È finalmente partita la missione Psyche

Dopo quasi due anni di attesa, i centri spaziali della Florida tornano protagonisti con il lancio di una sonda verso un asteroide. Era infatti il 16 ottobre 2021 quando un Atlas V 401 di United Launch Alliance (ULA) decollava dallo Space Launch Complex 41 della Cape Canaveral Space Force Station (CCSFS) con l’obiettivo di rilasciare la sonda Lucy nell’orbita che la avrebbe portata, dopo diverse manovre e assist gravitazionali, a visitare gli asteroidi troiani e greci di Giove.

Questa volta è stato il turno di Psyche, lanciata alle 16:19 del 13 ottobre 2023 dal Launch Complex 39A del Kennedy Space Center (KSC) a bordo di un Falcon Heavy di SpaceX e ora diretta verso l’omonimo asteroide, 16 Psyche, ritenuto essere il nucleo di un antico protopianeta che ha perso gli strati più esterni a causa di impatti con altri oggetti. La finestra di lancio è istantanea e varia di qualche minuto ogni giorno, rimanendo sempre tra le 16:16 e le 16:40 italiane.

Il Falcon Heavy prevede diverse configurazioni e per questo lancio è stata utilizzata una variante ibrida: dei tre stadi che prendono parte alla primissima fase di volo, solo i due laterali vengono recuperati, lasciando quello centrale a perdere (expendable). I due booster laterali (B1064 e B1065), noti anche come side booster, erano veterani degli stessi tre voli di un Falcon Heavy (USSF-44, USSF-67 e EchoStar 24/Jupiter-3) e sono atterrati sulle due piazzole situate vicino al pad di lancio e chiamate Landing Zone 1 e Landing Zone 2. Per SpaceX, che ha già lanciato in orbita terrestre varie missioni come DSCOVR, TESS e Sentinel-6 Michael Freilich, si tratta (dopo DART) della seconda missione interplanetaria lanciata per conto dell’agenzia spaziale statunitense (NASA).

Psyche, la sonda

Caratteristiche fisiche

Psyche è una sonda robotica la cui struttura e la maggior parte dei sistemi hardware è stata costruita da una filiale di Maxar Technologies a Palo Alto, in California, mentre il software di volo, il sistema di protezione dai guasti e la maggior parte dei sistemi di telecomunicazione sono stati costruiti (sempre in California) presso il Jet Propulsion Laboratory (JPL). È stata selezionata il 4 gennaio 2017 come quattordicesima missione del programma Discovery, che raggruppa missioni con un costo medio-basso: per lo sviluppo, il lancio e le operazioni di Psyche, complici anche alcuni problemi verificatisi nel 2022, NASA ha investito circa 1,2 miliardi di dollari. Questi costi includono anche i circa 131 milioni di dollari necessari per i servizi di lancio e i 206 milioni di dollari per lo sviluppo del dimostratore tecnologico chiamato Deep Space Optical Communications (DSOC).

Il corpo di Psyche raggiunge i 3,1 m in lunghezza e 2,4 m in larghezza; se si tiene conto anche dei i pannelli solari si raggiungono i 24,76 m in lunghezza e i 7,34 m in larghezza. Per fare un paragone, con i pannelli solari la larghezza è quella di un campo da tennis, mentre il solo corpo principale è poco più grande di una Smart. I pannelli solari, una volta dispiegati, produrranno 21 kW di potenza nelle vicinanze della Terra e tra i 2,3 e 3,4 kW in orbita attorno a Psyche. È presente a bordo anche una batteria agli ioni di litio in grado di fornire energia nelle situazioni in cui la luce solare non fosse sufficiente per garantire l’operatività della sonda.

I pannelli permetteranno di produrre energia elettrica per tutti i sistemi di bordo e per le telecomunicazioni con il Deep Space Network (DSN). Queste ultime sono affidate ad un’antenna ad alto guadagno da 2 metri prodotta da Maxar e tre a basso guadagno prodotte dal JPL.

La massa complessiva della sonda al momento del lancio è di 2747 kg, dei quali 1085 kg sono distribuiti in sette serbatoi da 82 litri ciascuno e contenenti xeno, un gas nobile che verrà utilizzato come propellente per le manovre. Psyche è infatti dotata di quattro motori a effetto Hall che, espellendo ioni di xeno, generano la spinta necessaria: le stime indicano che Psyche utilizzerà circa 922 kg di propellente. Se da un lato l’utilizzo di propulsori ionici permette un significativo risparmio sulla massa del carburante, dall’altro i tempi di azione risultano particolarmente lunghi: ogni motore è infatti in grado di generare 240 mN di spinta, all’incirca la stessa forza necessaria per sostenere il peso di una pila AA. La scelta dello xeno come gas da utilizzare deriva dalla facilità con cui lo si riesce a ionizzare (la ionizzazione è il processo con cui uno o più elettroni vengono rimossi da un atomo), l’elevata massa atomica (che garantisce livelli di spinta sufficientemente elevati), l’elevata densità di stoccaggio e non da ultimo la sua inerzia.

Psyche dispone anche di 12 propulsori più piccoli alimentati ad azoto, da utilizzare durante una eventuale safe mode o quando i motori ad effetto Hall non sono completamente operativi. La sonda è stata rifornita con 46 kg di azoto, stoccato in tre serbatoi pressurizzati da 82 litri ciascuno.

Strumenti scientifici

Psyche avrà a bordo quattro strumenti: un imager multispettrale, un magnetometro e due spettrometri. Ci sarà anche un payload di test chiamato Deep Space Optical Communication.

Imager multispettrale (Multispectral Imager, MI)

Lo strumento è stato progettato per fornire immagini ad alta risoluzione in diverse bande elettromagnetiche, per poter distinguere le componenti metalliche da quelle silicacee che costituiscono l’asteroide. L’imager verrà in realtà utilizzato anche per le fasi di navigazione e di operazione attorno a Psyche: per questo motivo lo strumento è in realtà composto da due fotocamere identiche, in modo tale da garantire la ridondanza necessaria.

Durante l’intera missione verranno scattate all’incirca 85 000 fotografie, acquisendo dati di natura geologica e topografica, che potrebbero risultare utili per chiarire l’origine dell’asteroide. Le prime foto che verranno scattate, durante la fase di missione chiamata Orbit A, serviranno per individuare i luoghi più interessanti da osservare più da vicino, quando Psyche si porterà fino a una quota di 75 km dalla superficie dell’asteroide.

Un dettaglio interessante da notare è che i sensori digitali utilizzati sono gli stessi di quelli montati a bordo di Curiosity e Perseverance: trattandosi di esemplari già testati e utilizzati con successo, i costi vengono ridotti pur mantenendo una ottima qualità dei dati ottenuti.

Gamma-ray and neutron spectrometer

Lo spettrometro permetterà di individuare, misurare e mappare la composizione in termini di elementi chimici dell’asteroide: per fare ciò analizzerà i neutroni e i raggi gamma prodotti dall’interazione della superficie con i raggi cosmici che la colpiscono.

Per avere un campo di vista il più sgombro possibile, lo spettrometro è montato su un braccio estensibile di circa 2 m e verrà utilizzato durante la Orbit D, la fase di missione più vicina alla superficie. Anche in questo caso lo strumento sfrutta tecnologie già testate in passato, in particolare dalla sonda MESSENGER.

Magnetometro

Come dice il nome stesso, servirà per individuare e misurare il campo magnetico di Psyche: sebbene non ne sia mai stato individuato uno attorno a un asteroide, è stata misurata e osservata la magnetizzazione di campioni arrivati sulla Terra. Nonostante al giorno d’oggi un eventuale campo magnetico di Psyche dovrebbe essere sparito, è possibile che le tracce della sua presenza siano visibili quindi nelle rocce in superficie.

È formato da due identici sensori ad alta precisione localizzati a metà e alla fine del braccio estensibile che ospita anche lo spettrometro ed è frutto di una collaborazione con la Technical University of Denmark (DTU).

Antenne per le telecomunicazioni

Il sistema di comunicazione nella banda X di Psyche verrà anche utilizzato per misurare accuratamente il campo gravitazionale dell’asteroide. Tramite l’analisi delle onde radio ricevute sarà possibile notare eventuali alterazioni nelle loro proprietà e determinare quindi rotazione, massa, campo magnetico e oscillazione. In unione con i dati topografici prodotti dall’imager multispettrale sarà possibile inoltre ricostruire e studiare la struttura interna di Psyche.

Deep Space Optical Communication (DSOC)

Come detto, Psyche porterà a bordo un sistema di test per la comunicazione laser con la Terra; simili test stanno avvenendo in orbita bassa terrestre (LEO) con alcuni esperimenti (come ILLUMA-T) che coinvolgono anche la Stazione Spaziale Internazionale (ISS). La comunicazione laser (rispetto alle consuete comunicazioni radio) permette di trasmettere una maggior quantità di dati nello stesso intervallo di tempo, pur richiedendo una precisione di puntamento molto maggiore.

Essendo un dimostratore tecnologico, non verrà utilizzato per trasmettere i dati scientifici della missione: verrà infatti utilizzato solamente nei primi due anni, da novembre 2023 a ottobre 2025, durante i quali Psyche sarà ancora in viaggio. Circa 20 giorni dopo il lancio inizierà la fase di messa in opera e calibrazione, mentre il primo tentativo di comunicazione avverrà dopo circa 50 giorni. La prima fase di dimostrazione terminerà nel giugno 2024, mentre la seconda verrà effettuata da gennaio a ottobre 2025.

DSOC è composto da tre elementi:

• un ricetrasmettitore nel vicino infrarosso che opera tramite un telescopio di 22 cm di apertura e un laser. Sono montati su una struttura in grado di isolare efficacemente lo strumento dalle vibrazioni della sonda, che potrebbero causare un non perfetto allineamento con le stazioni di terra;
• un trasmettitore laser ad alta potenza (5 kW) situato in una struttura del JPL vicino a Wrightwood, in California, che fornirà un beacon e un canale a bassa velocità di trasmissione al ricetrasmettitore in volo. Il beacon sarà utilizzato dal ricetrasmettitore per individuare la posizione del punto di invio dei dati a Terra e iniziare il trasferimento;
• il telescopio Hale da 5,1 m al Palomar Observatory a San Diego, in California, che riceverà le trasmissioni inviate dal trasmettitore sulla sonda.

Psyche, la missione

Dopo la separazione dal secondo stadio del Falcon Heavy, Psyche effettuerà le prime operazioni in autonomia: tra queste vi è l’attivazione della Miniature Inertial Measurement Unit (MIMU), un sistema che permetterà di rilevare una rotazione anomala della sonda ed eventualmente bloccarla. In seguito Psyche dispiegherà i propri pannelli solari uno alla volta: l’operazione inizierà a circa sei minuti dalla separazione, ne richiederà circa due per sbloccare i meccanismi di sicurezza del pannello e sei per completarne il dispiegamento. La sonda entrerà quindi brevemente in safe mode, per puntare una delle antenne a basso guadagno verso la Terra e comunicare con le antenne del DSN di Canberra (Australia) e successivamente con quella di Goldstone (California). Avuta la conferma del dispiegamento dei pannelli solari e della corretta comunicazione con la Terra, si procederà a verificare il funzionamento dei motori, che verranno accesi a intervalli, e degli strumenti scientifici che verranno anche calibrati: la fase di controllo vera e propria non comincerà prima di sei settimane dal lancio.

La fase di crociera di Psyche inizierà quindi circa 100 giorni dopo il decollo, intorno alla metà di gennaio 2024, e costituirà di fatto la fase più lunga per la sonda: durerà circa 5 anni, durante i quali verrà periodicamente contattata sia per ricevere aggiornamenti software che per verificare lo stato di salute degli strumenti a bordo. Il viaggio è suddiviso in tre parti: Cruise 1, dalla fine dei controlli a circa 60 giorni prima del flyby di Marte, il periodo della fionda gravitazionale con il pianeta e il post sorvolo, chiamato Cruise 2. Il passaggio avverrà a una quota compresa tra i 3 000 e i 4 400 km.

Da subito dopo l’assist gravitazionale, Psyche accenderà i motori, per usarli quasi continuativamente durante i 29 mesi che seguiranno e che porteranno la sonda verso l’asteroide. La fase di approccio inizierà nel maggio 2029, con l’utilizzo della camera di navigazione e dei primi dati raccolti per valutare le condizioni in cui si troverà Psyche. La cattura vera e propria da parte dell’asteroide avverrà verso la fine di luglio 2029, dando inizio alla fase scientifica della missione che durerà almeno 26 mesi. Sono previste quattro diverse orbite, dalla A alla D, distinte dall’illuminazione dell’asteroide più che dalla quota relativa a esso.

La prima orbita (Orbit A) ha una durata prevista di circa 56 giorni, da agosto 2029 a ottobre 2029: la sonda sarà a una quota di 709 km e avrà principalmente lo scopo di mappare e osservare Psyche, misurandone anche il campo magnetico e gravitazionale.

Psyche impiegherà poi 17 giorni per scendere fino a 303 km dalla superficie, per quella che sarà la prima parte dell’orbit B (Orbit B1), che durerà circa 92 giorni, fino alla fine di gennaio 2030. Anche qui verranno condotte misure del campo gravitazionale e magnetico e proseguiranno quelle di mappatura topografica e geologica. La seconda parte di questa fase, Orbit B2, inizierà nel maggio 2031, quando le condizioni di illuminazione di Psyche saranno ottimali per il completamento delle operazioni scientifiche, e durerà 100 giorni.

Nel frattempo la sonda abbasserà ulteriormente la propria quota, raggiungendo in 98 giorni la quota di 75 km per la Orbit D, passando nel frattempo da un’orbita polare a una equatoriale. L’inizio di questa fase avverrà a maggio 2030 e durerà 100 giorni nei quali verranno misurati ancora una volta campo magnetico e gravitazionale.

Il trasferimento verso Orbit C porterà Psyche in un’orbita polare a 190 km di altitudine. La sonda studierà nuovamente la topografia dell’asteroide, continuando a mappare il campo magnetico e gravitazionale.

Tutto questo viaggio, avviene però con un significativo ritardo: nei piani iniziali Psyche sarebbe dovuta giungere presso l’omonimo asteroide nel gennaio 2026, quindi oltre tre anni e mezzo prima. A causa di un problema di compatibilità col software del simulatore al test bed del JPL, il software di volo e l’equipaggiamento di test vennero consegnati in ritardo, impedendo così a NASA di completare in tempo tutte le verifiche necessarie e costringendo l’agenzia a far slittare il lancio prima a settembre 2022 e poi a ottobre 2023.

Come detto in precedenza, Psyche avrà diversi obiettivi scientifici che permetteranno di stabilire se l’asteroide sia effettivamente il nucleo di un planetesimo (e non per esempio di un aggregato di materiali non fusi) e determinare l’età delle diverse regioni della superficie dell’asteroide. La sonda avrà anche lo scopo di capire se corpi celesti così piccoli e fatti principalmente di metalli possano incorporare elementi leggeri come accade nel nucleo terrestre e se l’ambiente in cui si è formato Psyche fosse più o meno riducente di quello terrestre.

Al termine di due anni di missione, Psyche rimarrà in orbita dell’omonimo asteroide, a meno che NASA non decida di estendere la missione o spostare la sonda in un’orbita che non abbia possibilità di impatto con l’omonimo asteroide.

Psyche, l’asteroide

L’asteroide obiettivo di questa missione si chiama formalmente 16 Psyche: il numero 16 è conseguenza del fatto che fu il sedicesimo asteroide scoperto, il 17 marzo 1852 da Annibale de Gasparis dall’Osservatorio astronomico di Capodimonte a Napoli. Fu battezzato così in onore di Psiche, figura della mitologia greca.

Si tratta di uno dei più grandi asteroidi della fascia principale, quella regione di spazio compresa tra Marte e Giove e composta da centinaia di migliaia di asteroidi di diverse dimensioni e composizioni, e procede in un’orbita quasi circolare a circa 3 AU dal Sole, impiegando circa 5 anni terrestri a completare una rivoluzione completa; la sua distanza dalla Terra invece varia da meno di 2 AU a più di 4 AU a seconda del periodo dell’anno. Psyche ruota su sé stesso in sole 4 ore e 12 minuti.

Come già detto, Psyche è un asteroide costituito principalmente da metalli, tanto che le prime ipotesi sulla sua composizione ne davano una percentuale molto vicina al 100%. Osservazioni successive e nuovi dati su densità, interazione con le onde radio e dati spettrali, indicano anche la presenza di silicati oltre ai metalli: sebbene non ci sia ancora pieno accordo tra i dati disponibili, le stime più accurate suggeriscono una composizione mista tra rocce e metalli. Questi ultimi costituirebbero dal 30% al 60% del volume, dando come densità un valore compreso tra 3 400 kg/m³ e 4 100 kg/m³. È proprio per la presenza significativa di metalli che l’asteroide è stato classificato come appartenente alla classe M. La gravità di Psyche è poco più di un centesimo di quella terrestre.

Le proporzioni sono state determinate tramite osservazioni radar e la misura dell’inerzia termica dell’asteroide, una proprietà che indica la velocità nell’assorbimento o cessione del calore. Sempre tramite osservazioni radar, combinate con quelle ottiche, è stato possibile ricostruire un modello 3D di Psyche, che mostra due depressioni simili a dei crateri da impatto.

Fonti: NASA – Psyche mission website, ASU News – The eyes of Psyche, NASA – Psyche fact sheet