Wat is de koudste plek die je kunt bedenken? Temperaturen op een winterdag in Antarctica dalen tot -120ºF (-85ºC). Aan de donkere kant van de maan, ze raakten -280ºF (-173ºC). Maar in NASA's Cold Atom Laboratory op het internationale ruimtestation, wetenschappers creëren iets nog kouders.

Het Cold Atom Lab (CAL) is de eerste faciliteit in een baan om wolken van "ultrakoude" atomen, die een fractie van een graad boven het absolute nulpunt kan bereiken:-459ºF (-273ºC), de absoluut koudste temperatuur die materie kan bereiken. Van niets in de natuur is bekend dat het de temperaturen haalt die worden bereikt in laboratoria zoals CAL, wat betekent dat de baan om de aarde regelmatig de koudste bekende plek in het universum is.

NASA's Cold Atom Laboratory op het internationale ruimtestation is regelmatig de koudste bekende plek in het universum. Maar waarom produceren wetenschappers wolken van atomen die een fractie van een graad boven het absolute nulpunt liggen? En waarom moeten ze dat in de ruimte doen? Kwantumfysica, natuurlijk.

Zeven maanden na zijn 21 mei, 2018, lancering naar het ruimtestation van NASA's Wallops Flight Facility in Virginia, CAL produceert dagelijks ultrakoude atomen. Vijf teams van wetenschappers zullen tijdens het eerste jaar experimenten uitvoeren op CAL, en er lopen al drie experimenten.

Waarom atomen afkoelen tot zo'n extreem laag niveau? Atomen op kamertemperatuur ritselen meestal rond als hyperactieve kolibries, maar ultrakoude atomen bewegen veel langzamer dan zelfs een slak. Bijzonderheden variëren, maar ultrakoude atomen kunnen meer dan 200 zijn, 000 keer langzamer dan atomen op kamertemperatuur. Dit opent nieuwe manieren om atomen te bestuderen, evenals nieuwe manieren om ze te gebruiken voor onderzoek naar andere fysieke verschijnselen. Het primaire wetenschappelijke doel van CAL is om fundamenteel natuurkundig onderzoek uit te voeren - om te proberen de werking van de natuur op de meest fundamentele niveaus te begrijpen.

"Met CAL beginnen we een echt grondig begrip te krijgen van hoe de atomen zich gedragen in microzwaartekracht, hoe ze te manipuleren, hoe het systeem anders is dan het systeem dat we op aarde gebruiken, " zei Rob Thompson, een koude atoomfysicus bij NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië, en de missiewetenschapper voor CAL. "Dit is allemaal kennis die een basis zal leggen voor wat naar ik hoop een lange toekomst is van koude atoomwetenschap in de ruimte."

Laboratoria op aarde kunnen ultrakoude atomen produceren, maar op de grond zwaartekracht trekt aan de gekoelde atoomwolken en ze vallen snel, wetenschappers slechts fracties van een seconde geven om ze te observeren. Magnetische velden kunnen worden gebruikt om de atomen te 'vangen' en stil te houden, maar dat beperkt hun natuurlijke beweging. In microzwaartekracht, de koude atoomwolken drijven veel langer, wetenschappers een uitgebreid beeld geven van hun gedrag.

Het proces om de koude atoomwolken te creëren begint met lasers die de temperatuur beginnen te verlagen door de atomen te vertragen. Radiogolven snijden de warmste leden van de groep weg, de gemiddelde temperatuur verder verlagen. Eindelijk, de atomen worden losgelaten uit een magnetische val en mogen uitzetten. Dit veroorzaakt een drukdaling die, beurtelings, veroorzaakt natuurlijk weer een daling van de temperatuur van de wolk (hetzelfde fenomeen dat ervoor zorgt dat een blikje perslucht na gebruik koud aanvoelt). In de ruimte, de wolk heeft meer tijd om uit te zetten en dus nog lagere temperaturen te bereiken dan op aarde kan worden bereikt - tot ongeveer een tien miljardste graad boven het absolute nulpunt, misschien nog lager.

Ultrakoude atoomfaciliteiten op aarde beslaan doorgaans een hele kamer, en in de meeste, de hardware wordt blootgesteld, zodat wetenschappers het apparaat indien nodig kunnen aanpassen. Het bouwen van een koud-atoomlaboratorium voor de ruimte bracht verschillende ontwerpuitdagingen met zich mee, waarvan sommige de fundamentele aard van deze faciliteiten veranderen. Eerst, er was de kwestie van de grootte:CAL vloog in twee stukken naar het station - een metalen doos die iets groter was dan een minikoelkast en een tweede die ongeveer zo groot was als een handbagage. Tweede, CAL is ontworpen om op afstand vanaf de aarde te worden bediend, dus het werd gebouwd als een volledig gesloten faciliteit.

CAL beschikt ook over een aantal technologieën die nog nooit eerder in de ruimte zijn gevlogen, zoals gespecialiseerde vacuümcellen die de atomen bevatten, die zo strak afgesloten moeten worden dat er bijna geen verdwaalde atomen naar binnen kunnen lekken. Het lab moest bestand zijn tegen het schudden van de lancering en de extreme krachten die tijdens de vlucht naar het ruimtestation werden ervaren. Het kostte de teams enkele jaren om unieke hardware te ontwikkelen die kon voldoen aan de precieze behoeften aan koelatomen in de ruimte.

"Verschillende delen van het systeem moesten opnieuw worden ontworpen, en sommige onderdelen braken op manieren die we nog nooit eerder hadden gezien, " zei Robert Shotwell, hoofdingenieur voor JPL's Astronomy, Directie Natuurkunde en Ruimtetechnologie en CAL-projectmanager. "De faciliteit moest drie keer volledig worden afgebroken en weer in elkaar worden gezet."

Al het harde werk en het oplossen van problemen sinds de start van de missie in 2012 heeft de visie van het CAL-team afgelopen mei werkelijkheid gemaakt. CAL-teamleden spraken via live video met astronauten Ricky Arnold en Drew Feustel aan boord van het International Space Station voor de installatie van het Cold Atom Laboratory, de tweede ultrakoude atoomfaciliteit ooit in de ruimte, de eerste die de baan om de aarde bereikte en de eerste die langer dan een paar minuten in de ruimte bleef. Onderweg, CAL heeft ook voldaan aan de minimumvereisten die NASA heeft gesteld om de missie als een succes te beschouwen en biedt een uniek hulpmiddel om de mysteries van de natuur te onderzoeken.