Het Internationale Ruimtestation heeft onlangs het verbeterde NASA Cold Atom Lab gelanceerd. Dit orbitale kwantumexperimentplatform maakt gebruik van een microzwaartekrachtomgeving om atomen af ​​te koelen tot bijna het absolute nulpunt. Het wordt gebruikt om een ​​speciale toestand van materie te bestuderen, genaamd Bose-Einstein Condensaat (BEC), en om de basis te leggen voor een nieuwe generatie kwantumtechnologie. Door deze upgrade zullen wetenschappelijke onderzoekers een reeks kwantumexperimenten op het ruimtestation uitvoeren die bijna onmogelijk te realiseren zijn in grondlaboratoria.

Het Cold Atom Laboratory is ontwikkeld door het Jet Propulsion Laboratory (JPL) in de Verenigde Staten. Het lijkt qua uiterlijk op een kleine koelkast. Het wordt geïnstalleerd in de cabine van het ruimtestation en wordt op afstand bestuurd door het grondteam. Onder de microzwaartekrachtomstandigheden van het ruimtestation kan het laboratorium ultrakoude atoomgassen creëren en observeren bij lagere temperaturen en langere evolutietijden, zodat atomaire materialen duidelijke vluchtigheid vertonen, op meerdere locaties kunnen ‘naast elkaar bestaan’ en elkaar zelfs ‘doordringen’ onder bepaalde omstandigheden en ander kwantumgedrag. Wanneer de temperatuur lager is dan min 459 graden Fahrenheit (ongeveer min 237 graden Celsius) en dichtbij het absolute nulpunt, vormt de atoomwolk een BEC, die de "vijfde toestand" wordt na vast, vloeibaar, gas en plasma. Het geheel volgt nog steeds de bijzondere wetten van de kwantummechanica.

Elk experiment begint met metaalrubidium of kalium: onderzoekers verwarmen een strook metaal tot ongeveer 750 graden Fahrenheit (ongeveer 400 graden Celsius), waardoor een atomaire damp ontstaat in een vacuümkamer. Vervolgens wordt een op een specifieke frequentie afgestemde laserstraal in de damp geschoten, waarbij voortdurend de kinetische energie van de atomen wordt onttrokken door middel van "laserkoeling", waardoor hun snelheid en temperatuur snel dalen. Nadat de laserkoeling voltooid is, neemt de magnetische veldval het over, waardoor de atomen verder worden opgesloten en verder worden gekoeld, waardoor uiteindelijk een vrijwel stationaire wolk van ultrakoude atomen ontstaat. In een omgeving met microzwaartekracht kunnen dergelijke ‘materiegolven’ groter uitzetten en langer zweven. Onderzoekers kunnen ook een ruimer observatievenster verkrijgen voor nauwkeurige meting van fysieke grootheden zoals tijd, zwaartekracht en beweging.

Jet Propulsion Laboratory-projectwetenschapper Jason Williams wees erop dat materie zich bij de laagste temperaturen heel anders gedraagt ​​dan onze dagelijkse ervaring, waarbij fluctuaties domineren en ultrakoude materie in staat is om op onverwachte manieren te evolueren en tegelijkertijd extreem nauwkeurige meetomstandigheden biedt. Het verbeterde laboratorium voor koude atomen is uitgerust met rijkere manipulatietools, waardoor het onderzoeksteam de basiswetten van het universum dieper kan onderzoeken. Momenteel ondersteunt de faciliteit vijf onderzoeksteams uit meerdere landen bij het uitvoeren van fundamenteel natuurkundig onderzoek. Het wordt ook beschouwd als een testplatform voor toekomstige ruimtekwantumtechnologie, gericht op aardwetenschappelijke missies en toepassingen voor diepe ruimteverkenning.

De nieuwste geüpgradede module werd op 11 april van dit jaar via een commerciële bevoorradingsvlucht bij het ruimtestation afgeleverd. De kern is een opnieuw ontworpen wetenschapsmodule en de update van belangrijke componenten. Onder hen kan de nieuwe magnetische valstructuur de vorm van kwantumgaswolken over een groter bereik veranderen, waardoor wetenschappers de eigenschapsveranderingen van atomen onder verschillende geometrische beperkingen kunnen bestuderen. Tegelijkertijd bieden de verbeterde metalen strips een stabielere en betere bron van atomen voor het bereiden van atomaire dampen. Projectmanager Kamal Udrili zei dat deze verbeteringen het vermogen van de mens om de “grens van de kwantumwereld” te controleren verder bevorderen, waardoor het bereik van extreem lage temperaturen en het bereik van controleerbare kwantumtoestanden opnieuw wordt vergroot.

Het koude-atoomlaboratorium is ook het eerste platform waar mensen regelmatig Bose-Einstein-condensaten in een baan om de aarde kunnen bereiden. Het wordt beschouwd als een belangrijke verificatie van ‘de betrouwbare werking van kwantumtechnologie in de ruimte’. Plaatsvervangend projectwetenschapper Ethan Elliott wees erop dat de 'kwantumrevolutie' van de vorige eeuw lasers, mobiele telefoons, magnetische resonantiebeeldvorming en andere technologieën met zich meebracht. Nu voert het team de ‘kwantum 2.0’-fase uit op het ruimtestation – waarbij het rechtstreeks grootschalige kwantumtoestanden manipuleert, in de hoop een nieuwe generatie sleuteltechnologieën te ontwikkelen, zoals kwantumdetectie en kwantummeting.

Om deze complexe experimenten op het ruimtestation uit te voeren, heeft NASA de lasers, reflectoren en besturingsapparatuur die een hele laboratoriumruimte in beslag zouden hebben genomen, samengevoegd tot één rek, en hun stabiele werking in een langdurige orbitale omgeving verzekerd. Het Jet Propulsion Laboratory is verantwoordelijk voor het ontwerp, de bouw en het operationele beheer van de faciliteit, waarbij Caltech het algehele projectmanagement verzorgt. Het Cold Atom Laboratory maakt deel uit van de afdeling Biologische en Fysische Wetenschappen van het Directoraat Wetenschapsmissies van NASA. Deze afdeling maakt gebruik van de unieke omstandigheden van de ruimte om wetenschappelijk onderzoek uit te voeren dat niet op de grond kan worden voltooid. Het biedt niet alleen levensondersteuning en een technische basis voor toekomstige bemande verkenning van de diepe ruimte, maar genereert daarbij ook nieuwe ontdekkingen en nieuwe technologieën die het leven op aarde ten goede kunnen komen.

Udreary benadrukte dat deze upgrade niet alleen het vermogen van NASA aantoont om de leidende positie van de Verenigde Staten op het gebied van ruimtekwantumtechnologie te behouden, maar ook de weg vrijmaakt voor de volwassenheid van een reeks kwantuminstrumenten in de toekomst, zoals materiegolfinterferometers die worden gebruikt voor elementaire fysica, navigatie en positionering, tijdbenchmarks en zwaartekrachtwaarneming van de aarde, de maan en verder weg gelegen hemellichamen. Nu het opgewaardeerde laboratorium voor koude atomen weer in bedrijf is, bevordert dit ‘in een baan om de aarde draaiende kwantumlaboratorium’ op het Internationale Ruimtestation de voortdurende diepgaande verkenning van de mensheid in de onbekende gebieden van de kwantumwetenschap.