Am Dienstag, dem 1. August, startete ein großes Hardware-Update für das Cold Atom Lab der NASA an Bord einer Northrop Grumman Cygnus-Nachschubraumsonde auf dem Weg zur Internationalen Raumstation. Das Labor hat etwa die Größe eines kleinen Kühlschranks und wird manchmal als der kühlste Ort im bekannten Universum bezeichnet, da es Atome auf nahezu den absoluten Nullpunkt abkühlen kann. Es ermöglicht Dutzenden von Wissenschaftlern auf der Erde, Experimente in der Quantenwissenschaft durchzuführen, die das grundlegende Verhalten von Atomen und Teilchen untersuchen, aus denen die Welt um uns herum besteht.
Der Bereich der Quantenwissenschaft hat zur Entwicklung alltäglicher Technologien wie Laser, Transistoren (eine Schlüsselkomponente in Smartphones und Computern), GPS-Satelliten und medizinischen Geräten geführt. Zukünftige Fortschritte auf diesem Gebiet versprechen eine Verbesserung der weltraumgestützten Navigation und Kommunikation.
Das 2018 installierte Cold Atom Lab ist die erste Einrichtung dieser Art, und das Missionsteam hat eine steile Lernkurve durchlaufen, als es herausfand, wie man in der schwerelosen Umgebung der Station aus der Ferne Experimente durchführen kann, die auf der Erde entwickelt wurden. Die neue Hardware – die das Team Quantum Observer Module nennt – beinhaltet einige der Erkenntnisse aus den fünf Betriebsjahren von Cold Atom Lab.
„Die Experimente, die wir im Cold Atom Lab durchführen, werden es uns eines Tages ermöglichen, die Schwerkraft mit beispielloser Präzision zu messen, und das ist ein äußerst wertvolles Werkzeug im Weltraum“, sagte Jason Williams, Projektwissenschaftler des Cold Atom Lab am Jet Propulsion Laboratory der NASA. die die Einrichtung für die NASA verwaltet.
Eine Möglichkeit, die Dichteverteilung eines Planeten oder Mondes zu bestimmen, besteht darin, Änderungen der Schwerkraft auf der Oberfläche zu messen, sodass Wissenschaftler die Zusammensetzung verschiedener Welten aus der Umlaufbahn untersuchen oder die Bewegung von Wasser auf der Erde verfolgen können. Durch die Messung der Schwerkraft können Wissenschaftler auch die Beschleunigung eines Raumfahrzeugs messen, was für die präzise Weltraumnavigation genutzt werden könnte.
Darüber hinaus könnten Quantensensoren in weltraumgestützten Missionen zur Erforschung kosmologischer Geheimnisse wie Dunkler Materie und Dunkler Energie eingesetzt werden. Dunkle Materie ist ein unsichtbares Material, das Materie im gesamten Universum zusammenzieht, während dunkle Energie ein noch mysteriöseres Phänomen ist, das die Expansion des Universums beschleunigt.
Obwohl das Cold Atom Lab keine Astronauten zur Unterstützung seines täglichen Betriebs benötigt, wird ein Besatzungsmitglied diesen Herbst das Quantum Observer Module installieren. Astronauten haben frühere Upgrades und Reparaturen am Labor unterstützt.
Kern der Sache
Atome und Teilchen sind die Bausteine aller bekannten Materie im Universum, aber sie verhalten sich nicht immer wie die größeren Objekte, aus denen sie bestehen. Ihre Quantennatur bedeutet, dass sie zwischen dem Verhalten fester Objekte und dem Verhalten wie Wellen schwanken können, sodass sie manchmal den Eindruck erwecken, an zwei Orten gleichzeitig zu sein. Sie können auch sofort physikalische Barrieren überwinden, ein Phänomen, das Quantentunneln genannt wird.
Das Cold Atom Lab erleichtert die Untersuchung des Quantenverhaltens von Atomen. Eine Möglichkeit besteht darin, Atome auf kleine Bruchteile eines Grads über die niedrigste Temperatur abzukühlen, die Materie erreichen kann, den absoluten Nullpunkt. Dadurch bewegen sich die Atome langsamer, was ihre Untersuchung erleichtert. Darüber hinaus können einige Atome bei dieser Temperatur gemeinsam ein Bose-Einstein-Kondensat bilden, einen Materiezustand, in dem ihr Quantenverhalten, das typischerweise mikroskopisch ist, auf makroskopischer Ebene beobachtet werden kann.
Wissenschaftler führen seit Jahrzehnten Kaltatomexperimente am Boden durch, doch auf der Erde fallen in Vakuumkammern untersuchte Atome aufgrund der Schwerkraft schnell zu Boden. Im Cold Atom Lab schweben Atome längere Zeit schwerelos, sodass Wissenschaftler mehr Zeit haben, sie zu manipulieren und zu untersuchen, wie sie sich verhalten und entwickeln. Forscher können die ultrakalten Atome auch in Blasen und andere einzigartige Formen manipulieren, die auf der Erde unmöglich zu bilden sind. Dies zeigt, wie unterschiedliche Geometrien das Verhalten von Quantenmaterialien beeinflussen.
Quantensprung
Durch die Aufrüstung des Cold Atom Lab werden für jedes Experiment innerhalb der Anlage zwei- bis dreimal mehr Atome produziert. „Das ist vergleichbar mit einem Upgrade auf ein Teleskop mit höherer Auflösung“, sagte Williams. „Mit mehr Atomen können Wissenschaftler bei jedem Experiment mehr Daten sammeln und auch die Vielfalt ihrer Experimente erweitern.“
Wissenschaftler werden differenziertere Einblicke in das Verhalten der ultrakalten Atome erhalten, einschließlich ihrer physikalischen Dynamik während ihrer Entwicklung und ihrer Wechselwirkungen untereinander. Und da sich Atomwolken auf natürliche Weise abkühlen, wenn sie sich ausdehnen, bedeutet mehr Atome auch, dass die Atome kältere Temperaturen erreichen können, bevor sie sich vollständig auflösen.
„Wir hoffen, dass das Cold Atom Lab den Beginn einer Ära markiert, in der Quantenwerkzeuge regelmäßig im Weltraum eingesetzt werden“, sagte Kamal Oudrhiri, Projektmanager für Cold Atom Lab am JPL. „Dank Cold Atom Lab haben wir gezeigt, dass diese empfindlichen Quantenwerkzeuge zuverlässig und sogar im Weltraum aufrüstbar sind. Wir hoffen, dass Cold Atom Lab nur die erste von vielen kommenden Quanten-Weltraummissionen sein wird.“
Mehr Informationen:
Kaltes Atomlabor: coldatomlab.jpl.nasa.gov/