Deze zomer, een doos ter grootte van een ijskist zal naar het internationale ruimtestation vliegen, waar het de coolste plek in het universum zal creëren.

In die doos, lasers, een vacuümkamer en een elektromagnetisch "mes" zullen worden gebruikt om de energie van gasdeeltjes op te heffen, ze vertragen tot ze bijna onbeweeglijk zijn. Deze reeks instrumenten wordt het Cold Atom Laboratory (CAL) genoemd, en werd ontwikkeld door NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië. CAL is in de laatste fase van montage bij JPL, voor een rit naar de ruimte in augustus op SpaceX CRS-12.

Zijn instrumenten zijn ontworpen om gasatomen te bevriezen tot slechts een miljardste graad boven het absolute nulpunt. Dat is meer dan 100 miljoen keer kouder dan de diepten van de ruimte.

"Het bestuderen van deze hyperkoude atomen zou ons begrip van materie en de fundamentele aard van zwaartekracht kunnen hervormen, "Zei CAL-projectwetenschapper Robert Thompson van JPL. "De experimenten die we zullen doen met het Cold Atom Lab zullen ons inzicht geven in zwaartekracht en donkere energie - enkele van de meest doordringende krachten in het universum."

Wanneer atomen worden afgekoeld tot extreme temperaturen, aangezien ze binnen CAL zullen zijn, ze kunnen een afzonderlijke toestand van materie vormen die bekend staat als een Bose-Einstein-condensaat. In deze staat, bekende regels van de fysica verdwijnen en de kwantumfysica begint het over te nemen. Materie kan worden waargenomen en gedraagt ​​zich minder als deeltjes en meer als golven. Rijen atomen bewegen in harmonie met elkaar alsof ze op een bewegend weefsel rijden. Deze mysterieuze golfvormen zijn nog nooit gezien bij temperaturen zo laag als wat CAL zal bereiken.

NASA heeft nooit eerder Bose-Einstein-condensaten in de ruimte gecreëerd of waargenomen. Op aarde, de aantrekkingskracht van de zwaartekracht zorgt ervoor dat atomen voortdurend naar de grond zakken, wat betekent dat ze meestal slechts een fractie van een seconde waarneembaar zijn.

Maar op het internationale ruimtestation ultrakoude atomen kunnen hun golfachtige vorm langer vasthouden als ze in vrije val zijn. Dat biedt wetenschappers een langer venster om de natuurkunde op het meest basale niveau te begrijpen. Thompson schat dat CAL ervoor zorgt dat Bose-Einstein-condensaten maximaal vijf tot tien seconden waarneembaar zijn; toekomstige ontwikkeling van de technologieën die op CAL worden gebruikt, zou ervoor kunnen zorgen dat ze honderden seconden meegaan.

Bose-Einstein-condensaten zijn een "superfluïde" - een soort vloeistof zonder viscositeit, waar atomen zonder wrijving bewegen alsof ze allemaal één zijn, vaste stof.

"Als je supervloeibaar water had en het ronddraaide in een glas, het zou voor altijd draaien, " zei Anita Sengupta van JPL, Projectmanager Cold Atom Lab. "Er is geen viscositeit om het te vertragen en de kinetische energie te verdrijven. Als we de fysica van supervloeistoffen beter kunnen begrijpen, die kunnen we mogelijk leren gebruiken voor een efficiëntere overdracht van energie."

Vijf wetenschappelijke teams zijn van plan experimenten uit te voeren met het Cold Atom Lab. Onder hen is Eric Cornell van de Universiteit van Colorado, Boulder en het National Institute for Standards and Technology. Cornell is een van de Nobelprijswinnaars die in 1995 voor het eerst Bose-Einstein-condensaten maakte in een laboratoriumomgeving.

De resultaten van deze experimenten kunnen mogelijk leiden tot een aantal verbeterde technologieën, inclusief sensoren, kwantumcomputers en atoomklokken die worden gebruikt in de navigatie van ruimtevaartuigen.

Vooral spannend zijn toepassingen met betrekking tot detectie van donkere energie, zei Kamal Oudrhiri van JPL, de CAL plaatsvervangend projectleider. Hij merkte op dat de huidige modellen van kosmologie het universum verdelen in ongeveer 27 procent donkere materie, 68 procent donkere energie en ongeveer 5 procent gewone materie.

"Dit betekent dat zelfs met al onze huidige technologieën, we zijn nog steeds blind voor 95 procent van het universum, ' zei Oudrhiri. 'Als een nieuwe lens in Galileo's eerste telescoop, de ultragevoelige koude atomen in het Cold Atom Lab hebben het potentieel om vele mysteries te ontrafelen buiten de grenzen van de bekende fysica."

Het Cold Atom Lab ondergaat momenteel een testfase die het zal voorbereiden voor levering aan Cape Canaveral, Florida.

"De tests die we de komende maanden op de grond doen, zijn van cruciaal belang om ervoor te zorgen dat we het op afstand kunnen bedienen en afstemmen terwijl het in de ruimte is, en uiteindelijk jarenlang leren van dit rijke atoomfysica-systeem, " zei Dave Aveline, de testbed lead bij JPL.