Natuurkundigen willen ultrakoude gassen in de ruimte gebruiken om het zwaartekrachtveld van de aarde te meten, Einsteins equivalentieprincipe aan een nauwkeurige test onderwerpen, en ook om zwaartekrachtsgolven te detecteren. De eerste vlucht in een sondeerraket maakte het nu mogelijk om de nodige technologieën en experimentele stappen te testen die nodig zijn voor dergelijke metingen. Daarbij, de groep genereerde een Bose-Einstein-condensaat en kon voor het eerst de eigenschappen ervan in de ruimte onderzoeken.

De onderzoeksraket MAIUS-1 werd gelanceerd vanaf het Esrange Space Center in Zweden voor een vlucht van 15 minuten om 3.30 uur CET op 23 januari 2017. De vlucht droeg de lading met het experiment voor het creëren van Bose-Einstein-condensaten van rubidium-atomen die zouden worden gebruikt voor het uitvoeren van nauwkeurige metingen tot een hoogte van 240 kilometer. Ultrakoude kwantumgassen kunnen worden gebruikt in omstandigheden zonder zwaartekracht als zeer nauwkeurige sensoren voor zwaartekracht, bijvoorbeeld, om te bepalen of objecten in hetzelfde zwaartekrachtsveld daadwerkelijk met dezelfde snelheid vallen als voorspeld door standaardtheorieën. Nul zwaartekracht maakt het mogelijk om Einsteins zogenaamde equivalentieprincipe veel nauwkeuriger te verifiëren dan op aarde mogelijk zou zijn. De vertegenwoordiger van Mainz in de onderzoeksgroep onder leiding van Leibniz Universität Hannover is professor Patrick Windpassinger van het Institute of Physics aan de Johannes Gutenberg University Mainz (JGU).

Tijdens de vlucht van 15 minuten genereerden de onderzoekers met een geautomatiseerd proces elke twee tot vier seconden een Bose-Einstein-condensaat uit rubidium-atomen. Een Bose-Einstein condensaat is een toestand van materie waarin de atomen een temperatuur hebben die zeer dicht bij het absolute nulpunt ligt en daarom met grote precisie kan worden gecontroleerd. Met laserpulsen brachten de onderzoekers het condensaat in een toestand van zogenaamde kwantummechanische superpositie. "Dit betekent dat de atomen zich tegelijkertijd op twee verschillende locaties bevinden, " verklaarde professor Patrick Windpassinger, een van de projectleiders van het Duitse nationale onderzoeksnetwerk. Deze toestand maakt het mogelijk om de krachten die op de atomen inwerken nauwkeurig te meten.

Zwaartekrachtexperimenten werken ook op aarde, zoals bij metingen in drop-torens. De observatietijden in gewichtloosheid, echter, zijn veel langer en de verkregen resultaten zijn daarom nauwkeuriger.

Het onderzoeksproject is het resultaat van meer dan tien jaar werk:"Vanuit technisch oogpunt, het is een van de meest uitgebreide experimenten ooit om in een raket omhoog te gaan, " zei Windpassinger. "Het experiment moest compact en robuust genoeg zijn om de trillingen tijdens de lancering te weerstaan, maar ook klein en licht genoeg om in de raket te passen."

Natuurkundigen uit Mainz bieden software-algoritme voor lasersysteem

Onderzoekers van de Universiteit van Mainz ontwikkelden speciaal voor de MAIUS-1-raket een speciaal software-algoritme dat hielp om het lasersysteem van het experiment correct te besturen. Ook het lasersysteem zelf moest uitgebreid worden ontwikkeld, getest, en gebouwd over vele jaren. Deze taak werd uitgevoerd met behulp van geminiaturiseerde diodelasers door een team van de Humboldt-Universität zu Berlin en het Ferdinand Braun Institute, Leibniz Instituut voor Hoogfrequente Technologie (FBH) in Berlijn, onder leiding van professor Achim Peters. Wetenschappers van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz ontwikkelden het bundeldistributie- en manipulatiesysteem in nauwe samenwerking met de groep onder leiding van professor Klaus Sengstock van de Universität Hamburg. Het systeem maakt gebruik van een speciaal glaskeramiek genaamd Zerodur, gemaakt door Schott AG, Mainz die zeer stabiel is met betrekking tot temperatuurveranderingen.

Na de ontwikkeling van hard- en software, er zijn nog steeds onvoorspelbare factoren die complicaties kunnen veroorzaken bij een onderneming als deze. "Als je pech hebt, kan de raketlancering keer op keer worden uitgesteld met een paar dagen of zelfs maanden - als gevolg van een technisch probleem, slecht weer, of omdat er een kudde rendieren in de buurt van de landingsplaats is, " zei Dr. André Wenzlawski, onderzoeksmedewerker in het team van professor Patrick Windpassinger die namens de universiteit van Mainz de lancering in Zweden bijwoonde. "We zijn dan ook heel blij dat het gelukt is." Echter, het is nog te vroeg voor sluitende uitspraken of resultaten. De komende jaren staan ​​er nog twee raketmissies en experimenten op het internationale ruimtestation ISS op het programma.

De MAIUS-1 onderzoeksraketmissie op grote hoogte werd uitgevoerd als een gezamenlijk project van de Leibniz Universität Hannover, de Universiteit van Bremen, Johannes Gutenberg-universiteit Mainz, Universität Hamburg, Humboldt-Universität zu Berlin, het Ferdinand Braun Instituut Berlijn, TU Darmstadt, Universiteit van Ulm, en het Duitse Lucht- en Ruimtevaartcentrum (DLR). De financiering van het project werd geregeld door DLR Space Mission Management en op basis van een resolutie van de Duitse Bondsdag werden fondsen verstrekt door het Duitse federale ministerie van Economische Zaken en Energie.