Die Internationale Raumstation hat kürzlich das modernisierte NASA Cold Atom Lab in Betrieb genommen. Diese orbitale Quantenexperimentplattform nutzt eine Mikrogravitationsumgebung, um Atome auf nahezu den absoluten Nullpunkt abzukühlen. Es wird verwendet, um einen besonderen Aggregatzustand namens Bose-Einstein-Kondensat (BEC) zu untersuchen und den Grundstein für eine neue Generation der Quantentechnologie zu legen. Durch dieses Upgrade werden wissenschaftliche Forscher eine Reihe von Quantenexperimenten auf der Raumstation durchführen, die in Bodenlabors kaum durchzuführen sind.
Das Cold Atom Laboratory wurde vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) in den Vereinigten Staaten entwickelt. Es ähnelt im Aussehen einem kleinen Kühlschrank. Es ist in der Kabine der Raumstation installiert und wird vom Bodenteam ferngesteuert. Unter den Mikrogravitationsbedingungen der Raumstation kann das Labor ultrakalte Atomgase bei niedrigeren Temperaturen und längeren Entwicklungszeiten erzeugen und beobachten, sodass atomare Materialien eine offensichtliche Flüchtigkeit aufweisen, an mehreren Orten „koexistieren“ und unter bestimmten Bedingungen und anderen Quantenverhaltensweisen sogar einander „durchdringen“ können. Wenn die Temperatur unter minus 459 Grad Fahrenheit (etwa minus 237 Grad Celsius) und nahe dem absoluten Nullpunkt liegt, bildet die Atomwolke einen BEC, der nach Feststoff, Flüssigkeit, Gas und Plasma zum „fünften Zustand“ wird. Das Ganze folgt noch immer den eigentümlichen Gesetzen der Quantenmechanik.
Jedes Experiment beginnt mit Metall Rubidium oder Kalium: Forscher erhitzen einen Metallstreifen auf etwa 750 Grad Fahrenheit (etwa 400 Grad Celsius), wodurch in einer Vakuumkammer ein atomarer Dampf entsteht. Dann wird ein auf eine bestimmte Frequenz abgestimmter Laserstrahl in den Dampf abgefeuert, der den Atomen durch „Laserkühlung“ kontinuierlich kinetische Energie entzieht, wodurch ihre Geschwindigkeit und Temperatur rapide sinken. Nachdem die Laserkühlung abgeschlossen ist, übernimmt die Magnetfeldfalle die Aufgabe, hält die Atome weiter fest und kühlt sie weiter ab, wodurch schließlich eine nahezu stationäre Wolke aus ultrakalten Atomen entsteht. In einer Mikrogravitationsumgebung können sich solche „Materiewellen“ größer ausdehnen und länger schweben. Forscher können außerdem ein größeres Beobachtungsfenster für die präzise Messung physikalischer Größen wie Zeit, Schwerkraft und Bewegung erhalten.
Jason Williams, Projektwissenschaftler am Jet Propulsion Laboratory, wies darauf hin, dass sich Materie bei niedrigsten Temperaturen ganz anders verhält als wir es im Alltag erleben, wobei Schwankungen vorherrschen und ultrakalte Materie in der Lage ist, sich auf unerwartete Weise zu entwickeln und gleichzeitig äußerst präzise Messbedingungen bereitzustellen. Das modernisierte Kaltatomlabor ist mit umfangreicheren Manipulationswerkzeugen ausgestattet, die es dem Forschungsteam ermöglichen, die Grundgesetze des Universums eingehender zu erforschen. Derzeit unterstützt die Einrichtung fünf Forschungsteams aus mehreren Ländern bei der Durchführung physikalischer Grundlagenforschung. Es gilt auch als Testplattform für zukünftige Weltraumquantentechnologie, ausgerichtet auf geowissenschaftliche Missionen und Anwendungen zur Erforschung des Weltraums.
Das neueste verbesserte Modul wurde am 11. April dieses Jahres im Rahmen eines kommerziellen Versorgungsfluges zur Raumstation geliefert. Das Herzstück ist ein neu gestaltetes Wissenschaftsmodul und die Aktualisierung wichtiger Komponenten. Unter anderem kann die neue Magnetfallenstruktur die Form von Quantengaswolken in einem größeren Bereich verändern und Wissenschaftlern dabei helfen, die Eigenschaftsänderungen von Atomen unter verschiedenen geometrischen Einschränkungen zu untersuchen. Gleichzeitig stellen die verbesserten Metallstreifen eine stabilere und bessere Atomquelle für die Herstellung von Atomdämpfen dar. Projektmanager Kamal Udrili sagte, dass diese Verbesserungen die Fähigkeit des Menschen, die „Grenze der Quantenwelt“ zu kontrollieren, weiter fördern und die Reichweite extrem niedriger Temperaturen und den Bereich kontrollierbarer Quantenzustände erneut erweitern.
Das Kaltatomlabor ist auch die erste Plattform, auf der Menschen regelmäßig Bose-Einstein-Kondensate im Erdorbit herstellen können. Es gilt als wichtiger Nachweis „des zuverlässigen Funktionierens der Quantentechnologie im Weltraum“. Der stellvertretende Projektwissenschaftler Ethan Elliott wies darauf hin, dass die „Quantenrevolution“ des letzten Jahrhunderts Laser, Mobiltelefone, Magnetresonanztomographie und andere Technologien hervorgebracht habe. Jetzt führt das Team die „Quantum 2.0“-Phase auf der Raumstation durch und manipuliert direkt große Quantenzustände, in der Hoffnung, eine neue Generation von Schlüsseltechnologien wie Quantensensorik und Quantenmessung hervorzubringen.
Um diese komplexen Experimente auf der Raumstation durchzuführen, hat die NASA die Laser, Reflektoren und Kontrollgeräte, die einen ganzen Laborraum eingenommen hätten, in einem einzigen Rack zusammengefasst und ihren stabilen Betrieb in einer langfristigen Orbitalumgebung sichergestellt. Das Jet Propulsion Laboratory ist für die Planung, den Bau und das Betriebsmanagement der Anlage verantwortlich, wobei Caltech für das Gesamtprojektmanagement sorgt. Das Cold Atom Laboratory ist Teil der Abteilung für biologische und physikalische Wissenschaften des Science Mission Directorate der NASA. Diese Abteilung nutzt die einzigartigen Bedingungen des Weltraums, um wissenschaftliche Forschungen durchzuführen, die auf der Erde nicht durchgeführt werden können. Es liefert nicht nur lebenserhaltende und technische Grundlagen für die künftige bemannte Erforschung des Weltraums, sondern bringt dabei auch neue Entdeckungen und neue Technologien hervor, die dem Leben auf der Erde zugute kommen können.
Udreary betonte, dass dieses Upgrade nicht nur die Fähigkeit der NASA unter Beweis stellt, die führende Position der Vereinigten Staaten auf dem Gebiet der Weltraumquantentechnologie zu behaupten, sondern auch den Weg für die Reife einer Reihe zukünftiger Quanteninstrumente ebnet, wie etwa Materiewelleninterferometer, die für grundlegende Physik, Navigation und Positionierung, Zeitmaßstäbe und die Schwerkraftmessung der Erde, des Mondes und weiter entfernter Himmelskörper verwendet werden. Mit der Wiederinbetriebnahme des modernisierten Kaltatomlabors fördert dieses „umlaufende Quantenlabor“ auf der Internationalen Raumstation die weitere tiefgreifende Erforschung der unbekannten Bereiche der Quantenwissenschaft durch die Menschheit.