alterna con amplitud V con una frecuencia angular ω . Con estos voltajes se forma un campo de cuadrupolo eléctrico entre las varillas. Los iones de masa variable se inyectan axialmente en el sistema de varillas con una energía aproximadamente igual y se mueven a través de este sistema de varillas a una velocidad uniforme. El campo de cuadrupolo aplicado desvía los iones en las direcciones x e y, haciendo que describan trayectorias helicoidales alrededor del eje z, a través del filtro de masa. Si la 17 Figura 2.1.3: Principio de operación del filtro de masas de un espectrómetro de masas de cuadrupolo. Se divide en tres etapas, de izquierda a derecha; el ionizador, el separador de iones por su proporción m/z en el arreglo de varillas y, por último, el detector de iones (Pfeiffer Vacuum SAS, 2013). amplitud de la oscilación de la trayectoria es menor que el radio del campo r0, los iones llegan al detector; si la amplitud excede este radio, los iones se descargarán sobre las varillas o las superficies circundantes y no pasarán a través del filtro (Pfeiffer Vacuum SAS, 2013). Como se ha venido describiendo, el sensor principal de un espectrómetro de masas consta de una fuente de ionización, un analizador de masas y el sistema de detección que deben ser colocados dentro de una cámara de vacío, para con ello evitar que haya gran cantidad de moléculas de fondo que puedan afectar las mediciones del sensor del instrumento. Esa baja presión se alcanza a través de un sistema de bombeo particular y que se mencionará más adelante. Las cámaras de vacío suelen ser metálicas y con geometrías cilíndricas o esféricas para soportar los esfuerzos mecánicos ocasionados por el diferencial de presión a ambos lados de sus paredes. Suelen manufacturarse en materiales como el acero inoxidable y aluminio. Cuentan con puertos de conexión de otros componentes como el agujero crítico para la entrada de los gases a muestrear, sensores de presión de vacío, el sensor del espectrómetro de masas y el sistema de bombeo. 2.1.3. Sistemas de vacío Un vacío se define, coloquialmente, como el estado en que se encuentra un volumen a presiones inferiores a la presión atmosférica. Estas presiones pueden ser generadas por gases o vapores que se distribuyen uniformemente en ese espacio. De acuerdo con (Pfeiffer Vacuum SAS, 2013), la definición estándar de vacío es “el estado de un gas en el que su presión en un recipiente y, por lo tanto, su densidad de partículas es inferior a la de la atmósfera circundante o en el que la presión del gas es inferior a 300 mbar, 18 es decir inferior a la presión de la atmósfera en la superficie de la Tierra“. Los 300 mbar se relacionan con la presión ambiental mínima que puede haber en el planeta tierra, la del Monte Everest. En la ecuación 2.1.1 se presenta la formula de presión barométrica que relaciona la presión atmosférica local (Ph) en función de la altitud absoluta (h): Ph = P0 · exp −ρ0 · g · h P0 (2.1.1) Donde hay una dependencia de la gravedad local (g) y parámetros característicos de la atmósfera a altura cero, como la presión absoluta a nivel del mar (P0) y la densidad del aire a nivel del mar y a 0°C (ρ0). De la misma ecuación se concluye que la presión atmosférica local disminuye conforme aumenta la altitud, debido a que decrece la columna de aire sobre una determinada área. En los sistemas de vacío se suele trabajar con presión absoluta de un volumen definido, la cual es generada por la colisión de las moléculas de una sustancia contra las paredes del volumen. En el caso especial de que la distribución de velocidad de partículas, siga una distribución de Maxwell Boltzmann, la presión absoluta viene dada por Ley de los gases ideales de la ecuación 2.1.2. En donde P [Pa] es la presión absoluta del medio, el parámetro n [molculas/m3] representa la densidad de moléculas en el medio, la temperatura absoluta del gas sería la T [K] y la k es la contante de Boltzmann (1, 38 · 10−23). En la segunda parte de la igualdad se tienen que m [kg] representa la masa contenida en el volumen V [m−3], con una constante del gas contenido R, que para el aire corresponde a un valor de 0,287 kPa. P = n · k · T = m ·R · T V (2.1.2) Entonces, los iones deben poder pasar a través del filtro, por ejemplo cuadripolar, sin colisionar con partículas de gas neutro. Para el funcionamiento de los espectrómetros de masas de cuadrupolo se requieren longitudes de trayectoria media que se alcanzan a presiones del orden de los p < 10−4 hPa. Esto requiere una estación de bombeo adecuada con control de presión. Un sensor de presión total adicional protege el espectrómetro de masas contra presiones excesivamente altas. Al instalar un sistema de este tipo, se debe prestar atención a una disposición adecuada de la entrada de gas, válvulas, bombas e instrumentos de medición para evitar falsificaciones derivadas de condiciones de flujo desfavorables. A menudo se requiere una estación de bombeo separada que evacue el sistema de medición durante los procesos de vacío que funcionan a alta presión. Para ello se utilizan pequeñas estaciones de bombeo con turbo-bombas de arrastre y bombas de diafragma. Cabe resaltar que, en sistemas de vacío, no se puede llegar a una presión de cero absoluto, puesto que las condiciones de temperatura local logran imprimir algo de energía a las moléculas residuales en la cámara de vacío, excitándolas y aumentando la presión interna del volumen. Por ello, un sistema de vacío se caracteriza en función de la presión absoluta mínima que pueda 19 Figura 2.1.4: Resumen de rangos de trabajo para diferentes sistemas de bombeo para equipos científicos e industriales (Pfeiffer Vacuum SAS, 2013). alcanzar, la más cercana a cero, mas nunca el cero absoluto. En la Tierra se utilizan diferentes tipos de bombas de vacío para generar vacío. En la figura 2.1.4 se presenta una descripción general de los rangos aproximados de trabajo de los tipos más importantes de bombas de vacío e instrumentos de vacío. En la figura se encuentran diferentes rangos de vacío según el ámbito de presión absoluta. Se cataloga como Bajo vacío ambientes que van de presión atmosférica a 1mbar, el Vacío medio se encuentra entre los <1 mbar y los 10−3 mbar. La zona de Alto vacío va de los <10−3 mbar a los 10−7 mbar. A presiones menores a los 10−7 mbar se encuentra el Ultra alto vacío y menores a los 10−10 mbar se le denomina como Vacío extremadamente alto. Cada nivel de vacío tiene su propia exigencia técnica y por tanto, entre más vacío se requiera mayor la complejidad, potencia y masa de los equipos a emplear en el laboratorio. Los sistemas bombeo requeridos para los espectrómetros de masa que interesan para este trabajo, trabajan en el rango de Alto Vacío, cerca al orden de los 10−5 torr absolutos, por lo que con sistemas de bombeo modernos y ligeros se puede alcanzar esos vacío estables. Los sistemas de bombeo a utilizar para alcanzar el presión se discutirán más adelante. 20 2.1.4. Cámara de vacío Para el caso de un recipiente cerrado, la presión interna está dada por las partículas de un gas encerrado en él, puesto que realizan movimientos térmicos. En su interacción con la pared de ese volumen constante, los átomos y moléculas están sujetos a un gran número de colisiones. Cada colisión ejerce una fuerza sobre la pared del vaso. Cuando un gas encerrado no está expuesto a influencias externas, las numerosas colisiones que tienen lugar dan como resultado la misma presión en cualquier punto dentro del recipiente, sin importar dónde y en qué dirección se realice la medición. Con un sistema de bombeo adecuado, extrayendo gas del recipiente y equiparando las fugas o grietas del recipiente, se puede generar un vacío en su interior. Dicho recipiente se llama una cámara de vacío. Las cámaras de vacío utilizan diferentes tipos de sellos en sus puertos de conexión, evitando filtraciones de gases por diferencial de presión. Estos sellos están estandarizados y ofrecen resistencia a altas temperaturas y una amplia gama de solventes químicos. Uno de ellos es el fluorocarbono, también conocido como FKM o de nombre comercial Viton®. Las juntas de Viton® se utilizan comúnmente también en sistemas de combustible, oleoductos y gaseoductos y plantas de procesamientos químicos. 2.1.5. Sistemas de bombeo El sistema de bombeo para el sistema espectrometría a ensamblar consta de dos bombas colocadas en serie, una comúnmente llamada mecánica, de tipo de desplazamiento positivo, diafragma o rotativa tipo Scroll, y que se enciende primero puesto que es la encargada de extraer el gas de más alta densidad dentro de la cámara de vacío. La bomba mecánica suele reducir la presión interna de los gases en la cámara de vacío a valores menores a 10 torr. La segunda bomba es llamada turbo-molecular, cuyo encendido se da después de que la bomba mecánica haya alcanzado una presión lo suficientemente baja, que ronda entre 1 torr y 10 torr, debido a que suele tener una turbina muy liviana, es capaz de rotar a unos 90 000 rpm (Pfeiffer Vacuum SAS, 2013), con el fin de extraer las moléculas del gas residual dentro de la cámara de vacío, generando un diferencial final de presión que, en sistemas pequeños como el que se tratará en este documento, se suele llegar hasta 10−5 torr absolutos. La succión de la bomba turbo-molecular va conectada directamente al puerto de salida (outlet) de la cámara de vacío y su extracción se conecta directamente a la succión de la bomba mecánica mediante una tubería resistente a deformación por cambio de presión. La tubería suele estar hecha de teflón, también conocida como tubería de PTFE, es un tipo de tubería hecha de politetrafluoroetileno. Se usa comúnmente en aplicaciones de alta temperatura debido a su resistencia al calor y por ser inerte a agentes químicos. Es conveniente evitar lo más posible la colocación de componentes intermedios entre esta bomba y cámara, para con ello mejorar la eficiencia en la evacuación de gases y evitar posibles puntos de fuga. 21 2.1.6. Otros componentes Los gases a analizar generalmente deben reducirse de la presión atmosférica a presiones inferiores a la presión de trabajo del espectrómetro de masas. Por lo tanto, un elemento esencial de un espectrómetro de masas de cuadrupolo es un sistema de entrada de gas adecuado para la aplicación particular. Se utilizan varios procedimientos de reducción de presión, dependiendo del gradiente de presión necesario. De (Pfeiffer Vacuum SAS, 2013), se dice que las mezclas de gases deben admitirse en el espectrómetro de masas sin desmezclar, si es posible. Por lo tanto, a presiones p > 10 hPa, la presión se reduce mediante un tubo capilar (calentable), en el que prevalece el flujo laminar, con una válvula de entrada. En algunas circunstancias, será necesaria la reducción de la presión mediante una bomba adicional. A presiones p < 10 hPa, la presión se reduce con un orificio crítico y un espectrómetro de masas que se bombea diferencialmente con una bomba turbomolecular. A presiones p < 10−4 hPa, el espectrómetro de masas se puede instalar directamente en la cámara de proceso con una fuente de iones abierta. Cuando se utiliza un orificio para reducir la presión, su conductividad es dependiente del tipo de gas es compensada con la conductividad igualmente dependiente del tipo de gas de la ruta de flujo hacia la bomba, lo que significa que, en un filtro de cuadrupolo, las concentraciones reflejan la verdadera composición del gas. El orificio crítico, o pinhole en inglés, tienen orificios de paso cuyo tamaño es del orden de las milésimas de pulgada, y están ajustados para dar una entrada controlada de gases y mantener el diferencial de presión entre la atmósfera y la cámara de vacío. Alternativo a este componente, se suele usar mangueras capilares en donde se selecciona el diámetro y el largo de la tubería para aproximar la caída de presión requerida. Los diámetros internos de las mangueras capilares suelen ser cercanos al milímetro, y son construidas de materiales frágiles como el vidrio, maleables como el acero inoxidable y flexibles como los plásticos. Los sensores de presión de vacío tiene requerimientos tecnológicos dependen del nivel de vació que se pretenda alcanzar en la cámara. Para las presiones que se manejan en los EM las tecnologías más comunes son los Pirani y Ion-gauge. El sensor del espectrómetro de masas define la presión de trabajo para el sistema bombeo, es decir, la presión de vacío mínima que debe alcanzar el sistema de succión, para un apropiado desempeño de detección de la proporción m/z. 2.1.7. Monitoreo volcánico con SEM Los investigadores concuerdan en que las emisiones volcánicas en el aire, como gases y cenizas, brindan información actualizada sobre los procesos cambiantes en el interior del volcán. Dichas mediciones de gas proporcionan señales previas, durante y posteriores a una erupción, lo que pueden revelar los precursores de esa erupción o el cambio de un ciclo activo. Uno de los principales beneficios de utilizar los sistemas de espectrometría de masas 22 (SEM) para el monitoreo volcánico in situ, es que ofrece múltiples determinaciones de especies químicas junto con un amplio rango dinámico de sus concentraciones, desde menos de una parte por millón hasta una concentración del 100%, con un tiempo de respuesta relativamente corto y confiable. Un espectrómetro de masas puede realizar análisis tanto cualitativos como cuantitativos de muchas especies presentes en fase gaseosa, con suficiente rango dinámico para detectar incluso los componentes más pequeños en una nube volcánica, lo que hace que este método analítico sea un buen candidato para lograr un monitoreo continuo de gases volcánicos (Diaz y col., 2015). En los últimos tiempos, los científicos han demostrado que se requiere medir moléculas de entre los 1 a 100 Da, para poder apreciar los cambios en la emisión de gases de los volcanes activos, por lo que pueden ser medidos con sistemas de espectroscopia de masas (Diaz y col., 2002). El análisis sistemático de dichas mediciones y sus tendencias podrían ayudar a generar alertas tempranas de actividad volcánica peligrosa (Aiuppa y col., 2009). Sin embargo, el muestreo y medición de estos gases indicadores debe realizarse en las proximidades de los conductos de ventilación fumarólicos y de forma frecuente. Varios investigadores han desplegado redes de sensores terrestres (Salerno y col., 2009) para monitorear la actividad volcánica cambiante, pero es común que la nueva actividad comience a cierta distancia de una erupción anterior, lo que limita la efectividad de la instrumentación fija para el monitoreo continuo. Estos datos recopilados por todos estos sistemas ayudan a comprender mejor el papel de dichos gases en el magma y los productos de erupción subsiguientes, así como el papel que pueden desempeñar al afectar los entornos regionales y globales. El objetivo de fondo es comprender mejor cómo funcionan los volcanes y, específicamente, restringir mejor las estimaciones del fondo persistente y los gases traza eruptivos episódicos (como dióxido de azufre, entre otros) y las emisiones de dióxido de carbono (Pieri y col., 2013). Como se mencionó previamente, un espectro de masas es simplemente la relación m/z de los iones presentes en una muestra, frente a sus intensidades. Cada pico en un espectro de masas muestra un componente de m/z único en la muestra, y las alturas de los picos connotan la abundancia relativa de los diversos componentes en la muestra, ver figura 2.1.5. Instituciones como La Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) de los Estados Unidos, llevan a cabo misiones y campañas regulares para estudiar la química atmosférica de la Tierra, generando conjuntos de datos que se utilizan para comprender las tendencias en los gases troposféricos y su relación con el cambio climático, determinar la calidad del aire y los estándares de emisiones, y emitir advertencias de actividad volcánica al sistema de control del tráfico aéreo. Tal ha sido el grado de avance del sensor que el GasLab colabora con la NASA para contribuir con datos confiables para mejorar sus modelos de transporte y pronóstico de dispersión de contaminantes. Las partes involucradas están conscientes de que la próxima generación de misiones aéreas requiere instrumentos miniaturizados que puedan medir la composición química de los gases, la humedad relativa, la presión, la velocidad del 23 Figura 2.1.5: Espectro de abundancia en función de la proporción entre carga y masa de las especies identificadas en un gas durante una medición de campo en Italia, por medio de sistemas de espectrometría de masas portátiles. Tomada de (Diaz y col., 2015). viento y la temperatura para mapearlos y georeferenciarlos de forma periódica y versátil. Por lo tanto, las misiones de Ciencias de la Tierra de la NASA necesitan paquetes de carga útil de instrumentos pequeños pero robustos para ser integrados en mediciones in situ de los parámetros atmosféricos clave en entornos hostiles, y a veces inaccesibles, para los humanos como las columnas volcánicas (Diaz y col., 2015). Laboratorios alrededor del mundo, como el GasLab, toman ventaja de los últimos avances en analizadores de masas, tecnologías de bombeo, electrónica accesible y rápida, junto con detectores de iones de alta presión, para desarrollar nuevos sistemas de espectroscopia de masas. Estos nuevos sistemas completos resultan tener tamaño, peso y consumo de energía lo suficientemente bajos como para que sea posible integrarlos a un sistema aéreo no tripulado relativamente pequeño. Dicha implementación se viene desarrollado desde hace unos años en el 24 GasLab bajo los proyectos CARTA-UAV (aplicación de instrumentación aerotransportada en plataformas no tripuladas para el monitoreo de plumas volcánicas) y VAMOS-UAV (Monitoreo de gases volcánicos en el aire utilizando sistema