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プシュケ（ / ˈsaɪki / SY -kee ）は、 2023年10月13日に打ち上げられたNASAディスカバリー計画の宇宙ミッションで、 2029年から金属小惑星16プシュケを周回して研究することで惑星核の起源を探ることを目的としています。 [ 8 ] NASAのジェット推進研究所（JPL）がこのプロジェクトを管理しています。
この探査機は2029年8月5日から2031年10月31日まで、小惑星プシケの周回軌道を817日間周回します。プシケは推進と軌道制御に太陽光発電式のホール効果スラスタを使用しており、この技術を採用した初の惑星間探査機です。また、地球・月系外においてレーザー光通信を使用する初のミッションでもあります。
プシュケミッションの提案は、アリゾナ州立大学の主任研究員であるリンディ・エルキンス＝タントンによって、2015年2月に締め切られたNASAのディスカバリー計画ミッション13および14の提案募集の一環として提出されました。2015年9月30日に5つの最終候補の1つとして選考され、コンセプト開発のために300万米ドルが授与されました。[ 8 ] [ 9 ]
2017年1月4日、サイキはディスカバリー計画14回目のミッションに選ばれ、2023年に打ち上げが予定されました。[ 10 ] 2017年5月、より効率的な軌道を目指して打ち上げ日が前倒しされ、2022年7月にSpaceXのファルコンヘビーロケットで打ち上げられ、2023年5月23日の火星重力アシストの後、2026年1月31日に到着することになりました。 [ 11 ]
2022年6月、NASAは、プシュケ探査機の試験装置と誘導・航法・制御（GNC）飛行ソフトウェアの納入が遅れたため、必要な試験を完了するのに十分な時間がないことを発見し、打ち上げを延期することを決定した。2023年と2024年には、それぞれ2029年と2030年に小惑星とランデブーするための将来の機会が利用可能である。[ 12 ] [ 13 ]
2022年10月28日、NASAはプシケの打ち上げ期間の開始を2023年10月10日とし、2029年8月に小惑星に到着する予定であると発表した。 [ 1 ]
2022年11月に報告されたJPLの遅延に関する独立調査では、人員不足、計画の不備、エンジニア間および経営陣とのコミュニケーションの問題が判明した。VERITAS金星探査ミッションは、スタッフがプシュケに集中できるようにするために延期された。[ 14 ]
2023年4月18日、JPLのPsycheミッションページが更新され、新たな打ち上げ日が2023年10月5日と記載されました。[ 15 ] 2023年9月28日、宇宙船の特定されていない問題のため、打ち上げは再び延期され、2023年10月12日以降となりました。[ 16 ]悪天候によるさらなる延期の後、Psycheは2023年10月13日に打ち上げに成功しました。[ 17 ]
2024年5月のアップデートでは、宇宙船は良好な状態であり、計画されたスケジュール通りにミッションを完了する見込みであり、キセノンスラスタの噴射も開始されると報告された。[ 18 ]
2025年4月、プシュケはキセノン推進システムの圧力が予期せず低下する事態に見舞われた。問題の調査中、探査機は推力を一時停止し、システムエンジニアは探査機の推力動作を継続するために、探査機のバックアップ冗長燃料ラインの使用を検討した。[ 19 ] 5月にバックアップ燃料ラインに切り替えた後、2025年6月16日にスラスタの全動作が再開された。[ 20 ]
2026年5月15日、プシュケは、太陽の周りの軌道傾斜角を調整する重力アシスト操作の一環として、火星のフライバイに成功しました。これにより、探査機とその軌道が小惑星プシュケの軌道面に一致するようになりました。探査機は火星の表面からわずか4,500 km (2,800マイル)の距離まで接近しました。 [ 21 ]探査機は、マルチスペクトルイメージャー装置を使用して火星を撮影しました。プシュケは高い位相角で火星に接近したため、接近フライバイの前には、火星の表面から反射された太陽光によって照らされた細い三日月形に見えました。探査機のマルチスペクトルカメラで撮影された画像では、火星の塵の多い大気によって太陽光が強く散乱されたため、三日月形が予想よりも明るく、火星の周囲に広がっているように見えました。[ 22 ]
16 プシケは、平均直径が220 キロメートル (140マイル)で、既知のM 型小惑星の中で最も重いものであり、原始惑星の露出した鉄の核である可能性があり、[ 23 ]マントルと地殻を剥ぎ取った別の天体との激しい衝突の残骸である。
最近の研究では、それは「金属とケイ酸塩が混在する世界」であることが示されています。[ 24 ]別の研究では、それは原始惑星の金属核か、「レゴリス組成を持つ分化した世界...局所的に高濃度の金属領域が点在している」かのどちらかであると考えられています。[ 25 ]地球からの小惑星のレーダー観測では、鉄ニッケル組成であることが示されています。[ 26 ]
プシュケの歴史的な小惑星シンボルである蝶の羽の上に星（
）が、ミッションの記章に影響を与えた可能性がある。[ 27 ]
プシュケ宇宙船は太陽光発電推進で設計されており、[ 28 ] [ 29 ]科学ペイロードにはマルチスペクトルイメージャー、磁力計、ガンマ線スペクトロメータが含まれています。[ 29 ] [ 30 ]
このミッションは21ヶ月間の科学調査を行うように設計されている。宇宙船はNASAジェット推進研究所（JPL）がSSL（旧スペースシステムズ/ローラル）およびアリゾナ州立大学と共同で製造した。[ 1 ] [ 31 ]
ロケットの打ち上げは、太陽系で3番目に大きい小惑星2パラスを一度だけフライバイするアテナという別のミッションと共有される可能性があると提案された。[ 32 ]
2020年5月、ファルコンヘビーに搭載されるサイキには、火星の大気と二重小惑星を研究するための小型衛星の副ペイロードが2つ含まれており、それぞれEscaPADE（Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers）とJanusと名付けられると発表された[ 11 ]が、 2020年9月には、火星大気探査機EscaPADEは計画から削除された[ 33 ] 。
ヤヌスはその後、プシュケの新たな打ち上げ期間の結果、科学的要件を満たすために必要な軌道に乗らないと評価されたため、2022年11月18日にプシュケミッションからも外された。 [ 34 ]
分化は多くの小惑星やすべての地球型惑星の形成における基本的なプロセスであり、核を直接探査することでこのプロセスの理解を大幅に深めることができる。プシュケ探査ミッションは、小惑星16プシュケの地質、形状、元素組成、磁場、質量分布を明らかにすることを目的としている。このミッションによって、惑星の形成と内部構造に関する理解が深まることが期待される。
具体的には、このミッションの科学目標は次のとおりです。[ 36 ]
このミッションが取り組む科学的疑問は次のとおりです。[ 23 ] [ 36 ]
Psycheに搭載されたペイロードは以下のとおりです。
この宇宙船は、スペースシステムズ/ロラル（SSL）1300バスプラットフォームを使用しています。[ 37 ] JPLは、コマンドおよびデータ処理、通信サブシステム、およびすべての飛行ソフトウェアを追加しました。[ 37 ]
この宇宙船はイオン推進を使用しています。4基のSPT-140エンジンを搭載しており、これは太陽光発電推進を使用するホール効果スラスタで、太陽電池パネルで生成された電力が化学動力ではなく電気動力のロケットエンジンに伝達されます。[ 28 ] [ 41 ] [ 42 ]スラスタの定格出力は4.5kWですが、[ 43 ]約900ワットで長時間動作することもできます。[ 41 ]サイキは、ホール効果スラスタを使用する最初の惑星間ミッションですが、一般的に電気スラスタを使用する最初のミッションではありません。[ 37 ]
SPT-140（SPTはStationary Plasma Thrusterの略）は、 1980年代後半からソ連のOKB Fakelによって発明され、NASAのグレン研究センター、スペースシステムズ/ローラル、プラット・アンド・ホイットニーによって開発された量産型商用推進システムです[3 ]。[ 44 ] [ 45 ] SPT-140スラスタは、1997年に米国プラズマダイナミクス・電気推進研究所で初めて試験され[ 46 ]、その後 2002年には空軍統合高効率ロケット推進技術プログラムの一環として3.5kWユニットとして試験されました[ 43 ] [ 3 ] 。
太陽光発電スラスタを使用することで、宇宙船は16プシケ（地球から3.3天文単位の位置）に従来型の化学推進を使用した場合よりもはるかに速く到達でき、必要な推進剤の10%未満しか消費しない。[ 47 ]
電力は、両側に5枚のパネルが配置されたX字型のソーラーパネルによって発電される。ミッションが新たな軌道で進められる前は、パネルは直線状に配置され、宇宙船の両側に4枚のパネルのみが設置される予定だった。[ 48 ]
この宇宙船は、深宇宙光通信(DSOC)と呼ばれる実験的なレーザー通信技術をテストしています。 [ 51 ]この装置により、宇宙船の通信性能と効率が従来の方法に比べて 10 倍から 100 倍向上することが期待されています。[ 51 ] [ 52 ] DSOC 実験は、NASA による地球・月系を超えた光通信の最初の実証です。DSOC は、飛行用レーザー送受信機、地上レーザー送信機、地上レーザー受信機で構成されるシステムです。これらの各要素に新しい技術が実装されています。送受信機はPsyche宇宙船に搭載されています。DSOC 技術の実証は打ち上げ直後に始まり、宇宙船が地球から 2026 年の火星の重力アシストフライバイまで移動する間も継続されました。DSOC は、火星の軌道を超えた距離から毎秒最大 2 メガビットのデータを送信することでその能力を示しました。[ 53 ] DSOCの運用は打ち上げ後1年間継続され、2025年にはミッション延長の機会があった。パロマー天文台のヘール望遠鏡は、 DSOC飛行トランシーバーからの高速データダウンリンクを受信した。[ 54 ] [ 55 ]
ディスカバリー計画の公募では、ミッションプロジェクトが約75ワットを必要とする25キログラム（55ポンド）のDSOCユニットをホストしてテストする場合、追加で3,000万ドルが提供されるとされていた。 [ 56 ] DSOCを技術成熟度レベル6に進めることが期待されている。 [ 55 ]レーザー機器のテストは、外向きの探査機で0.2～2.7天文単位（AU）の距離で行われた。 [ 57 ]システムの最初のテストが成功したのは2023年12月11日で、従業員の猫がレーザーポインターで遊んでいる猫のビデオが3,100万キロメートルの距離から地球にストリーミングされた。ビデオ信号は、システムの最大ビットレートである毎秒267メガビット（Mbps）で送信され、地球に到達するまでに101秒かかった。 12月4日の夜、このプロジェクトは、ブロードバンドインターネットのダウンロード速度に匹敵する62.5 Mbit/s、100 Mbit/s、および267 Mbit/sのダウンリンクビットレートを実証しました。チームはその間に合計1.3テラビットのデータをダウンロードすることができました。比較として、NASAの金星探査機マゼランは、1990年から1994年までのミッション全体で1.2テラビットのダウンリンクを行いました。[ 49 ] 2024年4月8日のテスト中、宇宙船は1.5 AUの距離で最大25 Mbit/sの速度でデータを送信しました。これは、2億2600万キロメートル（1.51 AU） の距離で少なくとも1 Mbit/sが可能であることを証明するというプロジェクトの目標をはるかに上回りました。[ 58 ]
初期結果と今後の計画は2025年初頭に発表された。ダウンリンクは最大2.7 AUまで実証され、速度は距離に依存するが6.25 Mbit/秒を超える。アップリンクは0.2～3.3 AUの距離で1.8 kbit/秒の固定速度で実証された。[ 57 ]
DSOC飛行用レーザー送受信機は、地上システムに高速データを送信するための近赤外線レーザー送信機と、地上から送信されたレーザーを受信するための高感度光子計数カメラを備えています。送受信機の8.6インチ（22センチメートル）口径望遠鏡は、宇宙船の振動から光学系を安定させる支柱とアクチュエータのアセンブリに取り付けられています。飛行用ハードウェアにはサンシェードが取り付けられ、宇宙船の側面から突き出ているため、プシュケの容易に識別できる特徴の1つとなっています。[ 54 ]
カリフォルニア州ライトウッド近郊のJPLテーブルマウンテン施設にある高出力近赤外線レーザー送信機は、変調されたレーザービームを飛行トランシーバーに送信することでアップリンクとして機能し、低レートデータの送信を実証します。アップリンクレーザーは、飛行トランシーバーがロックオンするためのビーコンとしても機能します。サイキのDSOCトランシーバーから送り返されたダウンリンクデータは、カリフォルニア州サンディエゴ郡のカリフォルニア工科大学パロマー天文台にある200インチ（5.1メートル）ヘール望遠鏡によって、高レートデータ転送を実証するために、高感度超伝導ナノワイヤ光子計数受信機を使用して収集されます。[ 54 ]
JPLはNASAディープスペースネットワークの既存のRFアンテナの一部にミラーを追加する実験も行っています。これにより、宇宙船との無線通信と光通信を同時に行うことができます。これらの実験用アンテナは、プシケからの光ダウンリンク信号を受信することに成功しました。[ 59 ]
サイキの打ち上げ期間は2023年10月5日に始まり、10月25日まで毎日瞬時に打ち上げ可能でした。 [ 60 ] 9月28日、NASAは宇宙船のスラスタに問題が見つかったため、打ち上げが1週間遅れ、打ち上げ日が10月5日から10月12日に変更されると発表しました。[ 61 ]悪天候のため、打ち上げはさらに1日遅れて10月13日になりました。[ 62 ]
サイキは2023年10月13日14時19分（UTC）に、ケネディ宇宙センターの39A発射台からファルコンヘビーロケットで打ち上げられた。[ 63 ] [ 17 ] [ 5 ]これはファルコンヘビーの8回目の打ち上げであり、NASAにとっては初めての打ち上げだった。このミッションで使用された2つのサイドブースターは4回目の飛行で、打ち上げから数分後にケープカナベラルに帰還し、2024年のエウロパクリッパーの打ち上げを含む将来の飛行で再利用される予定である。ロケットのコアステージは消費された。サイキ宇宙船は打ち上げから約1時間後にロケットの上段から分離された。[ 6 ] [ 64 ]分離直後に宇宙船からの搬送波信号が地上管制官に受信され、太陽電池アレイ展開前の宇宙船の状態に関する情報が提供された。[ 65 ]宇宙船との完全な通信はUTC午前15時50分に確立された。その後、宇宙船は100日間の運用開始段階に入り、その間にすべてのシステムと機器のテストと校正が行われた。[ 63 ]
打ち上げ費用は1億1700万米ドルだった。[ 7 ]
2026年5月15日、プシュケは火星で重力アシストマヌーバを成功させ、火星表面から4,609 km (2,864マイル)の距離を通過し、2029年8月に16プシュケに到着する位置に移動した。 [ 1 ]フライバイにより、探査機の軌道面は太陽に対して約1度ずれた。フライバイ中、プシュケ搭載機器の電源がオンになり校正が行われ、高位相角から火星の画像を撮影した。[ 66 ]
接近シーケンスは2029年5月に開始され、小惑星16プシケの最初の航行画像と測定が行われます。この時点では、小惑星の幅はわずか数ピクセルです。その後、探査機は電気推進システムを使用して、小惑星の重力に捕らわれる位置に移動します。これは2029年7月下旬に起こると予想されています。この時点で、小惑星16プシケの最初の近接画像が撮影され、小惑星の幅は約500ピクセルになります。次の20日間で、探査機は4つの科学軌道のうち最初の軌道に入るように操縦されます。[ 60 ]
プシュケは2029年8月に16プシュケの周回軌道に入る予定です。[ 1 ]探査機は小惑星の周回軌道を4つの異なる高度で周回し、高度はアルファベット順で最高(A)から最低(D)まで付けられます。当初のミッション計画では、探査機は最高から最低へと順番に軌道を進む予定でした。[ 37 ] 2022年の打ち上げ延期後、ミッション計画は2029年の新たな到着日を反映するように更新され、探査機は太陽の周回軌道上の異なる地点で小惑星に到着することになりました。新しいミッション計画では、プシュケは最初に軌道Aに入り、次に軌道B1、次に軌道Dに降下し、軌道Cに戻り、最後に軌道B2(軌道Bの2番目の部分)に移動します。この再設計により、軌道Bの間、小惑星の表面が太陽によって正しく照らされることが保証されます。[ 67 ] [ 68 ]
最初の軌道である軌道Aでは、探査機は高度700km （430マイル）の軌道に入り、56日間かけて磁場特性の調査と予備的なマッピングを行います。その後、高度303km （188マイル）の軌道Bに降下し、92日間かけて地形と磁場特性の調査を行います。続いて、最も低い高度75km （47マイル）の軌道Dに降下します。この軌道は、小惑星の赤道面を直接観測できるような独特の傾斜角（極を周回する他の軌道と比較して）を持ち、100日間かけてガンマ線および中性子分光計を用いて表面の化学組成を決定します。その後、高度190km （120マイル）の軌道Cに上昇し、100日間かけて重力調査と磁場観測を継続します。最後に、探査機は100日間オービットBに戻り、オービットBの最初の部分で暗闇に覆われていた小惑星表面の部分のマッピングを完了します。また、継続的な画像撮影、重力および磁場マッピングも行います。メインミッションは合計で26か月続き、2031年11月に終了する予定です。ミッション終了後、探査機は小惑星の周回軌道上に残されます。[ 68 ] [ 60 ] [ 37 ] [ 69 ]
宇宙船からのレーザービームは、カリフォルニア州パロマー天文台の地上望遠鏡で受信される。[ 55 ]宇宙船へのレーザービームは、JPLテーブルマウンテン施設の小型望遠鏡から送信される。[ 55 ]
宇宙船の試験は2021年12月に開始されました。これらの試験には、電磁試験やTVAC（熱真空チャンバー試験）などが含まれますが、これらに限定されません。電磁試験は、ミッション遂行中に宇宙船を構成する電子機器や磁気部品が互いに干渉しないことを確認するために実施されました。TVAC試験は、南カリフォルニアにあるJPLの施設内の85フィート×25フィートの真空チャンバー内で実施されました。このチャンバーは、宇宙空間の空気のなさを再現しています。これにより、エンジニアや科学者は、宇宙環境がオービターに及ぼす影響を観察することができます。TVAC内では、JPLの職員は、宇宙船が過酷な条件にどれだけうまく対応できるかを観察できます。宇宙船の周囲に空気がないため、ユニットの加熱と冷却に影響が出ます。宇宙船は、打ち上げ後数時間は地球に近く太陽に面しているため、特に電子機器が稼働している場合は高温になります。その後、宇宙船が太陽から遠ざかると、特に16プシケの影の中を飛行しているときは、極度の低温にさらされます。科学者と技術者による宇宙船の振動試験により、ロケット打ち上げの極限状態に耐えられることが保証されます。また、ロケットの第2段からの分離時の衝撃に耐えられることを確認するために衝撃試験も実施されました。最後に、宇宙船の音響試験も実施されました。打ち上げ時の音は非常に激しく、ハードウェアに損傷を与える可能性があるため、ミッションの成功を確実にするために徹底的な音響試験が実施されました。[ 70 ]
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