Het International Space Station is officieel de thuisbasis van het coolste experiment in de ruimte.

NASA's Cold Atom Laboratory (CAL) werd eind mei geïnstalleerd in het Amerikaanse wetenschappelijke laboratorium van het station en produceert nu wolken van ultrakoude atomen die bekend staan ​​als Bose-Einstein-condensaten. Deze "BEC's" bereiken temperaturen net boven het absolute nulpunt, het punt waarop atomen theoretisch helemaal zouden moeten stoppen met bewegen. Dit is de eerste keer dat BEC's ooit in een baan om de aarde zijn geproduceerd.

CAL is een faciliteit voor meerdere gebruikers die zich toelegt op de studie van fundamentele natuurwetten met behulp van ultrakoude kwantumgassen in microzwaartekracht. Koude atomen hebben een lange levensduur, nauwkeurig gecontroleerde kwantumdeeltjes die een ideaal platform bieden voor de studie van kwantumverschijnselen en mogelijke toepassingen van kwantumtechnologieën. Deze NASA-faciliteit is de eerste in zijn soort in de ruimte. Het is ontworpen om het vermogen van wetenschappers om nauwkeurige metingen van de zwaartekracht te maken, te verbeteren. het onderzoeken van al lang bestaande problemen in de kwantumfysica (de studie van het universum op de allerkleinste schalen), en het verkennen van de golfachtige aard van materie.

"Een BEC-experiment op het ruimtestation laten werken is een droom die uitkomt, " zei Robert Thompson, CAL-projectwetenschapper en natuurkundige bij NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië. "Het is lang geleden, moeilijke weg om hier te komen, maar absoluut de strijd waard, want er is zoveel dat we met deze faciliteit kunnen doen."

CAL-wetenschappers hebben vorige week bevestigd dat de faciliteit BEC's heeft geproduceerd uit atomen van rubidium, met temperaturen zo laag als 100 nanoKelvin, of een tienmiljoenste van een Kelvin boven het absolute nulpunt. (Absolute nulpunt, of nul Kelvin, is gelijk aan min 459 graden Fahrenheit, of min 273 graden Celsius). Dat is kouder dan de gemiddelde temperatuur van de ruimte, dat is ongeveer 3 Kelvin (min 454 graden Fahrenheit/min 270 graden Celsius). Maar de CAL-wetenschappers hebben hun zinnen nog lager gezet, en verwachten temperaturen te bereiken die kouder zijn dan welke BEC-experimenten dan ook op aarde hebben bereikt.

Bij deze ultrakoude temperaturen de atomen in een BEC beginnen zich anders te gedragen dan al het andere op aarde. In feite, BEC's worden gekarakteriseerd als een vijfde toestand van materie, onderscheiden van gassen, vloeistoffen, vaste stoffen en plasma. In een BEC, atomen gedragen zich meer als golven dan als deeltjes. Het golfkarakter van atomen is meestal alleen waarneembaar op microscopisch kleine schaal, maar BEC's maken dit fenomeen macroscopisch, en dus veel gemakkelijker te studeren. De ultrakoude atomen nemen allemaal hun laagste energietoestand aan, en dezelfde golfidentiteit aannemen, niet meer van elkaar te onderscheiden zijn. Samen, de atoomwolken zijn als een enkel "superatoom, " in plaats van individuele atomen.

Geen eenvoudig instrument

"CAL is een uiterst gecompliceerd instrument, " zei Robert Shotwell, hoofdingenieur van het directoraat astronomie en natuurkunde van JPL, die sinds februari 2017 toezicht houdt op het uitdagende project. BEC-experimenten omvatten voldoende apparatuur om een ​​kamer te vullen en vereisen bijna constante monitoring door wetenschappers, terwijl CAL ongeveer zo groot is als een kleine koelkast en op afstand vanaf de aarde kan worden bediend. Het was een strijd en het vergde een aanzienlijke inspanning om alle hindernissen te overwinnen die nodig zijn om de geavanceerde faciliteit te produceren die vandaag in het ruimtestation werkt."

De eerste laboratorium-BEC's werden in 1995 geproduceerd, maar het fenomeen werd 71 jaar eerder voor het eerst voorspeld door natuurkundigen Satyendra Nath Bose en Albert Einstein. Eric Cornel, Carl Wienman en Wolfgang Ketterle kregen in 2001 de Nobelprijs voor de Natuurkunde omdat ze de eersten waren die BEC's in het laboratorium creëerden en karakteriseerden. Vijf wetenschappelijke groepen, waaronder groepen onder leiding van Cornell en Ketterle, gaat in het eerste jaar experimenteren met CAL. Sinds het midden van de jaren negentig zijn er honderden BEC-experimenten op aarde uitgevoerd, en een paar BEC-experimenten hebben zelfs korte reizen naar de ruimte gemaakt aan boord van sondeerraketten. Maar CAL is de eerste faciliteit in zijn soort op het ruimtestation, waar wetenschappers gedurende lange perioden dagelijks onderzoek naar BEC's kunnen uitvoeren.

BEC's worden gemaakt in atoomvallen, of wrijvingsloze containers gemaakt van magnetische velden of gerichte lasers. Op aarde, wanneer deze vallen worden gesloten, de zwaartekracht trekt aan de ultrakoude atomen en ze kunnen slechts fracties van een seconde worden bestudeerd. De aanhoudende microzwaartekracht van het ruimtestation stelt wetenschappers in staat om individuele BEC's vijf tot tien seconden per keer te observeren, met de mogelijkheid om deze metingen tot zes uur per dag te herhalen. Terwijl de atoomwolk decomprimeert in de atoomval, zijn temperatuur daalt natuurlijk, en hoe langer de wolk in de val blijft, hoe kouder het wordt. Dit natuurverschijnsel (dat een drukval ook een daling van de temperatuur betekent) is ook de reden dat een spuitbus verf koud wordt als de verf eruit wordt gespoten:de inwendige druk van de spuitbus daalt. In microzwaartekracht, de BEC's kunnen decomprimeren tot koudere temperaturen dan welk aardgebonden instrument dan ook. De dagelijkse operaties van CAL vereisen geen tussenkomst van de astronauten aan boord van het station.

Naast de BEC's gemaakt van rubidium-atomen, het CAL-team werkt aan het maken van BEC's met behulp van twee verschillende isotopen van kaliumatomen.

CAL bevindt zich momenteel in een inbedrijfstellingsfase, waarin het operationele team een ​​lange reeks tests uitvoert om volledig te begrijpen hoe de CAL-faciliteit werkt in microzwaartekracht.

"Er staat een wereldwijd team van wetenschappers klaar en enthousiast om deze faciliteit te gebruiken, " zei Kamal Oudrhiri, JPL's missiemanager voor CAL. "De uiteenlopende reeks experimenten die ze van plan zijn uit te voeren, betekent dat er veel technieken zijn voor het manipuleren en koelen van de atomen die we nodig hebben om ons aan te passen aan microzwaartekracht, voordat we het instrument overdragen aan de hoofdonderzoekers om met wetenschappelijke operaties te beginnen." De wetenschappelijke fase zal naar verwachting begin september beginnen en zal drie jaar duren.

Het Cold Atom Laboratory werd op 21 mei naar het ruimtestation gelanceerd. 2018, aan boord van een Northrop Grumman (voorheen Orbital ATK) Cygnus-ruimtevaartuig van NASA's Wallops Flight Facility in Virginia. Ontworpen en gebouwd bij JPL, CAL wordt gesponsord door het International Space Station Program in het Johnson Space Center van NASA in Houston, en de Space Life and Physical Sciences Research and Applications (SLPSRA) Division van NASA's Human Exploration and Operations Mission Directorate op het NASA-hoofdkwartier in Washington.