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Mares y Biolab, dos proyectos espaciales para la ISS de NTE

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Rama de Estudiantes de la Aerospace and Electronic Systems Society ffií]~~ ESTUDIANTS .:jETSETB BiUPC NTE:. MARES Y BIOLAB, DOS PROYECTOS ESPACIALES PARA LA ISS DE NTE Nuevas Tecnologías Espaciales (NTE) es una em-presa de ingeniería fundada en 1987 y perteneciente a la multinacional española C.H. WERFEN, uno de los líderes españoles en la fabricación y distribución de equipos y productos para el sector médico, y de la que forman parte empresas como Izasa, Instrumentation Laboratory (IL), Biokit, Diagniscan y Leventon entre otras. La plantilla de NTE está actualmente formada por 43 personas, de las que más del 85% son titulados univer-: sitarios, distribuidas en las 2 divisiones que tiene de la ,compañía: - División Espacio e Ingeniería: Dedicada a proyectos de ingeniería para los sectores espacial y comercial (19 personas). - División Grupo: Dedicada al desarrollo de software para los instrumentos de IL (24 personas). La facturación de NTE en el año 1998 fue de 692 Mptas y están previstos 800 Mptas para 1999 (de ellas, el 42% y 44% corresponden a la División de Espacio e , Ingeniería). Desde 1994, los equipos espaciales diseñados y fabricados por NTE han participado en diversas misiones de la ESA (Agencia Europea del Espacio) y de la NASA, a bordo del Spacelab y Spacehab en los transbordadores . Columbia y Atlantis y de la estación espacial MIR. Los principales proyectos de la División de Espacio de NTE son el MARES y las neveras. El producto clave de la empresa son las neveras y congeladores para muestras biológicas y fisiológicas, dentro de un rango de temperaturas de hasta -20 oC. Prácticamente todas las que ha precisado la ESA en los 5 últimos años han sido fabricadas por NTE. Precisamente, y para la Estación Espacial Internacional, NTE es la encargada de fabricar 2 congeladores y 2 neveras (TCU) y 4 contenedores climatizados (ATCS) que se integrarán en el laboratorio BIOLAB, uno de los 3 que existen en el módulo europeo (COLUMBUS) de la futura Estación Espacial Internacional. Estos equipos se entregarán en Julio del 2000 y suponen un presupuesto de 400 Mptas. Una particularidad tecnológica interesante de la línea de neveras es el hecho de que dos de los últimos • RAMAs DE ESTIJDIANTES DEL IEEE modelos fabricados por NTE han sido neveras hinchables. Esto es francamente relevante pues, aparte de la innova-ción tecnológica que ello supone, comporta una disminu-ción considerable del peso y volumen (puesto que se lanza plegada) del equipo a ser puesto en órbita. Considerando que estas neveras pesan unos 20 Kg menos que las tradicionales y que el coste por Kg de lanzar un equipo al espacio se sitúa en tomo a los 3 Mptas, se deduce perfec-tamente la importancia de este avance tecnológico. Otros proyectos espaciales relevantes de la empresa son el sistema de teleciencia VISC (teleconferencia y telecomando) para controlar desde la tierra experimentos científicos en órbita, varios contenedores biológicos y hardware para la realización de estudios cromosómicos en moscas, en vuelos espaciales por parte del científico español Profesor Roberto Marco de la UAM y el sistema de detección por técnica de impedancias del desplaza-miento de fluidos corporales en los astronautas sometidos a ingravidez. Este último sistema es de gran importancia para la empresa ya que, fruto de la tecnología desarrollada para el mismo, se está actualmente validando la aplicación de la misma en el control de la calidad de los productos cárnicos dentro del sector agro alimentario. Esta valida-ción se está llevando a cabo dentro de un proyecto de la Comunidad Europea en colaboración con diversas indus-trias nacionales y extranjeras de dicho sector. Dentro de la política general de NTE de tratar de buscar aplicaciones comerciales y terrestres a los desarro-llos tecnológicos llevados a cabo en su actividad espacial, es necesario mencionar que se está trabajando actualmen-te en las potenciales aplicaciones terrestres del equipo MARES y que se han identificado y empezado a estudiar las siguientes: - Sector médico: Estudio, diagnóstico y terapéuti-ca de los pacientes con trastornos y déficits neuromusculares tales como aquellos que han sufrido parálisis de causas vasculares (trombosis, infartos, hemo-rragias, etc.) o neurológicas (neuritis, encefalitis, etc.), traumatismos que requieran largas inmovilizaciones o pacientes con largas estancias hospitalarias en cama, todos ellos precisados de sesiones prolongadas de rehabi-litación y control de su evolución. - Sector deportivo: Tanto en el área de la compe-tición (entrenamiento profesional, potenciación selectiva 29 DJ[]@@ Rama de Estudiantes de la Aerospace and Electronic Systems Society ESTUDIANTS __________________ ~~~~~~~~~~~~~~~~==~~~~~~~ __ ~ ___ ,#ETSETB IHUPC de grupos musculares determinados, seguimiento de le-siones musculares, investigación en medicina del deporte) como en el área del deporte de ocio (utilizando MARES como una máquina de «fitness» o de musculación). Asimismo, y como ya se ha mencionado anterior-mente, es importante resaltar la importancia que la I+D espacial tiene sobre los avances tecnológicos terrestres. Durante el programa Apolo de la NASA, se comprobó que cada dólar invertido en dicho programa, revirtió diez en la economía americana. No hay que olvidar que elementos tan incorporados en la vida cotidiana como son las comu-nicaciones por satélite (teléfonos móviles y TV por saté-lite), el teflon (sartenes y prendas de vestir), fibra de carbono (automoción y raquetas de squash), el Meteosat (indispensable para la predicción del tiempo), el velcro y muchos pegamentos, los airbags y ABS, los alimentos liofilizados y deshidratados, tratamiento de imágenes e imágenes digitalizadas, muchos desarrollos en óptica, electrónica e informática y un largo etcétera son fruto de la investigación llevada a cabo en el sector espacial. Dentro del sector espacial, es vital reseñar el apoyo que la Delegación de España en la ESA (CDTI) ha prestado siempre e incondicionalmente a las empresas españolas de dicho sector. Francesc Gallart Director de Marketing MARES (MUSCLE ATROPHY RESEARCH AND EXERCISE SYSTEM) La empresa NTE es la responsable y contratista principal de este equipo de caracterización muscular que ha sido encargado por la NASA a la ESA (Agencia Europea del Espacio) para instalarlo en la futura Estación Espacial Internacional (ISS). MARES es un equipo que se utilizará para llevar a cabo investigación en fisiología músculo-esquelética, biomecánica, neuromuscular y neurológica con el fin de estudiar el efecto de la ausencia de gravedad en el cuerpo humano y de evaluar el resultado de las medidas aplicadas para contrarrestar aquel efecto. La ausencia de gravedad produce en el cuerpo humano pérdida de fuerza muscular con atrofia muscular (pérdida de masa muscular) y osteoporosis (pérdida de calcio de los huesos). NTE fue seleccionada por la ESA para llevar a cabo dicho proyecto, siendo la responsable de la gestión del mismo, del diseño global del sistema, de toda la electró-nica de control, de potencia y de supervisión y del soft-ware. Las partes mecánicas y estructurales se sub contratarán a una empresa suiza y otra italiana y el 30 motor será suministrado por otra empresa helvética. El Centro de Alto Rendimiento (CAR) de Sant Cugat del Vallés colabora con NTE en este proyecto suministrando asesoramiento en el área biomecánica y realizando las pruebas científicas. En estos momentos ya se ha llevado a cabo la fase de definición del equipo y se ha construido un prototipo funcional del mismo para validar los ejercicios y medidas a realizar en el equipo de "Velo. Durante este año empe-zará la fase de diseño definitivo y fabricación del equipo de vuelo del MARES que se entregará en Mayo del 2001 y será instalado en el módulo americano de la ISS. El presupuesto total del proyecto se eleva a 7 .300.000 de EUROS. El equipo MARES consiste en: -Motor de baja inercia de 6000 W de potencia, 1.200 Nm de par de pico y 900 Nm de par constante controlado para seguir perfiles prefijados de par o velocidad contra una resistencia y en función de la posición y/o tiempo y/o velocidad o par de la resisten-cia. La máxima dificultad en el diseño y fabricación del motor proviene de los requerimientos de amplio margen dinámico en par, necesario para realizar ejer-cicios a fuerzas submaximales en articulaciones pe-queñas (ej. muñeca) y realizar ejercicios maximales usando grupos musculares más potentes (flexión-ex-tensión de ambas piernas). El motor, siendo grande, debe presentar un rizado de par no mayor a13% del par ejercido (no del par máximo del motor, como habitual-mente se define) para poder mantener la precisión y resolución requerida en las medidas de par. - Conjunto de adaptadores humanos que permiten inmovilizar al sujeto cuyas características musculares se desea medir y que permiten aplicar los perfiles de estímu-lo generados por el motor a una articulación o grupo muscular concreto. Los requerimientos más exigentes para los adaptadores y para las partes mecánicas en general provienen de dos fuentes principales. La primera son los requerimientos biomecánicos y antropométricos. MARES debe ser ajustable para ser usado por toda la población (distintos tamaños corporales), debe fijar fir-memente al sujeto sin producir daño ni incomodidad y sin presionar sobre los músculos bajo estudio. El siguiente requerimiento proviene de la necesidad de construir los elementos mecánicos con una rigidez suficiente para que su deformación bajo esfuerzo no afecte la precisión de las medidas angulares realizadas. La masa y tamaño de estos adaptadores debe hacerlos manejables. -Sensores para medir la velocidad y fuerza que el sujeto realiza con el grupo muscular bajo estudio como respuesta al estímulo aplicado por el motor. El requeri-miento más estricto para estos sensores es el amplio margen dinámico de medida requerido y la robustez necesaria. _R_a_m_a_d_e_E_s_t_u_d_ia_n_te_s_d_e_la_A_e_r_o_s_pa_c_e_a_n_d_EI_e_c_tr_o_nl_·c_S_y_s_te_m_s_S_o_c_ie_ty ___________ ~~~N~ ~~:?.tETSETB .UPC -Electrónica y software de control del motor y los ensore . Debe optimizarse para controlar el motor en pocos milisegundos bajo aceleracione muy grande. -Software de interfaz u uario permitiendo progra-mar la características de ejercicio. MARES es capaz de crear condiciones de ejercicio muy complejas (explicadas más adelante). Es un reto importante ofrecer toda la potencia de las prestacione de MARES en un lenguaje de u uario sencillo y familiar para la comunidad de usuarios. - Montaje mecánico compacto, con los camino de fuerza durante el ejercicio definjdos y bajo control (para no introducir deformaciones incontroladas que puedan afectar la precisión de la medida). El di seño debe er modular y el equipo fácilmente mantenible. - Elementos de seguridad para evitar situacione de luxación o fractura de articulaciones. - Estructura mecánica que alberga el motor, la elec-trónjca y el software y que sirve de soporte principal y de fijación de los adaptadores humanos. Está realizada con materiales composites, en particular fibra de carbono. MotoT Adaptad=s Hurmoos Estructura que alberga. ti rmtor, la elec:ttóoca y elsoftwm Estructura pnnopa¡ de $Opone .unhan:s EJERCICIOS EN MARES 9.U. Pantógrafo MARES cubre la posibi lidad de efectuar medicio-nes y ejercicios en los siguientes movi mientos-grupos musculares: - Flexo/extensión del tobillo. - Flexo/extensión del codo. - Flexo/extensión del la rodilla. - Flexo/extensión de la cadera. - Flexo/exten ión de muñeca. - Prono/supinación de muñeca. - De viación radial-cubital de muñeca. - Pre s de brazos (levantamiento de peso obre la cabeza o sobre el pecho). - Press de pierna (flexión y extensión de ambas piernas a la vez). - Flexo/extensión de tronco. - Flexo/extensión de hombro . • RAMAS DE E STUDlANTES DEL IEEE Los tipos de medida (o modos de funcionamiento) son: -Obtención de la curva de Hill por u dos entrada . El motor permite (concéntrico) o fuerza (excéntri-co) al sujeto desarrollar con el grupo muscular bajo medida una velocidad con tanteo Se mjde el par que el ujeto ejerce a e ta velocidad. El motor aplica (excéntrico) o re i te (concéntri-co) al sujeto mediante un par constante y mide la velocidad que el sujeto desarrolla. -Simulación de elementos físicos ideales. MARES puede si mular el efecto combinado de una inercia, un muelle, una fri cción, una vi cosidad y una fuerza constante. Cada uno de estos elementos variando en el tiempo y con la posición. Esta herramienta permite simular levantamjento de pesos (incluyendo inercia), ejercicios biocinéticos (el remo es un ejercicio biocinético caracterizado por una fase de resistencia viscosa seguido por una fase de fuerza constante), estimulación neurológica y medida de refl ejos (el sujeto puede estar realizando fuerza sobre un adapta-dor inmóvil que de repente cede, MARES puede medir cuanto tarda en reaccionar el sujeto y que fuerzas aplicaen su reacción). Sería prolijo enumerar el largo etcétera de ejercicios y medidas que esta herramienta ofrece a la imaginación del investigador, proviniendo quizá la mayor limitación para su aplicación de la habi lidad de crear un interfaz usuario sencillo y directo (alejado de la represen-tación en ecuaciones de estas capacidades de ejercicio) que anime a los usuarios a di señar ejercicios nuevos. TCU AND A TCS FOR THE BIOLAB FACILITY The European Space Agency (ESA) has been mandated to perform in relation to the Intemational Space Station (ISS) programme, a separate optional prograrnme entitled Microgravity Facilities fo r Columbus (MFC) for the development of fi ve major ESA multi-user payload facilities to be flown on the Columbus Orbital Faciljty (COF) and in the US laboratory. The BIOLAB facil ity is part of the approved element of the MFC programme and it is a multi-user fac ility to perform biological research and experiments in cell cu ltures , micro-organi ms, mal 1 plants and mall vertebrate . BIOLAB is a complex fac ility and its de ign features include: - Temperature Controlled nit (TCU) for storing experiments containers and sample inserts at cooling and freezing temperatures. 31 ~m~N~ ________ ---..:R..::a::.m:..:.:a:....::.de=-=E.::.st::U:.:d:::i a ..:.:n..::te:.:S:....:d:.:e:....:l:.::a..:.A:::e:..:.:ro:.:s:!p:.:a::.c.::.e-=a.:..:.nd=-=E::..:le:.:c..::tr-=o.:..:.n::i c...:S~y:..:s..::te:..:.m..::s:.....::.So.:..c.:..:.i .:..et::..y __ ~~? 4 ETSETB EUPC - Automatic Temperature Controlled Stowage (ATCS) to cool or freeze samples taken fro m the experiments containers. The samples are automaticall y introduced to and retrieved from the A TCS. - Bioglovebox to prepare experiments -lncubator with two centri fuges fo rthe execution ofOg and Ig experiment paral le l - Handling mechanism fo r the automatic (no crew in volvement) execution of the experiment fo llowing manualloading - Three types of analy is instrument for di agno tics BIOLAB wi ll occupy a full Intem ati onal Standard Pay load Rack (lSPR) and it is planned to be launched inside the Columbus Orbital Faci lity (COF) which is the European Module of the ISS . NTE is in cha rge of the co mpl e te des ig n, deve lopm e nt , manu fac ture , integ ra ti o n , tes t and qualifica ti on of the TCU and ATCS of the BIOLAB fac ility. BIOLAB The BIOLAB facili ty on board the Columbus Mo-dule (COF) is designed for research in the following areas of bi o log ica l s tudi e : regulato ry mechani s ms of proliferation and differenti ati on at cell ular level ; ro le of th e cy tos ke le to n ; ea rl y d eve lo pme nt eve nt s; graviperception; mechani sm of radi ation damage and repair in cell s and tissue . This applies to research subjects such as cell cultures, ti ssues, micro-organi sms, small plants, and smaU invertebrate . BJOLAB is a modular system integrated into an ISPR and isdivided into two parts: an «Automated Section», where experiments are performed automatically, and a «Manual Secti on» dedicated to sample handling by the crew and stowage. The faci lity, as a whole, is perfec tl y adapted for te lescience operarion . The mai n components of the BlOLAB Facility are an lncubator with variable gravity centri fuge , Li fe Support System (LSS), Automati c Tempe rature Contro lled Stowage (ATCS), Automatic Ambient Stowage (AAS) , Analysi lnstruments (AJs), Handling Mechanism (HM), Ex pe rime nt Co nta in ers (EC ), Biog lovebox a nd Temperature Controlled Unit (TCU). A UTOMA TIC TEMPERA TU RE CONTROLLED STOWAGE (ATCS) Two ATCS units are used in BIOLAB for sample stowage at selectable temperatures. The content of the ATCS (contai ned in the ATCS Inserts) can be easily exchanged as a function of experiment requirement needs. The A TCS ' s can be accessed by the Handling Mechanism 32 ofBJOLAB allowing automatic storing and withdrawal of fluids. The overal l A TCS characteristics are as follows : Temperature range o of sample vials Volume per vial -20°C to + l Oo( 89 2 ml The next images are a computer rendering of the A TCS and a functional prototype: TEMPERA TURE CONTROLLED UNIT (TCU) BlOLAB will be equipped with two TCU's for storage and preservati on ofbiological items. They can be used as a freezer or a cooler. The total useful volume will be approximately 12 litres per TCU and the temperature regul ati on accuracy will be ±1 oc. Loading and unloading of sample containers will be done manuall y. The overall TCU characteristi cs are as fo llows: Sample capacity Useful volume Temperature range Temperature accuracy 12 EC' s or lOA TCS inserts approx. 12 li tres -20°C to + 10°C ±l oC The fo llowing is a computer rendering of the TCU: B URAN N° l3 M AYO 1999 

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