Solar elektrisk fremdrift får NASAs Psyche-rumfartøj til at gå

Når det er tid for NASAs Psyche-rumfartøj til at drive sig selv gennem det dybe rum, det vil være mere hjerne end spæd, der gør arbejdet. Engang var det science fiction, den effektive og støjsvage kraft af elektrisk fremdrift vil give den kraft, der driver Psyche-rumfartøjet hele vejen til hovedasteroidebæltet mellem Mars og Jupiter. Orbiterens mål:En metalrig asteroide også kaldet Psyche.

Rumfartøjet vil starte i august 2022 og rejse omkring 1,5 milliarder miles (2,4 milliarder kilometer) over tre et halvt år for at komme til asteroiden, som videnskabsmænd mener kan være en del af kernen i en planetesimal, byggestenen til en tidlig klippeplanet. En gang i kredsløb, Missionsholdet vil bruge nyttelasten af ​​videnskabelige instrumenter til at undersøge, hvad dette unikke mål kan afsløre om dannelsen af ​​klippeplaneter som Jorden.

Rumfartøjet vil stole på de store kemiske raketmotorer i Falcon Heavy løfteraket for at sprænge affyringsrampen og undslippe Jordens tyngdekraft. Men resten af ​​rejsen når Psyche skilles fra løfteraketten, vil være afhængig af solenergi fremdrift. Denne form for fremdrift starter med store solpaneler, der omdanner sollys til elektricitet, leverer strømkilden til rumfartøjets thrustere. De er kendt som Hall thrustere, og Psyche-rumfartøjet vil være det første til at bruge dem ud over vores månes kredsløb.

For drivmiddel, Psyche vil bære tanke fulde af xenon, den samme neutrale gas, der bruges i billygter og plasma-tv. Rumfartøjets fire thrustere vil bruge elektromagnetiske felter til at accelerere og uddrive ladede atomer, eller ioner, af det xenon. Når disse ioner udstødes, de skaber fremdrift, der blidt driver Psyke gennem rummet, udsender blå stråler af ioniseret xenon.

Faktisk, fremstødet er så blidt, det udøver omtrent det samme tryk, som du ville føle at holde tre kvarter i hånden. Men det er nok til at accelerere Psyche gennem det dybe rum. Uden atmosfærisk træk til at holde det tilbage, rumfartøjet vil til sidst accelerere til hastigheder på op til 200, 000 miles i timen (320, 000 kilometer i timen).

Fordi de er så effektive, Psyche's Hall thrustere kunne fungere næsten nonstop i årevis uden at løbe tør for brændstof. Psyche vil bære 2, 030 pund (922 kg) xenon i dens tanke; ingeniører vurderer, at missionen ville brænde igennem omkring fem gange den mængde drivmiddel, hvis den skulle bruge traditionelle kemiske thrustere.

"Selv i begyndelsen, da vi første gang designede missionen i 2012, vi talte om solenergi som en del af planen. Uden det, vi ville ikke have Psyche-missionen, " sagde Lindy Elkins-Tanton fra Arizona State University, der som hovedefterforsker leder missionen. "Og det er blevet en del af missionens karakter. Det kræver et specialiseret team at beregne baner og kredsløb ved hjælp af solenergi fremdrift."

En blid manøvre

Psyche vil lancere fra den historiske Pad 39A ved NASAs Kennedy Space Center. Falcon Heavy vil placere rumfartøjet på en bane for at flyve ved Mars for en tyngdekraftsassistance syv måneder senere, i maj 2023. I begyndelsen af ​​2026 thrusterne vil gøre det delikate arbejde med at få rumfartøjet i kredsløb omkring asteroiden Psyche, bruge en smule ballet til at vende tilbage i kredsløb omkring sit mål.

Den opgave vil være særlig vanskelig på grund af hvor lidt videnskabsmænd ved om asteroiden, som kun fremstår som en lille prik lys i teleskoper. Jordbaseret radar antyder, at den er omkring 140 miles (226 kilometer) bred og kartoffelformet, hvilket betyder, at forskerne ikke ved, før de når dertil, hvordan dets tyngdefelt præcis fungerer. Da missionen udfører sin videnskabelige undersøgelse over 21 måneder, navigationsingeniører vil bruge de elektriske fremdriftspropeller til at flyve rumfartøjet gennem en progression af baner, der gradvist bringer rumfartøjet tættere og tættere på Psyche.

NASA's Jet Propulsion Laboratory i det sydlige Californien, som styrer missionen, brugte et lignende fremdriftssystem med agenturets Deep Space 1, som blev opsendt i 1998 og fløj forbi en asteroide og en komet før missionen sluttede i 2001. Dernæst kom Dawn, som brugte solar elektrisk fremdrift til at rejse til og kredse om asteroiden Vesta og derefter protoplaneten Ceres. Det første rumfartøj nogensinde, der kredsede om to udenjordiske mål, Dawn-missionen varede 11 år, sluttede i 2018, da den brugte det sidste hydrazin-drivmiddel, der blev brugt til at bevare sin orientering.

Partnere i fremdrift

Maxar Technologies har brugt solenergi til at drive kommercielle kommunikationssatellitter i årtier. Men for Psyche, de skulle tilpasse de supereffektive Hall thrustere til at flyve i det dybe rum, og det var her, JPL-ingeniørerne kom ind. Begge hold håber, at Psyche, ved at bruge Hall thrustere for første gang ud over månens kredsløb, vil hjælpe med at skubbe grænserne for solenergi fremdrift.

"Solar elektrisk fremdriftsteknologi leverer den rigtige blanding af omkostningsbesparelser, effektivitet, og magt og kunne spille en vigtig rolle i at støtte fremtidige videnskabelige missioner til Mars og videre, " sagde Steven Scott, Maxars Psyche programleder.

Sammen med levering af thrustere, Maxars team i Palo Alto, Californien, var ansvarlig for at bygge rumfartøjets chassis i varevognsstørrelse, som huser det elektriske system, fremdriftssystemerne, det termiske system, og vejlednings- og navigationssystemet. Når det er samlet, Psyche vil flytte ind i JPLs enorme termiske vakuumkammer til test, der simulerer miljøet i det dybe rum. Til næste forår, rumfartøjet vil sendes fra JPL til Cape Canaveral til opsendelse.