La navicella spaziale Psyche della NASA è stata fotografata nel luglio 2021 durante l'assemblea della missione, test, e la fase operativa di lancio al JPL. I propulsori Hall spingeranno il veicolo spaziale verso il suo obiettivo nella fascia principale degli asteroidi. Credito:NASA/JPL-Caltech
Quando arriva il momento per la navicella spaziale Psyche della NASA di alimentarsi attraverso lo spazio profondo, sarà più cervello che muscoli a fare il lavoro. Una volta roba da fantascienza, la potenza efficiente e silenziosa della propulsione elettrica fornirà la forza che spingerà la navicella spaziale Psiche fino alla fascia principale degli asteroidi tra Marte e Giove. L'obiettivo dell'orbiter:un asteroide ricco di metalli chiamato anche Psiche.
La navicella verrà lanciata nell'agosto 2022 e percorrerà circa 1,5 miliardi di miglia (2,4 miliardi di chilometri) in tre anni e mezzo per raggiungere l'asteroide, che gli scienziati ritengono possa essere parte del nucleo di un planetesimo, l'elemento costitutivo di un primo pianeta roccioso. Una volta in orbita, il team della missione utilizzerà il carico utile di strumenti scientifici per indagare su ciò che questo obiettivo unico può rivelare sulla formazione di pianeti rocciosi come la Terra.
La navicella farà affidamento sui grandi motori a razzo chimico del veicolo di lancio Falcon Heavy per far saltare in aria la piattaforma di lancio e sfuggire alla gravità terrestre. Ma il resto del viaggio, una volta che Psiche si separerà dal veicolo di lancio, farà affidamento sulla propulsione elettrica solare. Questa forma di propulsione inizia con grandi pannelli solari che convertono la luce solare in elettricità, fornendo la fonte di energia per i propulsori del veicolo spaziale. Sono conosciuti come propulsori Hall, e la navicella spaziale Psiche sarà la prima a usarli oltre l'orbita della nostra luna.
A sinistra, il plasma allo xeno emette un bagliore blu da un propulsore elettrico Hall identico a quelli che spingeranno la navicella spaziale Psyche della NASA verso la fascia principale degli asteroidi. Sulla destra c'è un simile propulsore non operativo. Credito:NASA/JPL-Caltech
Per propellente, Psiche trasporterà serbatoi pieni di xeno, lo stesso gas neutro utilizzato nei fari delle auto e nei televisori al plasma. I quattro propulsori della navicella utilizzeranno campi elettromagnetici per accelerare ed espellere atomi carichi, o ioni, di quello xeno. Quando questi ioni vengono espulsi, creano una spinta che spinge dolcemente Psiche attraverso lo spazio, emettendo fasci blu di xeno ionizzato.
Infatti, la spinta è così dolce, esercita circa la stessa quantità di pressione che sentiresti tenendo tre quarti in mano. Ma è abbastanza per accelerare Psiche attraverso lo spazio profondo. Senza alcuna resistenza atmosferica a trattenerlo, il veicolo spaziale alla fine accelererà fino a velocità di 200, 000 miglia all'ora (320, 000 chilometri orari).
Perché sono così efficienti, I propulsori di Psyche's Hall potrebbero funzionare quasi ininterrottamente per anni senza rimanere senza carburante. Psiche porterà 2, 030 libbre (922 chilogrammi) di xeno nei suoi serbatoi; gli ingegneri stimano che la missione brucerebbe circa cinque volte quella quantità di propellente se dovesse utilizzare i tradizionali propulsori chimici.
"Anche all'inizio, quando stavamo progettando la missione per la prima volta nel 2012, stavamo parlando di propulsione elettrica solare come parte del piano. Senza esso, non avremmo la missione Psiche, ", ha affermato Lindy Elkins-Tanton dell'Arizona State University, che come investigatore principale guida la missione. "Ed è diventato parte del carattere della missione. Ci vuole un team specializzato per calcolare traiettorie e orbite usando la propulsione elettrica solare".
Una manovra delicata
Psyche verrà lanciato dallo storico Pad 39A del Kennedy Space Center della NASA. Il Falcon Heavy metterà la navicella su una traiettoria per volare vicino a Marte per un'assistenza gravitazionale sette mesi dopo, nel maggio 2023. All'inizio del 2026, i propulsori faranno il delicato lavoro di portare la navicella in orbita attorno all'asteroide Psiche, usando un po' di balletto per tornare in orbita attorno al suo obiettivo.
Questo compito sarà particolarmente complicato a causa di quanto poco gli scienziati sappiano dell'asteroide, che appare solo come un minuscolo puntino di luce nei telescopi. Il radar terrestre suggerisce che è largo circa 140 miglia (226 chilometri) e a forma di patata, il che significa che gli scienziati non sapranno fino a quando non arriveranno lì come funziona esattamente il suo campo gravitazionale. Mentre la missione conduce la sua indagine scientifica nell'arco di 21 mesi, gli ingegneri di navigazione utilizzeranno i propulsori a propulsione elettrica per far volare il veicolo spaziale attraverso una progressione di orbite che gradualmente avvicinano il veicolo spaziale a Psiche.
Il Jet Propulsion Laboratory della NASA nel sud della California, che gestisce la missione, utilizzato un sistema di propulsione simile con Deep Space 1 dell'agenzia, che è stata lanciata nel 1998 e ha volato vicino a un asteroide e una cometa prima che la missione si concludesse nel 2001. Poi è arrivata Dawn, che usava la propulsione elettrica solare per viaggiare e orbitare intorno all'asteroide Vesta e poi al protopianeta Cerere. La prima navicella spaziale in assoluto a orbitare attorno a due obiettivi extraterrestri, la missione Dawn è durata 11 anni, terminando nel 2018 quando ha esaurito l'ultimo del propellente idrazina utilizzato per mantenere il suo orientamento.
Partner nella propulsione
Maxar Technologies utilizza da decenni la propulsione elettrica solare per alimentare i satelliti per le comunicazioni commerciali. Ma per Psiche, avevano bisogno di adattare i propulsori Hall superefficienti per volare nello spazio profondo, ed è qui che sono entrati in gioco gli ingegneri del JPL. Entrambi i team sperano che Psiche, utilizzando i propulsori Hall per la prima volta oltre l'orbita lunare, aiuterà a spingere i limiti della propulsione elettrica solare.
"La tecnologia di propulsione elettrica solare offre il giusto mix di risparmi sui costi, efficienza, e potere e potrebbe svolgere un ruolo importante nel supportare future missioni scientifiche su Marte e oltre, " ha detto Steven Scott, Il manager del programma Psiche di Maxar.
Oltre a fornire i propulsori, La squadra di Maxar a Palo Alto, California, era responsabile della costruzione del telaio delle dimensioni di un furgone della navicella spaziale, che ospita l'impianto elettrico, i sistemi di propulsione, l'impianto termico, e il sistema di guida e navigazione. Quando completamente assemblato, Psiche si sposterà nell'enorme camera termica a vuoto del JPL per i test che simulano l'ambiente dello spazio profondo. Entro la prossima primavera, la navicella spaziale verrà spedita dal JPL a Cape Canaveral per il lancio.
