Die NASA experimentiert mit der Nutzung von Quantentechnologie zur Messung von Schwerkraft, Magnetfeldern und anderen Kräften im Weltraum. Die Raumfahrtbehörde eben getestet neues Instrument auf der Internationalen Raumstation (ISS) zur Messung orbitaler Laborvibrationen mithilfe ultrakalter Atome.
Das Quantengerät, Atominterferometer genannt, nutzt lasergekühlte Atome auf ein Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt, um präzise Messungen der Eigenschaften der Atome selbst zu erhalten. Es war sogar noch kälter als der Weltraum Ausstellung die Temperatur liegt etwa 2.725 Grad Kelvin über dem absoluten Nullpunkt.
Obwohl Atominterferometer auf der Erde eingesetzt werden, gelten sie als zu zerbrechlich, um über längere Zeiträume im Weltraum zu funktionieren. Mithilfe des Cold Atom Laboratory der NASA – einer Einrichtung auf der ISS, die die Größe eines Minikühlschranks hat – haben Wissenschaftler jedoch bewiesen, dass Atominterferometer im Weltraum eingesetzt werden können. Die Ergebnisse der neuesten Experimente wurden in einem kürzlich erschienenen Artikel detailliert beschrieben Studie veröffentlicht in Naturkommunikation.
Das Cold Atom Laboratory nutzt die Mikrogravitationsumgebung innerhalb der ISS, um Quantenphänomene zu untersuchen. Dieses Labor kühlt Atome auf nahezu den absoluten Nullpunkt oder -273 Grad Celsius ab. Bei solch kalten Temperaturen bilden Atome einen fünften Materiezustand (im Gegensatz zu Feststoff, Flüssigkeit, Gas oder Plasma), der als Bose-Einstein-Kondensat bezeichnet wird und die Quanteneigenschaften von Atomen eher makroskopisch als mikroskopisch macht. Dadurch lassen sich atomare Eigenschaften leichter beobachten.
In der Mikrogravitationsumgebung der ISS kann der Zustand des Bose-Einstein-Kondensats länger bestehen bleiben und kühlere Temperaturen erreichen, was bessere Beobachtungsmöglichkeiten schafft. Mit Atominterferometern nutzen Wissenschaftler die wellenartigen Eigenschaften von Atomen aus, die dazu führen können, dass ein Atom gleichzeitig zwei physikalisch getrennte Wege zurücklegt. Wenn Atomwellen rekombinieren und interagieren, können Wissenschaftler den Einfluss der Schwerkraft oder anderer Kräfte messen, die auf die Wellen wirken.
Ein weltraumgestütztes Atominterferometer, das die Schwerkraft mit äußerster Präzision messen kann, könnte Wissenschaftlern dabei helfen, die Zusammensetzung des Mondes und anderer Himmelskörper besser zu verstehen. Die unterschiedlichen Dichten und Materialien von Monden und Planeten erzeugen subtile Unterschiede in der Schwerkraft. Präzise Schwerkraftmessungen können Wissenschaftlern auch seltene Einblicke in die Dunkle Materie ermöglichen – das schwer fassbare Material im Kosmos.
„Atominterferometrie kann auch verwendet werden, um Einsteins allgemeine Relativitätstheorie auf neue Weise zu testen“, sagte Cass Sackett, Hauptforscher des Cold Atom Lab und Co-Autor der neuen Studie, in einer Erklärung. „Dies ist eine grundlegende Theorie, die die großräumige Struktur unseres Universums erklärt, und wir wissen, dass es Aspekte der Theorie gibt, die wir nicht richtig verstehen.“ Diese Technologie kann uns helfen, diese Lücken zu schließen und uns ein vollständigeres Bild der Realität, in der wir leben, zu vermitteln.“
Das Cold Atom Laboratory der NASA startete 2018 zur ISS und war das erste Labor, das Bose-Einstein-Kondensat im Orbit erzeugte. Das Labor wird von der Erde aus betrieben, und Entdeckungen mithilfe dieser Einrichtungen könnten uns eines Tages dabei helfen, tiefer in den Weltraum vorzudringen und das Universum um uns herum besser zu verstehen.
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