プシュケを探索する旅が始まります！目標は「黄金の惑星」だけではない

10月13日北京時間22時19分、米国のファルコン・ヘビーロケットが探査機を載せてケネディ宇宙センターから打ち上げられ、小惑星プシケを探査するロマンチックな旅が始まった。この探査機はプシケと同じ名前を持ち、そのターゲットは待望の「黄金の惑星」であり、計画されているミッションは少なくとも8年間続く予定だ。では、科学者の心の中でプシュケが持つ魅力とは何でしょうか?ミッションを遂行するために、探査機にはどんな「特別なスキル」があるのでしょうか？科学者はこのミッションから何を得ることができると期待できるでしょうか?

ファルコン・ヘビーロケットが探査機を打ち上げる

「金属性」の隠された秘密

科学者たちは、プシケはほぼ完全に金属で構成された小惑星であり、さまざまな希少金属鉱物が豊富に埋蔵されていることを観測しました。不純な動機を持つ一部の人々はこれを理由に、プシュケの価値を100兆ドルと見積もっており、「黄金の惑星」というニックネームが付けられている。

実際、科学者がプシュケに惹かれるのは、その「黄金の特性」だけではありません。科学者たちは、プシケは太陽系内で唯一、完全に内核で構成されている天体である可能性が高いと考えています。言い換えれば、人類に惑星の内核を直接観察し研究する貴重な機会を与えることになる。明らかに、既存の間接的な検出方法と比較して、直接観測は科学者が天体の内部構造を研究し、天体の進化の法則を要約し、そして類推によって地球の内核の秘密を明らかにするのにさらに役立つことが期待されます。

プシュケは「黄金の惑星」という愛称で呼ばれています

そのため、NASA は Psyche 探査ミッションに 5 つの主な目標を提案しました。

まず、プシュケが天体の残余核から進化したのか、それとも溶けていない物質から形成されたのかを確認する必要がある。

次に、プシュケの表面のさまざまな領域の相対的な年齢を決定します。

第三に、このタイプの小さな金属体にいわゆる「軽元素」が含まれているかどうかを調べます。科学者たちは、このタイプの物質が地球の高圧核に広く存在していると考えています。

4番目に、プシケの形成環境、特に地球の核と比較してより酸化的であるか、より還元的であるかを研究します。

5番目に、プシュケの表面地形の特徴について説明します。

これらの目標を達成するために、NASAは探査機の開発に11億ドル以上を投資し、少なくとも8年間続く探査旅を計画している。最新の計算によると、探査機が今年10月中旬に打ち上げられた場合、2023年から2026年の間に火星上空を通過し、小惑星帯に入ることを目指す。すべてが順調に進めば、探査機は進路を調整するのに約3年かかり、2029年頃にプシケの軌道に到達し、総距離は約36億キロになる見込みだ。その後、探査機は2029年から2031年にかけてプシケを周回し、26か月間科学的な地図作成と調査を行う予定だ。

探査機は、この旅を完了するまでに多くの困難に直面することになるだろう。おそらく最初に直面することになるのは、長期的な電力とエネルギー供給を維持するという問題だろう。 2つ目は、長い旅の間のコミュニケーションの問題です。結局のところ、探査機は極めて長い距離にわたって地球との信頼性の高い高品質の通信を維持し、データを効率的かつ正確に送信する必要があるのです。さらに、プシケの特異な構造とジャガイモのような形状によってもたらされる適応性の問題も無視できず、それが探査機が安全にプシケに接近し、科学的データを収集できるかどうかを決定することになる。

先進的な設備にはハイライトがある

過酷な環境での長期ミッションを確実に完遂するため、探査機にはさまざまな先進的な装備が搭載されており、旅の途中で「九十九八十一難」を克服することを目指している。

全体として、この探査機は太陽電気推進システム、飛行コンピュータ、センサー、飛行レーザートランシーバーで構成されており、その多くは革新的なものです。

まず、探査機最大の主要構造物である太陽電気推進システムは、主に2つの太陽電池アレイ、システムシャーシ、推進タンクなどで構成されています。そのうち、5枚のパネルで構成された十字形の太陽電池アレイは、展開するとテニスコート1面分の大きさに相当し、NASAジェット推進研究所がこれまで展開した最大の太陽電池アレイの記録を樹立しました。

この巨大なアレイは主に、太陽から遠く離れた深宇宙の低光量環境で探査機の電力需要を満たすために使用されます。科学機器や装置の稼働を維持するだけでなく、電気推進装置を駆動して探査機の「長距離航行」をサポートすることもできる。いわゆる「超高効率」太陽電気推進システムが、この探査機に使用されている革新的な技術の一つであることは注目に値する。その中核となる装備はホールスラスタです。このプシケ探査旅行は、宇宙船が月軌道外の宇宙空間でホールスラスタを駆動した初めての機会でもある。

プシケ探査機が太陽電池パネルを展開する模式図

次に、探査機の「頭脳」であるフライトコンピューターを理解する必要があります。プシケの特異な形状のため、科学者たちはプシケの重力場が非常に不規則である可能性があると推測している。したがって、探査機の設計においては、プシケからさらに離れた軌道上で安全に動作し、プシケの重力場を正確に測定できるように、ナビゲーションと制御の分野でさらなる努力を払う必要があります。その後、重力場モデルをリアルタイムでモデル化して改良することで、探査機の軌道が下降し続け、ゆっくりとプシケに近づくように制御戦略が立てられました。

このプロセスでは、フライト コンピューターが使用する誘導、ナビゲーション、制御ソフトウェアが非常に重要な役割を果たします。これにより、探査機のアンテナが地球に正確に向けられ、データの送信やミッションコントロールからのコマンドの受信が可能になります。この種のソフトウェアは、探査機の飛行方向を制御する上で重要であるだけでなく、太陽電気推進システムが機能するためにも不可欠です。

そうなると、探査機の「目」と「触手」が重責を担うことになる。これらは、磁力計、マルチスペクトルイメージャー、ガンマ線および中性子分光計を含むさまざまなセンサーです。そのうち、磁力計はプシュケの磁場を測定するために使用されます。マルチスペクトルイメージャーは、プシケの表面の金属、ケイ酸塩、その他の物質成分の識別を支援するのに十分な高解像度でプシケの表面の画像を取得し、地質地形などのデータを収集するために使用されます。ガンマ線および中性子分光計は、プシケの表面の化学元素を識別するための「主力」であり、得られたデータはプシケの物質構成の地図を描くのに役立つだろう。また、プシケの重力場を高精度で測定し、内部構造に関する手がかりを集めるために使用されるマイクロ波無線通信システムもあります。

最後に、検出器の「口」と「耳」も同様に重要です。これらの科学的な名称はフライングレーザートランシーバーであり、地上のレーザー受信機とともに深宇宙レーザー通信システムを形成し、深宇宙探査ミッションの情報伝送効率を数倍に高めることが期待されています。

「パスファインダー」が重要な任務を引き受ける

機器の構成から、プシケ探査機が数多くの新しい航空宇宙技術の実用的検証を担っていることは容易に分かります。

たとえば、ホールスラスタは磁場内の活性電子を「捕捉」した後、その電子を使用して推進剤を完全にイオン化し、効率的な電力を獲得します。このタイプのスラスタは、同じ推力の化学スラスタよりも推進剤の消費量が少なく、既存の電気推進技術で一般的に使用されているイオンスラスタよりも設計が単純であると一般に考えられています。科学者や技術者は、ホールスラスタを基盤として、長期的な深宇宙探査ミッションのニーズを満たす、より軽量で小型、かつ経済的な宇宙船の開発を期待できると言えます。

サイケ探査機、打ち上げ前にテスト実施

深宇宙レーザー通信技術は、電波ではなく近赤外線の波長の光子を使用してデータをエンコードし、深宇宙探査機と地球間の効率的な通信を実現します。レーザー通信システムは、現在の同じサイズと出力の無線通信システムと比較して、宇宙飛行ミッションのデータ伝送速度を10〜100倍向上させると予想されており、探査機はより高解像度の画像と大量の科学データを地球に送信できるようになり、深宇宙通信のレベルが大幅に向上します。

NASAは、このプシケへの旅を通じてこの技術を検証する予定です。主なテストは探査機の巡航段階の初期段階、つまり約1年間にわたって実施される予定だ。 2014年、NASAはレーザーを使用して国際宇宙ステーションから高解像度のビデオを地上に送信しました。大気の屈折や散乱による干渉がない深宇宙では、レーザー通信は間違いなくより大きな利点を持つでしょう。 NASA によるこれまでで最も遠距離での高帯域幅レーザー通信テストである Psyche 探査機は、航空宇宙通信技術に革命をもたらし、次のフロンティアである深宇宙に応用される可能性を秘めています。

プシケ探査プログラムは多くの技術的困難と管理上の問題に直面し、度重なる遅延を招いたが、NASA のプシケ探査への執念は揺るがなかった。その理由は、サイケの希少金属資源への欲求だけではありません...

一方、探査機がプシケの元素組成、重力場の分布、地質地形などに関する重要なデータを大量に取得できれば、科学者に大量の貴重な情報を提供し、惑星の内部構造と進化の過程をより深く理解し、地球の核と太陽系の形成に関する疑問の解明に役立つことが期待されます。

一方、Psyche 探査の旅は、多くの新しい技術に関する貴重な実践経験を提供することが計画されており、その結果からのフィードバックは、将来の深宇宙探査が飛躍的に前進することに役立つ可能性があります。より遠くの天体からのより詳細な情報を提供するだけでなく、人類がより複雑で収益性の高い深宇宙ミッションを遂行するのに役立つ可能性があります。将来、宇宙採掘やその他の航空宇宙経済が大規模かつ標準化されると、人々はプシケ探査機をテクノロジーとエンジニアリングの実践における「先駆者」として記憶することになるかもしれない。

つまり、ミッションの成功か失敗かにかかわらず、プシケ探査機は人類の深宇宙探査に対する美しい願望を実証したのだ。 （著者：文学 画像出典：NASA レビュー専門家：中国航天科学技術集団科学技術委員会副委員長、江凡）