Sonda włączyła niemal ciągły napęd. Leci do metalowej planetoidy

Sonda NASA Psyche rozpoczęła najważniejszy etap podróży do jednej z najbardziej niezwykłych planetoid Układu Słonecznego. Jej silniki elektryczne mają od teraz pracować niemal bez przerwy, stopniowo rozpędzając statek kosmiczny do prędkości przekraczającej 160 tys. km/h względem Ziemi. Co ciekawe, siła wytwarzana przez napęd jest porównywalna z ciężarem pojedynczej baterii AA. NASA zamierza jednak wykorzystać ją przez niemal 90 proc. pozostałego czasu lotu. Właśnie dzięki temu sonda ma dotrzeć do bogatej w metale planetoidy Psyche latem 2029 r.

Od 28 września napęd sondy Psyche pracuje w zupełnie innym trybie, niż podczas wcześniejszych etapów wyprawy. Zamiast stosunkowo krótkich okresów przyspieszania i długich przerw silniki mają teraz pozostawać aktywne przy niemal każdej dostępnej okazji. NASA przewiduje wyłączanie ich przede wszystkim na potrzeby komunikacji z Ziemią i niezbędnych operacji technicznych.

Agencja poinformowała 22 października, że napęd będzie wykorzystywany przez około 90 proc. pozostałego czasu podróży. Sonda ma robić regularne przerwy, między innymi raz w tygodniu na kontakt z kontrolerami lotu. Wcześniej silniki uruchamiano okresowo, aby odpowiednio skorygować trajektorię przed przelotem obok Marsa.

Jak pisaliśmy już przy okazji majowego spotkania Psyche z Czerwoną Planetą, sonda wykorzystała wtedy asystę grawitacyjną do zmiany swojej prędkości i kierunku lotu. Przeleciała 15 maja w odległości około 4609 km od powierzchni Marsa, zyskując dodatkowe przyspieszenie bez zużywania własnego materiału pędnego.

Teraz zadanie należy już przede wszystkim do silników elektrycznych. To one mają dostarczać niewielkiego, ale długotrwałego przyspieszenia, potrzebnego do dotarcia w odpowiednim czasie do pasa planetoid między Marsem a Jowiszem.

Psyche nie korzysta z klasycznego silnika rakietowego spalającego paliwo chemiczne. Zamiast tego wyposażono ją w cztery silniki wykorzystujące efekt Halla, czyli technologię pozwalającą przyspieszać naładowane cząstki za pomocą pól elektrycznych i magnetycznych.

Materiałem pędnym jest ksenon, gaz szlachetny przechowywany w zbiornikach sondy. W silniku jego atomy zostają zjonizowane, czyli tracą elektrony, a następnie są wyrzucane z dużą prędkością. Zgodnie z zasadą zachowania pędu powoduje to powstanie siły działającej w przeciwnym kierunku, która powoli przyspiesza statek.

Maksymalny ciąg całego układu wynosi zaledwie 250 miliniutonów, czyli 0,25 N. NASA porównuje tę wartość do siły, z jaką trzymana w dłoni bateria AA naciska na skórę. To niemal niezauważalne oddziaływanie w porównaniu z potężnym ciągiem silników rakietowych używanych podczas startów z Ziemi.

W przestrzeni kosmicznej sytuacja wygląda jednak inaczej. Sonda nie musi pokonywać oporu atmosfery, dlatego nawet bardzo niewielkie przyspieszenie, utrzymywane przez wiele miesięcy, może znacząco zmienić jej prędkość. Według NASA podczas podróży Psyche osiągnie ponad 160,9 tys. km/h względem obserwatora na Ziemi.

Wyjaśnialiśmy już przy okazji rozpoczęcia misji Psyche, dlaczego napęd wykorzystujący efekt Halla pozwala oszczędzać materiał pędny podczas dalekich wypraw kosmicznych. W obecnej fazie lotu technologia ma pokazać swoje możliwości w praktyce, pracując przez zdecydowaną większość czasu podróży.

Do napędzania silników potrzebna jest także energia elektryczna. Psyche wykorzystuje dwa ogromne zespoły paneli słonecznych, z których każdy składa się z 5 segmentów. Łączna powierzchnia ogniw wynosi około 75 m2. Wytwarzany przez nie prąd zasila systemy pokładowe oraz napęd elektryczny.

W chwili startu, czyli dokładnie 13 października 2023 r., sonda przewoziła około 1090 kg ksenonu rozmieszczonego w 7 zbiornikach. Po 3 latach podróży zużyła mniej więcej jedną trzecią zapasu. Pozostała ilość ma wystarczyć do zakończenia przelotu, a następnie do manewrów wykonywanych podczas badań samej planetoidy.

Silniki nie będą jednak pracować przez cały czas z identyczną mocą. Przez najbliższe 3 miesiące NASA zamierza wykorzystywać pełną moc napędu. Później będzie stopniowo zmniejszać ją do około połowy obecnej wartości, ponieważ oddalająca się od Słońca sonda będzie otrzymywać coraz mniej energii słonecznej.

Podobne ograniczenia należą do najważniejszych wyzwań projektowania międzyplanetarnych napędów elektrycznych. Niedawno opisywaliśmy testy znacznie potężniejszego silnika magnetoplazmodynamicznego NASA, którego moc osiągnęła 120 kW. Choć wykorzystuje inną technologię niż Psyche, również ma pozwalać na efektywne przyspieszanie statków kosmicznych bez klasycznego spalania paliwa.

Długotrwałe działanie napędu ujawniło dodatkowy problem, który inżynierowie muszą regularnie kontrolować. Strumień jonów ksenonu poruszających się w polu magnetycznym może wywoływać niewielki moment obrotowy, powodujący tendencję do zmiany orientacji całej sondy.

To bardzo niewielkie oddziaływanie, ale w trakcie wielogodzinnej pracy silnika jego wpływ stopniowo się kumuluje. Gdyby pozostawić je bez kontroli, mogłoby utrudnić utrzymywanie właściwego ustawienia pojazdu względem kierunku lotu i Słońca.

Psyche wykorzystuje do stabilizacji koła reakcyjne, czyli szybko obracające się elementy pozwalające zmieniać orientację statku bez używania dodatkowego materiału pędnego. Po pewnym czasie zgromadzony w nich moment pędu trzeba jednak usunąć. W tym celu kontrolerzy wyłączają główny silnik, obracają sondę i na kilka minut uruchamiają inny silnik z niewielką mocą, uzyskując odpowiedni moment obrotowy.

NASA podkreśla, że podczas misji udało się po raz pierwszy zmierzyć ten konkretny efekt dla silnika Halla w funkcji mocy i czasu działania podczas tak długotrwałej pracy w kosmosie. To cenna informacja również dla konstruktorów przyszłych sond międzyplanetarnych.

Psyche jest więc nie tylko pojazdem zmierzającym do niezwykłej planetoidy, lecz także latającym laboratorium pozwalającym dokładniej zbadać zachowanie napędu elektrycznego w rzeczywistych warunkach.

Celem misji jest planetoida 16 Psyche, która położona jest w głównym pasie planetoid między Marsem a Jowiszem. Obiekt ma nieregularny kształt i w najszerszym miejscu mierzy około 280 km. Wyróżnia go prawdopodobnie duża zawartość metali, przede wszystkim żelaza i niklu.

Naukowcy podejrzewają, że może być pozostałością po jądrze planetozymala, czyli jednego z dużych ciał, z których na początku historii Układu Słonecznego formowały się planety. Jeżeli ta hipoteza okaże się prawdziwa, sonda pozwoli zbadać materię przypominającą wnętrza planet skalistych, do których na Ziemi nie mamy bezpośredniego dostępu.

Nie wiadomo jednak, czy Psyche rzeczywiście jest odsłoniętym fragmentem dawnego metalicznego jądra. Alternatywne scenariusze zakładają bardziej złożoną historię powstania obiektu, którego powierzchnia może zawierać również znaczące ilości materiału skalnego.

NASA zamierza rozstrzygnąć część tych zagadek za pomocą kamer, magnetometrów oraz spektrometru promieniowania gamma i neutronów. Instrumenty pozwolą zbadać skład chemiczny planetoidy, właściwości jej powierzchni i ewentualne ślady dawnego pola magnetycznego.

Przeczytaj także:

Podczas wcześniejszych etapów lotu agencja sprawdzała również eksperymentalną łączność laserową. Jak pisaliśmy przy okazji pierwszej transmisji filmu w jakości 4K z sondy Psyche, NASA wykorzystała wtedy odległość dzielącą statek od Ziemi do przetestowania przesyłania dużych ilości danych za pomocą światła laserowego.

Najważniejszy cel naukowy wyprawy pozostaje jednak jeszcze przed sondą. Latem 2029 r. Psyche ma dotrzeć do swojej imienniczki i rozpocząć wejście na orbitę wokół niej. Następnie przez około 2 lata będzie prowadzić obserwacje z różnych wysokości, przygotowując szczegółowe mapy i zbierając dane o jej budowie.

Po udanym przelocie obok Marsa i rozpoczęciu niemal ciągłego przyspieszania NASA ma za sobą dwa ważne etapy podróży. Pozostają jeszcze blisko 3 lata lotu, podczas których niewielka siła silników elektrycznych będzie stopniowo prowadzić sondę do jednego z najbardziej zagadkowych światów w naszym Układzie Słonecznym.

*Źródło grafiki wprowadzającej: NASA