Psyche: viaggio verso un mondo di metallo

Una rappresentazione artistica della sonda Psyche. Credit: Maxar/ASU/Peter Rubin

La missione Psyche, ideata per l’esplorazione dell’asteroide conosciuto come 16 Psyche, ricco di metalli e situato nella fascia degli asteroidi, posta fra le orbite di Marte e Giove, sta per lasciare definitivamente i computer dei progettisti e dei laboratori di test, per passare agli stabilimenti dei costruttori della sonda in vista del suo lancio previsto per l’agosto 2022.

Come tutte le missioni della NASA, anche quella di Psyche è iniziata con le fasi di progettazione digitale, quindi si è passati alla costruzione dei modelli ingegneristici, i quali sono stati sottoposti a diversi test per avere la conferma che tutti i sistemi siano in grado di svolgere il proprio compito nello spazio, gestendo il veicolo spaziale e raccogliendo i dati scientifici da inviare sulla Terra.

Quindi il team di ingegneri della Maxar Technologies ha superato lo scorso 15 aprile una fase chiave di questo processo: la Critical Design Review relativa al Solar Electric Propulsion Chassis. La CDR è il processo in cui i responsabili della NASA hanno esaminato i disegni e i prospetti di tutti i sistemi dell’intero progetto, inclusi quelli dei suoi tre strumenti scientifici, del sistema per le telecomunicazioni, di quello propulsivo, del sistema energetico, dell’avionica e del computer di bordo.

«Si tratta di una delle più intense revisioni a cui una missione viene sottoposta nel suo intero ciclo di vita», ha spiegato Lindy Elkins-Tanton, scienziata planetaria e responsabile scientifico di Psyche, «e siamo stati promossi a pieni voti. Tuttavia le sfide non sono finite; ancora non siamo giunti alla linea di arrivo, ma stiamo correndo molto forte».

Gli ingegneri del JPL esternano la loro soddisfazione per la riuscita di un test su di un propulsore elettrico Hall identico a quelli che spingeranno la sonda della NASA Psyche nel suo viaggio verso l’asteroide omonimo. Credits: NASA/JPL-Caltech

Studiare un mondo di roccia e metallo

Scienziati e ingegneri hanno lavorato gomito a gomito per pianificare le indagini atte a determinare la composizione di Psyche, uno dei più intriganti obiettivi della fascia degli asteroidi. Gli scienziati pensano infatti che, diversamente dalla maggior parte degli altri asteroidi che sono essenzialmente composti da roccia e/o ghiaccio, Psyche sia composto principalmente da ferro e nickel, similmente al nucleo del nostro pianeta, e che potrebbe essere il cuore di un antico pianeta che ha perduto i propri strati più esterni.

Poiché al momento non è ancora possibile esaminare da vicino il nucleo della Terra, l’esplorazione dell’asteroide Psyche, del diametro di 226 km, potrebbe fornire dei validi indizi sulla formazione del nostro e di altri pianeti. A questo fine la sonda Psyche utilizzerà un magnetometro per misurare il campo magnetico dell’asteroide, una fotocamera multispettrale per catturare le immagini dalla superficie e raccogliere dati sulla sua composizione e sulla sua topografia, e infine degli spettrometri che analizzeranno i raggi gamma e i neutroni emessi dalla superficie, per rivelare gli elementi che la compongono.

Il team della missione ha realizzato dei prototipi e dei modelli della strumentazione scientifica e dei diversi sistemi ingegneristici del veicolo spaziale. Questi modelli sono stati realizzati con dei materiali più economici di quelli che voleranno con la missione; in questo modo essi possono venire attentamente verificati prima che venga costruito l’hardware definitivo.

«Questa è una pianificazione agli steroidi» ha detto Elkins-Tanton, che è direttrice generale e copresidente dell’Interplanetary Initiative dell’Università dell’Arizona di Tempe. «Si è dovuto tentare di comprendere fino a livelli di dettaglio davvero impegnativi come tutto quanto presente sulla sonda debba operare per assicurarci il lavoro scientifico, la raccolta dei dati e il loro invio sulla Terra. La complessità è davvero sbalorditiva».

Gli ingegneri del Johns Hopkins Applied Physics Laboratory di Laurel, Maryland, fanno progressi sullo spettrometro di Psyche, nonostante le difficoltà dovute alle procedure di sicurezza legate al COVID-19. Credits: Johns Hopkins APL/Craig Weiman/NASA

Costruire la sonda

Ora che Psyche è in piena corsa verso la sua costruzione, non c’è tempo da perdere. L’assemblaggio e la fase di test del veicolo spaziale completo sono previsti per febbraio 2021 e ciascuno strumento, incluso un dimostratore sulla tecnologia laser chiamato Deep Space Optical Communications, gestito dal Jet Propulsion Laboratory della NASA, deve essere inviato alla camera bianca principale del JPL entro l’aprile del 2021.

La struttura centrale della sonda, ovvero il Solar Electric Propulsion (SEP) Chassis, è già in fase di ultimazione presso la Maxar Technologies di Palo Alto, California, e al momento, pur con le restrizioni legate al COVID-19, gli ingegneri sono al lavoro per montare i serbatoi del sistema propulsivo. Sempre nel febbraio del prossimo anno Maxar invierà lo Chassis SEP al JPL e quindi, qualche mese dopo, invierà anche i pannelli solari che forniranno 4,5 kW di energia al veicolo spaziale.

Un tecnico della Maxar si prepara all’integrazione di una parte del sottosistema di propulsione elettrica di Psyche. Credit: Maxar Technologies/NASA

Nel frattempo al JPL, che ha in carico la gestione della missione, gli ingegneri addetti al lavoro manuale stanno costruendo e testando i componenti elettronici, sempre seguendo i protocolli di sicurezza legati alla pandemia. Il resto del team sta lavorando in remoto.

Il JPL è responsabile della fornitura dei sottosistemi avionici, i quali includono il computer di volo di Psyche. Con le varie attrezzature sparse su diverse scaffalature in una camera bianca, gli ingegneri verificano ogni componente prima che venga integrato con le altre parti. Una volta che tutto è stato connesso, tramite un apposito software si procede a un test approfondito. Questo software gestisce i sistemi elettronici esattamente come verranno usati durante la missione.

«Una delle cose che ci inorgoglisce di più, riguardo a queste missioni verso lo spazio profondo, è l’affidabilità dell’hardware» ha spiegato Henry Stone, Project Manager di Psyche per il JPL; «il sistema integrato è talmente sofisticato che anche il test comprensivo diventa critico. Facciamo test sulla robustezza, sulla resistenza allo stress e svariati altri tipi di test. Vogliamo far emergere e correggere tutti i possibili problemi qui, perché dopo il lancio non è più possibile riparare l’hardware».

Ora l’attenzione è rivolta alla scadenza di febbraio 2021, quando si darà inizio alle operazioni di assemblaggio, test e lancio (Assembly, Test and Launch Operation – ATLO).

«Mi viene la pelle d’oca, assolutamente. Perché quando sei arrivato a questo punto sai di aver superato una fase enorme, e sei conscio di aver fatto un sufficiente lavoro di prototipazione e di test. Avremo una sonda che dovrebbe lavorare bene», ha concluso Stone.

Il lancio di Psyche è previsto per agosto 2022, e dopo aver ricevuto assistenza gravitazionale da Marte nel maggio 2023, arriverà nei dintorni di Psyche agli inizi del 2026.

Psyche in breve

Come comunicato dalla NASA, sarà un Falcon Heavy della SpaceX a lanciare la sonda Psyche nell’agosto del 2022, dal complesso di lancio 39A del Kennedy Space Center in Florida, al costo complessivo di 117 milioni di dollari.

La sonda

Il veicolo spaziale con i pannelli solari estesi ha le dimensioni di 24,76 × 7,34 metri, paragonabili a quelle di un campo da tennis, mentre il corpo misura 3,1 × 2,4 metri; il tutto avrà una massa di 2.608 kg. La propulsione è garantita da un sistema solare elettrico. Psyche, i suoi pannelli fotovoltaici e il suo sistema propulsivo sono costruiti dalla Maxar Technologies.

Il corredo scientifico di Psyche è composto da:

  • The Psyche Multispectral Imager. Si tratta di un sistema di fotocamere ad alta risoluzione, dotato di filtri in grado di discriminare i costituenti metallici e i silicati. Lo strumento è composto da un paio di fotocamere identiche progettate per acquisire dati geologici, topografici e compositivi. Lo scopo della seconda fotocamera è fornire ridondanza per le fasi di navigazione ottica critiche. È gestita da un team dell’Università dell’Arizona.
  • Psyche Gamma ray and Neutron Spectrometer. È uno spettrometro che rileverà, misurerà e mapperà la composizione elementare dell’asteroide. Lo strumento è montato su un’asta lunga 2 metri, per allontanare i suoi sensori dalle radiazioni di sottofondo create dalle particelle energetiche interagenti con il mezzo stesso, e per garantire un campo visivo senza ingombri. È gestito da un team dell’Applied Physics Laboratory dell’Università Johns Hopkins.
  • Psyche Magnetometer. È uno strumento per la rilevazione e la misura del campo magnetico dell’asteroide, composto da due identici sensori di campo magnetico ad alta sensibilità, situati alla metà e in cima all’asta lunga 2 metri. Esso è gestito da un team del Massachussetts Institute of Technology e dell’Università Tecnica della Danimarca.
  • Radio Science. La missione userà le comunicazioni radio in banda X, per misurare il campo gravitazionale di Psyche con un elevato grado di precisione. Quando questi dati verranno combinati con le immagini prese dalle fotocamere, si potranno ottenere delle informazioni sulla struttura interna dell’asteroide. L’esperimento è gestito dal Massachusetts Institute of Technology e dal Jet Propulsion Laboratory.
  • Deep Space Optical Communication (DSOC). È un payload secondario destinato a una nuova e sofisticata tecnologia per la comunicazione laser, in grado di codificare le informazioni in fotoni (anziché in onde radio), per la comunicazione fra una sonda nello spazio profondo e la Terra. Usando la luce al posto delle onde radio il veicolo spaziale sarà in grado di comunicare più dati in un determinato lasso di tempo. Il DSOC è gestito dal JPL.

La missione

Gli scopi della missione sono quelli di comprendere a fondo il ruolo dei nuclei ferrosi nella formazione dei pianeti. Esaminando le caratteristiche dell’asteroide sarà possibile scoprire somiglianze e differenze con la Terra e con i pianeti di tipo terrestre; inoltre si avrà la possibilità di esplorare per la prima volta un oggetto celeste con queste caratteristiche davvero particolari.

Il viaggio di Psyche. Credits: NASA/JPL-Caltech

Dal punto di vista scientifico i ricercatori hanno diverse esigenze da soddisfare su questo interessante asteroide. Si vuole determinare se si tratta di un nucleo planetario o di un asteroide composto di materiale non fuso, si vogliono determinare le età relative delle varie regioni della sua superficie, se i piccoli corpi metallici incorporino gli stessi elementi leggeri, come si ritiene siano presenti nel nucleo di metallo fuso ad alta pressione della Terra. Quindi si vuole stabilire se Psyche si sia formato in condizioni più ossidanti o più riducenti rispetto al nucleo terrestre; infine, si intende caratterizzarne la sua topografia.

La missione partirà nell’agosto del 2022; una volta nello spazio la sonda viaggerà utilizzando il proprio propulsore solare elettrico. Nel maggio del 2023 il campo gravitazionale di Marte spingerà ulteriormente il veicolo spaziale della NASA verso il punto in cui la sua traiettoria intersecherà l’orbita dell’asteroide. La fase di approccio a esso durerà 100 giorni, durante i quali Psyche inizierà a effettuare alcune misurazioni, come l’inclinazione del suo asse di rotazione e la relativa velocità, fino a quando, nel gennaio del 2026, entrerà nell’orbita di 16 Psyche, dove vi resterà per i restanti 21 mesi svolgendo la sua attività scientifica da quattro differenti orbite, progressivamente sempre più vicine all’asteroide.

Le fasi conclusive della missione, si estenderanno dal novembre 2027 all’agosto 2028.

Fonti: NASA; JPL/ASU/MAXAR; Wikipedia

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Luca Frigerio

Impiegato nel campo delle materie plastiche e da sempre appassionato di spazio, basket e birra. E' iscritto a forumastronautico.it dal Novembre 2005 e da diversi anni sfoga parte della sua passione scrivendo per astronautinews.it. E' consigliere dell'Associazione Italiana per l'Astronautica e lo Spazio (ISAA)