Sustancia ultrafría creada a bordo de la EEI

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Saber: los experimentos espaciales más sorprendentes comienzan en la EEI.


El Laboratorio de átomo frío de la NASA (CAL), instalado a bordo de la estación en mayo, produjo una suspensión de átomos ultrafríos, también conocidos como condensados ​​de Bose-Einstein (BEC). El PESO está a una temperatura de una fracción de un grado por encima del cero absoluto, el punto en el que, teóricamente, el movimiento térmico de las partículas se detiene en cualquier sustancia. Anteriormente, tales experimentos se llevaban a cabo solo en la Tierra.


A bordo de la ISS, la Planta de Atomo Frío de la NASA generará átomos ultrafríos para realizar experimentos en el campo de la física cuántica en condiciones de microgravedad. Los átomos se enfrían a una diez billonésimas de grado por encima del cero absoluto (en promedio, es diez mil millones de veces más frío que en el espacio profundo). Los físicos creen que observar el comportamiento inusual de las partículas a temperaturas tan bajas dará respuestas a preguntas sobre la estructura fundamental de la materia.

CAL es una instalación multiusuario diseñada para estudiar los fundamentos básicos del mundo utilizando átomos ultrafríos en microgravedad. Los átomos "fríos" son partículas de larga vida (según los estándares cuánticos) que pueden controlarse con alta precisión; por lo tanto, son ideales para considerar los fenómenos cuánticos y la posible aplicación de tecnologías cuánticas.

Tal instrumento se pone en órbita por primera vez; Se espera que se convierta en una herramienta poderosa para mediciones ultra precisas del campo gravitacional, estudios de los problemas de larga data de la física cuántica y la comprensión de la naturaleza ondulatoria de la materia.


Una serie de gráficos muestra el cambio en la densidad de la suspensión atómica con la disminución de la temperatura (de izquierda a derecha) hasta el cero absoluto cercano. La aparición de un pico agudo en las últimas etapas es evidencia de la formación de un condensado de Bose-Einstein, el quinto estado de la materia, que aparece a temperaturas alrededor de 130 nanokelvin. Fuente: NASA / JPL-Caltech

"La oportunidad de realizar un experimento con BEC a bordo de la EEI es un sueño que finalmente se ha hecho realidad", dice Robert Thompson, especialista principal en el proyecto CAL y físico en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA (JPL) en Pasadena, California. "Por este momento pasamos es un viaje largo y difícil, pero todo el esfuerzo realizado dará sus frutos cien veces más, ya que esta instalación abre el campo más amplio para que podamos experimentar ".

La semana pasada, los científicos que trabajan con CAL confirmaron la producción de condensado a partir de átomos de rubidio, con una temperatura de aproximadamente 100 nanokelvin; es más frío que la temperatura promedio en el espacio (aproximadamente tres Kelvin, o -270 grados Celsius). Sin embargo, este no es el límite; además, se espera que alcance temperaturas aún más bajas, incluso en comparación con las que se lograron en los laboratorios terrestres.

A estas temperaturas, los átomos comienzan a comportarse de manera diferente que en cualquier otra materia conocida y observada por nosotros. BEC se llama el "quinto estado de la materia", separándolo de sólido, líquido, gaseoso y plasma; porque los átomos condensados ​​se comportan más como ondas que partículas. La naturaleza ondulatoria de la materia solo se puede observar en fenómenos de una escala extremadamente pequeña, sin embargo, BEC los hace más notorios y, por lo tanto, más fáciles de analizar. Los átomos ultrafríos se encuentran en un estado con energía mínima y toman el mismo estado de onda, llegando a ser indistinguibles entre sí; la nube atómica comienza a comportarse completamente como un solo "superat" solitario.

Artilugio difícil

CAL consta de dos unidades estandarizadas que se instalarán a bordo de la ISS. El bloque grande se llama en broma el "refrigerador de cuatro cámaras", y el pequeño se llama "cámara única"; grande y contiene todo el relleno que produce átomos ultrafríos. Fuente: NASA / JPL-Caltech / Tyler Winn

"Es una herramienta malditamente complicada", explica Robert Shotwell, ingeniero jefe del Departamento de Física y Astronomía de JPL, que supervisó todo el trabajo de instalación desde febrero de 2017. "Por lo general, estos trucos requieren una pila de equipos con un tamaño de habitación, y se necesita supervisión directa constante, y creamos un dispositivo no más grande que un refrigerador portátil y podemos controlarlo desde la Tierra. "Tuvimos que romper muchas barreras y poner mucho esfuerzo para que esta pieza del rompecabezas termine hoy en la estación espacial".

El primer condensado de Bose-Einstein se obtuvo en 1995, aunque el fenómeno mismo fue predicho por los físicos Chatyatranat Bose y Albert Einstein 71 años antes. En 2001, Eric Cornell, Karl Wyman y Wolfgank Ketterle compartieron el Premio Nobel de Física por crear y estudiar las características de BEC en el laboratorio; En el próximo año, cinco grupos científicos, incluidos los liderados por Cornell y Ketterle, llevarán a cabo experimentos con átomos fríos. Desde mediados de los noventa, los científicos de todo el mundo han realizado cientos de tales experimentos; la mayoría de ellos están en la Tierra, pero varios en vuelos espaciales cortos, a bordo de cohetes geofísicos. Y finalmente, la ciencia consiguió una forma de llevar a cabo experimentos de condensado diariamente durante un largo período a bordo de la EEI.

BEC se produce en "trampas atómicas" intangibles creadas por campos magnéticos o láser. Cuando la trampa se apaga en el campo gravitacional de la Tierra, los átomos ultrafríos se dispersan casi inmediatamente con atracción, por lo tanto, es posible observarlos solo por una fracción de segundo. Sin embargo, en condiciones de microgravedad, existe una suspensión de cinco a diez segundos; En total, los científicos acumulan hasta seis horas de observación por día.

Tan pronto como la presión cae dentro de la trampa, la temperatura disminuye naturalmente; cuanto más tiempo permanezca la nube de átomos en la trampa, más fría se volverá. Aquellos que han trabajado con una lata de pintura en aerosol están familiarizados con este fenómeno: la lata de aerosol se enfría solo por una caída de presión. En microgravedad, la presión del condensado cae a valores extremadamente pequeños, lo que a su vez reduce la temperatura a valores inalcanzables por instrumentos terrestres. Día tras día, la instalación funciona sin intervención del equipo de la estación.


Aquí es donde el condensado de Bose-Einstein se origina dentro de la CAL. Fuente: NASA / JPL-Caltech / Tyler Winn

Después de recibir BEC de rubidio, el equipo de investigación utilizará los átomos de dos isótopos de potasio diferentes. De hecho, la puesta en marcha está actualmente en curso en CAL, por lo que se realiza una larga serie de pruebas para descubrir qué tan bien funciona el dispositivo en condiciones de microgravedad.

"Los científicos de todo el mundo no esperarán el permiso para trabajar en nuestra instalación", dice Kamal Odrihiri, jefe de la misión CAL en JPL. "Y dado que se planea una gran cantidad de varios experimentos, tendremos que adaptar un montón de formas para enfriar átomos y manipularlos a la microgravedad, antes entonces entregaremos este dispositivo en manos de especialistas limitados para un trabajo serio ". La fase de investigación del cronograma comienza a principios de septiembre de este año y durará al menos tres años.


El equipo de física atómica de CAL y los científicos del JPL David Avelin, Ethan Eliott y Jason Williams (de izquierda a derecha); La foto fue tomada en el Centro de Operaciones de Misiones de órbita terrestre en JPL, desde donde la CAL se controlará y configurará de forma remota. La imagen de la pantalla en el fondo muestra la instalación directamente a bordo de la ISS. El trabajo de Avelin, Eliot y Williams desempeñó un papel decisivo en la obtención del primer condensado de Bose-Einstein del mundo en órbita. Fuente: NASA / JPL-Caltech

La instalación de átomos fríos salió al espacio el 21 de mayo de 2018 en la nave orbital Cygnus del Wallops Cosmodrome, Virginia. CAL se desarrolló y construyó en JPL, y la financiación del proyecto se divide entre el Programa de la Estación Espacial Internacional en el Centro Espacial Lyndon Johnson, Houston, y la Dirección de Investigación y Aplicaciones de la Vida Espacial y Ciencias Físicas (SLPSRA) para Exploración Espacial y NASA Mission Operations Management, en la sede de la NASA, Washington.

Para más información, puede visitar el sitio web del proyecto .