Sonda Psyche – szybsza niż myśl
Celem wystrzelonej w październiku 2023 r. sondy kosmicznej NASA o nazwie Psyche jest dość duża asteroida w pasie asteroid, notabene też nazwana Psyche, na cześć greckiej bogini, która opiekuje się duszami ludzkimi – niezwykłe bogate w żelazo i inne metale ciało. Docelowa prędkość tej dużej – wielkości furgonetki – zaawansowanej sondy rzeczywiście będzie rekordowa. Otóż 55 km to przykładowo odległość z Warszawy do Żyrardowa. Psyche pokona ją w sekundę! Jej silniki jonowe już zaczęły pracować w końcu maja br., ale ponieważ rozpędza się powoli, rekordową prędkość osiągnie za mniej więcej dwa lata. Do asteroidy dotrze w 2029 r. W 6 lat z Ziemi do głębokiego pasa asteroid – używając 4 silniczków elektrycznych wielkości talerzy – to naprawdę niezły wynik. Jeszcze w 2026 r. Psyche powróci na chwilę ze swojej drogi w stronę Marsa, żeby uzyskać jego asystę grawitacyjną i jeszcze przyspieszyć. Potem znów wróci na szlak i do pracy swoich silników jonowych. Następny szybki cel – asteroida Psyche.
Do niedawna najszybszymi obiektami wysłanymi przez człowieka w kosmos były sondy Voyager, wyniesione przez NASA już w połowie lat 70. XX w. (prędkość w kosmosie to ok. 17 km/s). Miały zbadać dalsze obszary Układu Słonecznego i wylecieć w przestrzeń naszej galaktyki. I tak zrobiły. To jedna z ważniejszych misji kosmicznych w historii. Z kolei w naszym wieku rekordy szybkości biły amerykańska sonda New Horizons, zmierzająca do Plutona i dalej do Pasa Kuipera (rekordowa prędkość to ponad 20 km/s), i japońskie próbniki asteroidowe Hayabusa 1 i 2, podobnie jak sonda Psyche też napędzane silnikami jonowymi, tyle że innego rodzaju. Te dwie ostatnie jednak rozpędziły się finalnie na swojej drodze do asteroid Itokawa i Ryugu do nieco ponad 30 km/s. Niewiarygodne. No ale teraz będziemy mieli absolutny rekord. Rzeczywiście, 55 km/s to jest prędkość, która zapiera dech w piersiach. Poza tym po przeliczeniu na godziny – 200 tys. km/h – też robi wrażenie. 200 tys. km to z grubsza połowa odległości do naszego Księżyca. W godzinę.
Jonowa Psyche
Sonda Psyche jest napędzana czterema silnikami jonowymi Halla. Jest to szczególny rodzaj kosmicznych silników jonowych. To tak naprawdę silniki elektryczne; tak zresztą powszechnie wśród inżynierów kosmicznych się je nazywa. No cóż, wydaje się, że wszystko powoli staje się elektryczne w naszym świecie: koleje, samochody, samoloty i także sondy, a w przyszłości też statki kosmiczne. I tak trzymać, ponieważ elektryczność jest bezpieczna, czysta i nieprawdopodobnie wydajna. Możliwość budowy silników jonowych operujących w kosmosie zaproponowali niezależnie już na początku XX w. pionierzy astronautyki Robert Goddard i Konstanty Ciołkowski. Były to jednak tylko luźne pomysły. W latach 30. XX w. idei tej przyklasnął słynny niemiecki teoretyk napędów rakietowych Hermann Oberth. Potem, po wojnie, pomysł zaczęto realizować głównie w USA (Ernst Stuhlinger) i w ZSRR.
Typowy – tzw. elektrostatyczny, czyli z siatkami – silnik jonowy działa w ten sposób, że znajdujący się w komorze gaz szlachetny (zazwyczaj ksenon, ale może to być także krypton lub argon) pod wpływem elektronów ulega jonizacji. Jony dodatnie są następnie oddzielane z powstałej plazmy i przyspieszane do ogromnej prędkości ok. 30 tys. m/s w polu magnetycznym wytworzonym pomiędzy 2–3 naładowanymi elektrycznie siatkami o różnych potencjałach. Wysoka prędkość wylotowa jonów zapewnia bardzo efektywne wykorzystanie paliwa – w ciągu sekundy zużytych zostaje kilka mikrogramów gazu – ale niestety daje też zwykle bardzo małą siłę ciągu. Jednak w sytuacji, gdy w przestrzeni kosmicznej nie ma oporów, ten ciąg całkowicie wystarcza, by korygować pozycję satelitów, a także przyspieszać sondy i pojazdy kosmiczne do dużych prędkości. Do tego silniki jonowe są nie tylko niezwykle wydajne, ale też niezwykle długowieczne. Mogą pracować bez przerwy w przestrzeni dziesiątki tysięcy godzin. To daje im możliwość stopniowego, ale coraz większego przyspieszania napędzanego nimi obiektu, nawet do zawrotnych kilkudziesięciu kilometrów na sekundę.
Pierwszą w historii sondą, w której zastosowano jako główne źródło napędu silnik jonowy (elektrostatyczny), była wyniesiona w 1998 r. w kosmos amerykańska Deep Space 1. Posiadała ona silnik elektrostatyczny, a więc z siatkami. Napęd działał niemal bez przerwy i pozwolił Deep Space 1 dotrzeć do asteroidy Braille, a potem w pobliże komety Borelly’ego. Od 1998 r. do 1 września 2001 silnik przepracował łącznie 12 tys. godz. Odniesiono spektakularny sukces, po którym nie było już wątpliwości, że napęd jonowy to przyszłość. Dzisiaj silniki te są często wykorzystywane w misjach NASA, ESA czy JAXA.
Nieco później niż silniki elektrostatyczne z siatkami powstały tzw. jonowe silniki Halla (od nazwiska amerykańskiego fizyka Edwina Halla, odkrywcy efektu nazwanego efektem Halla też na jego cześć), w których poprzecznie działające do przepływu prądu pole magnetyczne daje podobny efekt jak siatki w silniku elektrostatycznym. Jonizacja gazu przebiega tu jednak istotnie szybciej, a strumień wypływających jonów jest zwarty. To wszystko decyduje o tym, że silniki Halla pozwalają na uzyskanie większego ciągu. Niestety nie są już tak długowieczne jak te z siatkami elektrostatycznymi. Pierwsze silniki Halla poleciały w kosmos na początku lat 70. XX w. wraz z radzieckimi satelitami meteorologicznymi. Pierwszą sondą kosmiczną wyposażoną w to urządzenie była europejska Smart 1, wyniesiona w przestrzeń w 2002 r., która początkowo była satelitą Ziemi, ale włączany w odpowiednich momentach silnik Halla potrafił ją rozpędzić do drugiej prędkości kosmicznej (Smart 1 weszła na otwartą trajektorię skierowaną w stronę Księżyca i doleciała do niego). Sonda Psyche jest więc pierwszą, w której zastosowano jonowe silniki Halla w misji międzyplanetarnej.
Metaliczna Psyche
Sonda doleci do asteroidy Psyche w końcu 2029 r. i pozostanie na jej orbicie ok. dwóch lat. Energię do napędu silników jonowych Halla będzie czerpać z potężnych paneli fotowoltaicznych, a ma ich po pięć z każdej strony. Doleci do celu bardzo szybko, zużywając zaledwie 10% paliwa, którego potrzebowałaby przy użyciu konwencjonalnych silników chemicznych. Orbiter znajduje się obecnie w odległości ponad 300 mln km i porusza się z prędkością 37 km/s względem Ziemi. To jakieś 135 000 km/h. Ale wkrótce jeszcze przyspieszy. Posiada na pokładzie kilka zaawansowanych urządzeń badawczych: magnetometr, spektrometr promieniowania gamma i neutronów, kilka bardzo czułych kamer.
Sonda ma też przetestować pionierską technologię NASA o nazwie Deep Space Optical Communication. Wykorzystująca laser bliskiej podczerwieni, DSOC będzie pierwszym testem komunikacji optycznej o dużej przepustowości na odległości znacznie przekraczające dystans od Ziemi do Księżyca. Komunikacja ta, nazywana również laserową, zwiększa transmisję danych bez zwiększania ilości sprzętu. Pierwsze testy już się odbyły, a ich wyniki są bardzo obiecujące.
Pozostaje jeszcze pytanie: dlaczego sonda Psyche w ogóle leci na spotkanie z asteroidą Psyche? Otóż dlatego że jest to asteroida niezwykła. Została odkryta w 1852 r. przez włoskiego astronoma Annibalego de Gasparisa i była często obserwowana przez teleskopy naziemne. Psyche jest najcięższą znaną nam planetoidą typu M. Na podstawie analizy widma oraz albedo takich obiektów można dość dokładnie ustalić, jaki jest skład chemiczny ich powierzchni. Otóż Psyche, mająca w najszerszym miejscu 280 km średnicy, jest niezwykle bogata w metale, zwłaszcza w żelazo oraz nikiel. Przypuszcza się, że może być odsłoniętym żelaznym jądrem protoplanety, która na skutek jakiejś katastrofy w okresie formowania się Układu Słonecznego nie powstała, gdyż utraciła swój płaszcz i skorupę. Inna hipoteza mówi o tym, że jest to zlepek większych ciał, które po zderzeniu się z jakimś dużym obiektem we wczesnym okresie istnienia Układu Słonecznego zostały rozbite, a po pewnym czasie ich fragmenty połączyły się ponownie pod wpływem sił grawitacji. Bliskie badanie Psyche może więc stanowić jedyne w swoim rodzaju okno na historię gwałtownych zderzeń i akumulacji materii, które stworzyły planety takie jak nasza, czyli skaliste, ponieważ dotarcie do jąder planet już istniejących jest niemożliwe.
To wszystko sprawia, że Psyche pod wieloma względami jest warta bliższego poznania. Przy okazji misja przetestuje działanie jonowych silników Halla na dużych kosmicznych odległościach, ustanowi rekord szybkości sond kosmicznych i sprawdzi nowatorski laserowy system komunikacji oraz transmisji danych. To wystarczy na tak ambitną misję. Leć, Psyche! Leć!