När det är dags för NASA:s rymdfarkost Psyche att driva sig själv genom rymden, det kommer att vara mer hjärna än brawn som gör jobbet. En gång var det science fiction, den effektiva och tysta kraften hos elektrisk framdrivning kommer att ge kraften som driver rymdfarkosten Psyche hela vägen till det huvudsakliga asteroidbältet mellan Mars och Jupiter. Orbiterns mål:En metallrik asteroid även kallad Psyche.

Rymdfarkosten kommer att lanseras i augusti 2022 och färdas cirka 1,5 miljarder miles (2,4 miljarder kilometer) under tre och ett halvt år för att komma till asteroiden, som forskare tror kan vara en del av kärnan i en planetesimal, byggstenen för en tidig stenig planet. Väl i omloppsbana, uppdragsteamet kommer att använda nyttolasten av vetenskapliga instrument för att undersöka vad detta unika mål kan avslöja om bildandet av steniga planeter som jorden.

Rymdfarkosten kommer att förlita sig på de stora kemiska raketmotorerna i Falcon Heavy-raketen för att spränga av uppskjutningsrampen och undkomma jordens gravitation. Men resten av resan, när Psyche separeras från bärraketen, kommer att förlita sig på solenergi. Denna form av framdrivning börjar med stora solpaneler som omvandlar solljus till elektricitet, tillhandahåller strömkällan för rymdfarkostens propeller. De är kända som Hall thrusters, och rymdfarkosten Psyche kommer att vara den första att använda dem bortom månens omloppsbana.

För drivmedel, Psyche kommer att bära tankar fulla av xenon, samma neutrala gas som används i bilstrålkastare och plasma-TV. Rymdfarkostens fyra thrusters kommer att använda elektromagnetiska fält för att accelerera och driva ut laddade atomer, eller joner, av det xenonet. När dessa joner drivs ut, de skapar dragkraft som försiktigt driver Psyke genom rymden, sänder ut blå strålar av joniserat xenon.

Faktiskt, dragkraften är så mild, det utövar ungefär samma tryck som du skulle känna om du håller tre fjärdedelar i handen. Men det räcker för att accelerera Psyche genom rymden. Utan atmosfäriskt drag för att hålla tillbaka det, rymdfarkosten kommer så småningom att accelerera till hastigheter på upp till 200, 000 miles per timme (320, 000 kilometer i timmen).

Eftersom de är så effektiva, Psyche's Hall thrusters kunde fungera nästan nonstop i flera år utan att ta slut på bränsle. Psyche kommer att bära 2, 030 pund (922 kg) xenon i dess tankar; ingenjörer uppskattar att uppdraget skulle brinna igenom ungefär fem gånger så mycket drivmedel om det var tvungen att använda traditionella kemiska thrusters.

"Även i början, när vi först designade uppdraget 2012, vi pratade om solenergi som en del av planen. Utan det, vi skulle inte ha Psyche-uppdraget, " sa Lindy Elkins-Tanton från Arizona State University, som som huvudutredare leder uppdraget. "Och det har blivit en del av uppdragets karaktär. Det krävs ett specialiserat team för att beräkna banor och banor med hjälp av solenergi."

En mild manöver

Psyche kommer att lanseras från den historiska Pad 39A vid NASA:s Kennedy Space Center. Falcon Heavy kommer att placera rymdfarkosten på en bana för att flyga vid Mars för en gravitationshjälp sju månader senare, i maj 2023. I början av 2026, thrusters kommer att göra det känsliga arbetet med att få rymdfarkosten att kretsa runt asteroiden Psyche, använda lite balett för att backa in i omloppsbana runt sitt mål.

Den uppgiften kommer att vara särskilt svår på grund av hur lite forskare vet om asteroiden, som bara visas som en liten ljuspunkt i teleskop. Markbaserad radar tyder på att den är cirka 140 miles (226 kilometer) bred och potatisformad, vilket innebär att forskare inte kommer att veta förrän de kommer dit hur exakt dess gravitationsfält fungerar. När uppdraget genomför sin vetenskapliga undersökning under 21 månader, navigeringsingenjörer kommer att använda de elektriska framdrivningspropellerna för att flyga rymdfarkosten genom en progression av banor som gradvis för rymdfarkosten närmare och närmare Psyche.

NASA:s Jet Propulsion Laboratory i södra Kalifornien, som sköter uppdraget, använde ett liknande framdrivningssystem med byråns Deep Space 1, som sköts upp 1998 och flög förbi en asteroid och en komet innan uppdraget avslutades 2001. Därefter kom Dawn, som använde solenergi för att resa till och kretsa kring asteroiden Vesta och sedan protoplaneten Ceres. Den första rymdfarkosten någonsin att kretsa runt två utomjordiska mål, Dawn-uppdraget varade i 11 år, slutade 2018 när den använde det sista av det hydrazindrivmedel som användes för att behålla sin orientering.

Partners i framdrivning

Maxar Technologies har använt solenergi för att driva kommersiella kommunikationssatelliter i decennier. Men för Psyche, de behövde anpassa de supereffektiva Hall-propellerna för att flyga i rymden, och det var där JPL-ingenjörerna kom in. Båda lagen hoppas att Psyche, genom att använda Hall-propeller för första gången bortom månens omloppsbana, kommer att hjälpa till att tänja på gränserna för elektrisk framdrivning av solenergi.

"Elektrisk framdrivningsteknik för solenergi ger rätt mix av kostnadsbesparingar, effektivitet, och makt och skulle kunna spela en viktig roll för att stödja framtida vetenskapsuppdrag till Mars och bortom, sa Steven Scott, Maxars Psyche programledare.

Tillsammans med leverans av thrusters, Maxars team i Palo Alto, Kalifornien, var ansvarig för att bygga rymdfarkostens skåpbilsstorlek, som inrymmer det elektriska systemet, framdrivningssystemen, det termiska systemet, och väglednings- och navigationssystemet. När den är färdigmonterad, Psyche kommer att flytta in i JPL:s enorma termiska vakuumkammare för testning som simulerar miljön i rymden. Till nästa vår, rymdfarkosten kommer att skickas från JPL till Cape Canaveral för uppskjutning.