Die Reise zur Erkundung von Psyche beginnt! Das Ziel ist nicht nur der „Goldene Planet“

Am 13. Oktober um 22:19 Uhr Pekinger Zeit hob die US-Rakete Falcon Heavy mit einer Sonde vom Kennedy Space Center ab und markierte damit den Beginn der romantischen Reise zur Erkundung des Asteroiden Psyche. Diese Sonde trägt den gleichen Namen wie Psyche und ihr Ziel ist der mit großer Spannung erwartete „Goldene Planet“. Die geplante Missionsdauer beträgt mindestens acht Jahre. Worin liegt also der Reiz der Psyche in den Herzen der Wissenschaftler? Über welche „besonderen Fähigkeiten“ verfügt die Sonde, um ihre Mission erfüllen zu können? Welchen Nutzen können die Wissenschaftler von dieser Mission erwarten?

Falcon Heavy-Rakete startet Sonde

Das verborgene Geheimnis des „Goldattributs“

Wissenschaftler haben beobachtet, dass Psyche ein Asteroid ist, der fast vollständig aus Metall besteht und über reiche Reserven verschiedener seltener Metallmineralien verfügt. Manche Leute mit Hintergedanken nehmen dies als Grund, Psyche auf bis zu 100 Billionen US-Dollar zu bewerten und ihm den Spitznamen „Goldener Planet“ zu geben.

Tatsächlich ist es weit mehr als nur die „goldenen Eigenschaften“, die die Wissenschaftler an Psyche faszinieren. Wissenschaftler glauben, dass Psyche wahrscheinlich der einzige bekannte Himmelskörper im Sonnensystem ist, der vollständig aus einem inneren Kern besteht. Mit anderen Worten: Es bietet den Menschen die seltene Gelegenheit, den inneren Kern eines Planeten direkt zu beobachten und zu untersuchen. Im Vergleich zu bestehenden indirekten Nachweismethoden dürfte die direkte Beobachtung den Wissenschaftlern dabei helfen, die innere Struktur von Himmelskörpern zu untersuchen, die Gesetze der Himmelsentwicklung zusammenzufassen und dann durch Analogie die Geheimnisse des inneren Erdkerns zu enthüllen.

Psyche wird der „Goldene Planet“ genannt

Daher schlug die NASA fünf Hauptziele für die Erkundungsmission Psyche vor:

Zunächst muss geklärt werden, ob Psyche aus dem Restkern eines Himmelskörpers entstanden ist oder aus nicht geschmolzener Materie entstanden ist.

Zweitens: Bestimmen Sie das relative Alter verschiedener Regionen auf der Oberfläche von Psyche.

Drittens: Finden Sie heraus, ob solche kleinen Metallkörper sogenannte „leichte Elemente“ enthalten. Wissenschaftler gehen davon aus, dass diese Art von Material im Hochdruckkern der Erde weit verbreitet ist.

Viertens: Untersuchen Sie die Entstehungsumgebung von Psyche, insbesondere, ob sie im Vergleich zum Erdkern stärker oxidierend oder reduzierend ist.

Fünftens: Beschreiben Sie die Oberflächenmerkmale des Geländes von Psyche.

Um diese Ziele zu erreichen, hat die NASA mehr als 1,1 Milliarden Dollar in die Entwicklung der Sonde investiert und plant eine mindestens acht Jahre dauernde Erkundungsreise. Nach neuesten Berechnungen würde die Sonde, wenn sie Mitte Oktober dieses Jahres startet, zwischen 2023 und 2026 versuchen, über den Mars zu fliegen und in den Asteroidengürtel einzudringen. Wenn alles gut geht, wird die Sonde voraussichtlich etwa drei Jahre brauchen, um ihren Kurs anzupassen und etwa 2029 die Umlaufbahn von Psyche zu erreichen, wobei sie eine Gesamtdistanz von etwa 3,6 Milliarden Kilometern zurücklegen wird. Die Sonde soll dann zwischen 2029 und 2031 in der Umlaufbahn von Psyche sein und dort 26 Monate lang wissenschaftliche Kartierungen und Forschungen durchführen.

Auf dieser Reise wird die Sonde mit Sicherheit viele Herausforderungen meistern müssen. Das erste Problem, mit dem es wahrscheinlich konfrontiert sein wird, ist die Aufrechterhaltung der langfristigen Strom- und Energieversorgung. Das zweite Problem ist die Kommunikation während der langen Reise. Schließlich muss die Sonde über extrem große Entfernungen hinweg eine zuverlässige und qualitativ hochwertige Kommunikation mit der Erde aufrechterhalten und Daten effizient und genau übertragen. Darüber hinaus können die Anpassungsprobleme, die durch Psyches besondere Struktur und kartoffelartige Gestalt entstehen, nicht ignoriert werden. Davon hängt ab, ob sich die Sonde Psyche sicher nähern und wissenschaftliche Daten sammeln kann.

Moderne Ausstattung mit Highlights

Um die Durchführung von Langzeitmissionen in rauen Umgebungen zu gewährleisten, ist die Sonde mit verschiedenen modernen Geräten ausgestattet und versucht, die „neunundneunzig einundachtzig Schwierigkeiten“ auf der Reise zu überwinden.

Insgesamt besteht die Sonde aus einem solarelektrischen Antriebssystem, einem Flugcomputer, Sensoren und einem Fluglaser-Transceiver, von denen viele innovativ sind.

Die erste ist die größte Hauptstruktur der Sonde – das solarelektrische Antriebssystem, das im Wesentlichen aus zwei Solarzellenfeldern, einem Systemchassis, einem Antriebstank usw. besteht. Darunter befindet sich das kreuzförmige Solarzellenfeld aus fünf Paneelen, das im entfalteten Zustand der Größe eines Tennisplatzes entspricht und einen Rekord für das größte Solarzellenfeld darstellt, das jemals vom Jet Propulsion Laboratory der NASA eingesetzt wurde.

Das riesige Array wird hauptsächlich dazu verwendet, den Energiebedarf der Sonde in den Tiefen des Weltraums, in lichtarmen Umgebungen weit entfernt von der Sonne, zu decken. Es kann nicht nur den Betrieb wissenschaftlicher Instrumente und Geräte aufrechterhalten, sondern auch den elektrischen Antrieb antreiben, um die „Langstreckenreise“ der Sonde zu unterstützen. Es ist erwähnenswert, dass das sogenannte „ultraeffiziente“ solarelektrische Antriebssystem eine der innovativen Technologien ist, die in der Sonde verwendet werden. Seine Kernausrüstung ist das Hall-Triebwerk. Bei dieser Reise zur Erkundung von Psyche wurde das Hall-Triebwerk der Raumsonde auch zum ersten Mal im Weltraum außerhalb der Mondumlaufbahn eingesetzt.

Schematische Darstellung der Psyche-Sonde beim Entfalten ihres Solarpanels

Als nächstes ist es notwendig, das „Gehirn“ der Sonde zu verstehen – den Flugcomputer. Aufgrund der besonderen Form von Psyche spekulieren Wissenschaftler, dass sie möglicherweise ein sehr unregelmäßiges Gravitationsfeld besitzt. Daher müssen bei der Konstruktion der Sonde verstärkt Anstrengungen in den Bereichen Navigation und Steuerung unternommen werden, um sicherzustellen, dass sie auch in einer von Psyche weiter entfernten Umlaufbahn sicher operiert und das Gravitationsfeld von Psyche genau misst. Anschließend wurde durch Modellierung und Verbesserung des Gravitationsfeldmodells in Echtzeit eine Kontrollstrategie entwickelt, um die Umlaufbahn der Sonde weiter abzusenken und sie langsam an Psyche heranzuführen.

Dabei spielt die vom Flugcomputer verwendete Leit-, Navigations- und Steuerungssoftware eine ganz entscheidende Rolle. Es wird dazu beitragen, dass die Antenne der Sonde präzise auf die Erde ausgerichtet wird, um Daten zu übertragen und Befehle von der Missionskontrolle zu empfangen. Diese Art von Software ist nicht nur für die Steuerung der Flugrichtung der Sonde von entscheidender Bedeutung, sondern auch für die Funktion des solarelektrischen Antriebssystems.

Dann übernehmen die „Augen“ und „Tentakel“ der Sonde die Hauptverantwortung. Dabei handelt es sich um verschiedene Sensoren, darunter Magnetometer, Multispektralbildgeber sowie Gammastrahlen- und Neutronenspektrometer. Unter anderem wird das Magnetometer zur Messung des Magnetfelds der Psyche verwendet. Mit dem Multispektralbildgeber werden Bilder der Oberfläche von Psyche mit ausreichend hoher Auflösung aufgenommen, um die Identifizierung der Metall-, Silikat- und anderen Materialkomponenten auf der Oberfläche von Psyche zu erleichtern und anschließend Daten wie die geologische Topographie zu erfassen. Gammastrahlen- und Neutronenspektrometer sind die „Hauptkraft“ bei der Identifizierung der chemischen Elemente auf der Oberfläche von Psyche, und die erhaltenen Daten werden dabei helfen, eine Karte der materiellen Zusammensetzung von Psyche zu zeichnen. Außerdem gibt es ein Mikrowellen-Funkkommunikationssystem, mit dem das Schwerefeld von Psyche mit hoher Präzision gemessen und Hinweise auf seine innere Struktur gesammelt werden können.

Schließlich sind der „Mund“ und die „Ohren“ des Detektors gleichermaßen wichtig. Ihr wissenschaftlicher Name lautet „Fliegende Lasertransceiver“ und zusammen mit bodengestützten Laserempfängern bilden sie ein Deep-Space-Laserkommunikationssystem, das die Effizienz der Informationsübertragung bei Erkundungsmissionen im tiefen Weltraum voraussichtlich um ein Vielfaches steigern wird.

„Pathfinder“ übernehmen wichtige Aufgaben

Anhand der Zusammensetzung der Ausrüstung lässt sich unschwer erkennen, dass die Sonde Psyche für die praktische Überprüfung einer Reihe neuer Luft- und Raumfahrttechnologien zuständig ist.

Nachdem beispielsweise der Hall-Antrieb aktive Elektronen im Magnetfeld „eingefangen“ hat, nutzt er die Elektronen zur vollständigen Ionisierung des Treibstoffs, um eine effiziente Energieerzeugung zu erzielen. Es wird allgemein angenommen, dass dieser Triebwerkstyp weniger Treibstoff verbraucht als chemische Triebwerke mit gleichem Schub und dass sein Design einfacher ist als das der Ionentriebwerke, die üblicherweise in der bestehenden elektrischen Antriebstechnologie verwendet werden. Man kann sagen, dass Wissenschaftler und Ingenieure auf der Grundlage von Hall-Triebwerken leichtere, kleinere und wirtschaftlichere Raumfahrzeuge entwickeln können, die den Anforderungen langfristiger Erkundungsmissionen in den tiefen Weltraum gerecht werden.

Psyche-Sonde wird vor dem Start getestet

Die Technologie der Weltraum-Laserkommunikation nutzt zur Datenkodierung Photonenwellenlängen im nahen Infrarotbereich (anstelle von Radiowellen) und ist für eine effiziente Kommunikation zwischen Weltraumsonden und der Erde verantwortlich. Man geht davon aus, dass Laserkommunikationssysteme die Datenübertragungsrate von Weltraummissionen im Vergleich zu aktuellen Funkkommunikationssystemen gleicher Größe und Leistung um das Zehn- bis Hundertfache steigern werden. Dadurch könnten Sonden Bilder mit höherer Auflösung und größere Mengen wissenschaftlicher Daten zur Erde übertragen und so die Kommunikation im Weltraum deutlich verbessern.

Die NASA plant, die Technologie durch diese Reise nach Psyche zu überprüfen. Die Haupttests werden in der frühen Phase der etwa ein Jahr dauernden Reisephase der Sonde durchgeführt. Im Jahr 2014 nutzte die NASA Laser, um hochauflösende Videos von der Internationalen Raumstation zur Erde zu übertragen. Im tiefen Weltraum, wo es keine Störungen durch atmosphärische Brechung und Streuung gibt, wird die Laserkommunikation zweifellos größere Vorteile bieten. Als bisher am weitesten entfernter Test der NASA für Hochbandbreiten-Laserkommunikation verfügt die Psyche-Sonde über das Potenzial, die Kommunikationstechnologie in der Luft- und Raumfahrt zu revolutionieren und an der nächsten Grenze eingesetzt zu werden – im Weltraum.

Obwohl das Psyche-Erkundungsprogramm auf zahlreiche technische Schwierigkeiten und Managementprobleme stieß, die zu wiederholten Verzögerungen führten, ist die Beharrlichkeit der NASA bei der Erforschung von Psyche ungebrochen. Der Grund liegt sicherlich nicht nur in der Gier nach den seltenen Metallvorkommen auf Psyche …

Einerseits wird erwartet, dass die Sonde, wenn sie eine große Menge wichtiger Daten über Psyches Elementzusammensetzung, Gravitationsfeldverteilung, geologische Topographie usw. gewinnen kann, den Wissenschaftlern eine große Menge wertvoller Informationen liefert, ein tieferes Verständnis der inneren Struktur und des Evolutionsprozesses des Planeten ermöglicht und so dazu beiträgt, Fragen über den Erdkern und die Entstehung des Sonnensystems zu beantworten.

Andererseits soll die Erkundungsreise mit Psyche wertvolle praktische Erfahrungen für eine Reihe neuer Technologien liefern und die Rückmeldungen aus den Ergebnissen könnten dazu beitragen, dass die zukünftige Erforschung des Weltraums große Fortschritte macht. Es wird nicht nur detailliertere Informationen von weiter entfernten Himmelskörpern liefern, sondern könnte der Menschheit auch dabei helfen, komplexere und profitablere Missionen in den Weltraum durchzuführen. Wenn in der Zukunft der Weltraumbergbau und andere Luft- und Raumfahrtwirtschaftszweige großflächig und normalisiert werden, werden sich die Menschen vielleicht an die Psyche-Sonde als „Wegbereiter“ in der Technologie- und Ingenieurpraxis erinnern.

Kurz gesagt: Unabhängig vom Erfolg oder Misserfolg der Mission hat die Psyche-Sonde den großen Wunsch der Menschheit unter Beweis gestellt, den Weltraum zu erforschen. (Autor: Literarische Bildquelle: NASA Review-Experte: Jiang Fan, stellvertretender Direktor des Wissenschafts- und Technologieausschusses der China Aerospace Science and Technology Corporation)