ב-1985 נבחרה מוקאי כאחת משלושת המועמדים היפנים למומחה לנטען שימושי לבדיקת עיבוד החומר הראשונה (Spacelab-J) שטסה על סיפון STS-47. היא שימשה גם כמומחית לנטען שימושי גיבוי למשימה Neurolab (STS-90). מוקאי שמרה מעל 566 שעות בחלל. היא טסה על סיפון STS-65 ב-1994 ו- STS-95 ב-1998. היא האישה היפנית הראשונה שטסה בחלל, והאזרחית היפנית הראשונה שטסה פעמיים. כאסטרונאוטת נאסדה, היא הייתה מדען אורח בחטיבת הפיזיולוגיה הקרדיווסקולרית, במכון המחקר הביו-רפואי בחלל של נאסדה, מרכז החלל ג'ונסון, טקסס, משנת 1987 עד 1988. מוקאי נותרה מדריך מחקר במחלחת כירורגיה, מכללת רפואה ביי, יוסטון, מאז אוקטובר 1992. מ-1998 היא הייתה פרופסור אורח במעב"ח
יפנית