Ultrakalte Substanz an Bord der ISS

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Wissen Sie: Die erstaunlichsten Weltraumexperimente beginnen auf der ISS.


Das NASA Cold Atom Laboratory (CAL), das bereits im Mai an Bord der Station installiert wurde, produzierte eine Suspension ultrakalter Atome, auch bekannt als Bose-Einstein-Kondensate (BEC). Das GEWICHT liegt bei einer Temperatur, die einen Bruchteil eines Grades über dem absoluten Nullpunkt liegt. Dies ist der Punkt, an dem theoretisch die thermische Bewegung von Partikeln in einer Substanz stoppt. Bisher wurden solche Experimente nur auf der Erde durchgeführt.


An Bord der ISS wird die NASA Cold Atom Plant ultrakalte Atome für Experimente auf dem Gebiet der Quantenphysik unter Schwerelosigkeitsbedingungen erzeugen. Atome werden auf ein Zehnmilliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt (im Durchschnitt ist es zehn Milliarden Mal kälter als im Weltraum). Physiker glauben, dass die Beobachtung des ungewöhnlichen Verhaltens von Teilchen bei so niedrigen Temperaturen Antworten auf Fragen zur Grundstruktur der Materie geben wird.

CAL ist eine Mehrbenutzerinstallation, mit der die grundlegenden Grundlagen der Welt unter Verwendung ultrakalter Atome in Mikrogravitation untersucht werden sollen. "Kalte" Atome sind langlebige (nach Quantenstandards) Teilchen, die mit hoher Genauigkeit gesteuert werden können. Daher sind sie ideal für die Betrachtung von Quantenphänomenen und die mögliche Anwendung von Quantentechnologien.

Ein solches Instrument wird zum ersten Mal in die Umlaufbahn gebracht; Es wird erwartet, dass es ein leistungsfähiges Werkzeug für ultrapräzise Messungen des Gravitationsfeldes, für Untersuchungen der langjährigen Probleme der Quantenphysik und für das Verständnis der Wellennatur der Materie wird.


Eine Reihe von Diagrammen zeigt die Änderung der Dichte der Atomsuspension mit abnehmender Temperatur (von links nach rechts) bis zur Annäherung an den absoluten Nullpunkt. Das Auftreten eines scharfen Peaks in den letzten Stadien ist ein Beweis für die Bildung eines Bose-Einstein-Kondensats - des fünften Materiezustands -, das bei Temperaturen um 130 Nanokelvin auftritt. Quelle: NASA / JPL-Caltech

„Die Möglichkeit, an Bord der ISS ein Experiment mit BEC durchzuführen, ist ein Traum, der endlich wahr geworden ist“, sagt Robert Thompson, leitender Spezialist beim CAL-Projekt und Physiker am NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena, Kalifornien. „Für diesen Moment haben wir bestanden Eine lange und schwierige Reise, aber alle Anstrengungen werden sich hundertfach auszahlen, da diese Installation das weiteste Feld eröffnet, das wir erleben können. "

Letzte Woche bestätigten Wissenschaftler, die mit CAL arbeiten, die Produktion von Kondensat aus Rubidiumatomen mit einer Temperatur von etwa 100 Nanokelvin; Es ist kälter als die durchschnittliche Temperatur im Weltraum (etwa drei Kelvin oder -270 Grad Celsius). Dies ist jedoch nicht die Grenze - ferner wird erwartet, dass die Temperaturen noch niedriger werden, selbst im Vergleich zu denen, die in Erdlabors erreicht wurden.

Bei diesen Temperaturen beginnen sich Atome anders zu verhalten als in jeder anderen von uns bekannten und beobachteten Materie. BEC wird als "fünfter Zustand der Materie" bezeichnet, wodurch sie von fest, flüssig, gasförmig und Plasma getrennt wird. weil sich Kondensatatome eher wie Wellen als wie Teilchen verhalten. Die Wellennatur der Materie kann nur bei Phänomenen in extrem kleinem Maßstab beobachtet werden. BEC macht sie jedoch deutlicher - und daher leichter zu analysieren. Ultrakalte Atome befinden sich in einem Zustand mit minimaler Energie und nehmen denselben Wellenzustand an, wodurch sie nicht mehr voneinander zu unterscheiden sind. Die Atomwolke beginnt sich vollständig als ein einziger „Superat“ zu verhalten.

Schwierige Erfindung

CAL besteht aus zwei standardisierten Einheiten, die an Bord der ISS installiert werden. Der große Block wird scherzhaft als "Vierkammer-Kühlschrank" bezeichnet, der kleine als "Einkammer-Kühlschrank". groß und enthält die gesamte Füllung, die ultrakalte Atome erzeugt. Quelle: NASA / JPL-Caltech / Tyler Winn

„Es ist ein verdammt kompliziertes Werkzeug“, erklärt Robert Shotwell, Chefingenieur der Abteilung für Physik und Astronomie bei JPL, der seit Februar 2017 alle Installationsarbeiten beaufsichtigte. „Normalerweise erfordern solche Tricks einen Stapel Geräte mit einer Raumgröße, und Sie benötigen eine ständige direkte Überwachung. und wir haben ein Gerät entwickelt, das nicht größer als ein tragbarer Kühlschrank ist und es von der Erde aus steuern kann. "Wir mussten viele Barrieren überwinden und uns viel Mühe geben, damit dieses Puzzleteil heute auf der Raumstation landet."

Das erste Bose-Einstein-Kondensat wurde bereits 1995 erhalten, obwohl das Phänomen selbst von den Physikern Chatyatranat Bose und Albert Einstein 71 Jahre zuvor vorhergesagt wurde. Im Jahr 2001 teilten sich Eric Cornell, Karl Wyman und Wolfgank Ketterle den Nobelpreis für Physik für die Erstellung und Untersuchung der Eigenschaften von BEC im Labor. Im nächsten Jahr werden fünf wissenschaftliche Gruppen, darunter die von Cornell und Ketterle, Experimente mit kalten Atomen durchführen. Seit Mitte der neunziger Jahre haben Wissenschaftler auf der ganzen Welt Hunderte solcher Experimente durchgeführt. Die meisten von ihnen befinden sich auf der Erde, einige jedoch auf kurzen Raumflügen - an Bord geophysikalischer Raketen. Und schließlich hat die Wissenschaft die Möglichkeit erhalten, an Bord der ISS über einen langen Zeitraum täglich Kondensatexperimente durchzuführen.

BEC wird in immateriellen "Atomfallen" hergestellt, die durch Magnetfelder oder Laser erzeugt werden. Wenn die Falle im Gravitationsfeld der Erde ausgeschaltet wird, streuen ultrakalte Atome fast sofort vor Anziehung, daher ist es möglich, sie nur für den Bruchteil einer Sekunde zu beobachten. Unter Schwerelosigkeitsbedingungen liegt jedoch eine Suspension von fünf bis zehn Sekunden vor; Insgesamt sammeln Wissenschaftler bis zu sechs Stunden Beobachtung pro Tag.

Sobald der Druck in der Falle abfällt, sinkt die Temperatur natürlich; Je länger die Atomwolke in der Falle bleibt, desto kälter wird sie. Diejenigen, die mit einer Sprühdose Farbe gearbeitet haben, sind mit diesem Phänomen vertraut - die Sprühdose kühlt nur aufgrund eines Druckabfalls ab. In der Schwerelosigkeit fällt der Kondensatdruck auf extrem kleine Werte ab, was wiederum die Temperatur auf Werte senkt, die mit irdischen Instrumenten nicht erreichbar sind. Tag für Tag funktioniert die Installation ohne Eingreifen der Stationsbesatzung.


Hier entsteht das Bose-Einstein-Kondensat innerhalb der CAL. Quelle: NASA / JPL-Caltech / Tyler Winn

Nach Erhalt von BEC aus Rubidium wird das Forscherteam die Atome zweier verschiedener Kaliumisotope verwenden. Tatsächlich läuft derzeit die Inbetriebnahme bei CAL. Daher wird eine lange Reihe von Tests durchgeführt, um herauszufinden, wie gut das Gerät unter Schwerelosigkeitsbedingungen funktioniert.

„Wissenschaftler aus der ganzen Welt werden nicht auf die Erlaubnis warten, an unserer Installation arbeiten zu dürfen“, sagt Kamal Odrihiri, Leiter der CAL-Mission in JPL dann werden wir dieses Gerät für ernsthafte Arbeiten in die Hände enger Spezialisten geben. “ Die Forschungsphase des Zeitplans beginnt Anfang September dieses Jahres und wird mindestens drei Jahre dauern.


CAL Atomphysik-Team und JPL-Wissenschaftler David Avelin, Ethan Eliott und Jason Williams (von links nach rechts); Das Foto wurde im Earth Orbiting Missions Operation Center in JPL aufgenommen, von wo aus die CAL ferngesteuert und konfiguriert wird. Das Bildschirmbild im Hintergrund zeigt die Installation direkt an Bord der ISS. Die Arbeit von Avelin, Eliot und Williams spielte eine entscheidende Rolle bei der Gewinnung des weltweit ersten Bose-Einstein-Kondensats im Orbit. Quelle: NASA / JPL-Caltech

Die Installation kalter Atome ging am 21. Mai 2018 auf dem Cygnus-Orbitalschiff vom Wallops Cosmodrome, Virginia, in den Weltraum. CAL wurde am JPL entwickelt und gebaut. Die Projektfinanzierung wird zwischen dem Internationalen Raumstationsprogramm im Lyndon Johnson Space Center in Houston und der Direktion für Weltraumforschung und -forschung (SLPSRA) für Weltraumforschung aufgeteilt und NASA Mission Operations Management am NASA-Hauptsitz in Washington.

Weitere Informationen finden Sie auf der Projektwebsite .