Augusztus 1-jén, kedden a Cygnus utánpótlást szállító űrhajó fedélzetén indult útnak a kvantumtudományi laboratórium második jelentős hardveres fejlesztése a Nemzetközi Űrállomásra. A körülbelül kisebb hűtőszekrény méretű laboratóriumot néha az ismert világegyetem leghidegebb helyének nevezik, mivel képes az atomokat szinte abszolút nullpontra (−273,15°C-ra) lehűteni. Épp emiatt a berendezést Cold Atom Lab-nak (CAL), magyarul Hideg Atom Laboratóriumnak is nevezik.
A Cold Atom Lab
A Földön tudósok tucatjai végezhetnek ezen eszköz segítségével kísérleteket a kvantumtudomány, vagyis a körülöttünk lévő világot alkotó atomok és részecskék alapvető viselkedésének tanulmányozása céljából.
A kvantumtudomány olyan mindennapi technológiák kifejlesztéséhez vezetett, mint a lézerek, a tranzisztorok (az okostelefonok és számítógépek kulcsfontosságú eleme), a GPS műholdak és az orvosi eszközök. A jövőben hozzájárulhat többek között az űrbeli navigáció és kommunikáció fejlődéséhez
A 2018-ban telepített CAL az első ilyen jellegű létesítmény volt az ISS-en. Bár a napi működéséhez nincs szükség űrhajósokra, a személyzet intenzív tanulási folyamaton ment keresztül annak érdekében, hogy az állomás súlytalan környezetében el tudják végezni a Földön tervezett kísérleteket. Az új hardver – amelyet Quantum Observer Module-nak neveznek – telepítését az ISS személyzetének egy tagja várhatóan idén ősszel fogja elvégezni.
„A Cold Atom Lab-on végzett kísérletek egy napon lehetővé teszik majd, hogy a gravitációt eddig soha nem látott pontossággal mérjük, és ez rendkívül értékes eszköz az űrben” – mondta Jason Williams, a Cold Atom Lab projektjének JPL-nél dolgozó tudósa.
Egy bolygó vagy hold sűrűségeloszlásának egyik maghatározási módja a gravitáció változásainak mérése a felszínen, így a tudósok a keringési pályáról vizsgálhatják a különböző világok összetételét. A technológia egy másik alkalmazási módja a víz mozgásának követése a Földön, mely szintén hatással van bolygónk gravitációjának változására. A gravitáció mérésével a tudósok az űreszközök gyorsulását is pontosabban meg tudják mérni, ami a precíziós űrnavigációban használható.
Emellett a kvantumérzékelőket az olyan kozmológiai rejtélyeket, mint a sötét anyagot és a sötét energiát tanulmányozó űrbéli küldetésekben is fel lehet használni. A feltételezések szerint a sötét anyag fogja össze az anyagot a világegyetemben, míg a sötét energia egy még rejtélyesebb jelenség, amely a világegyetem gyorsuló tágulását okozza.
Az atomok vizsgálata
Az atomok és a részecskék az univerzum minden ismert anyagának építőkövei, de nem mindig viselkednek úgy, mint az általuk alkotott nagyobb objektumok. Kvantumállapotuk azt jelenti, hogy képesek ingadozni szilárd tárgyként és hullámként való viselkedés között, így néha úgy tűnik, hogy egyszerre két helyen vannak. A kvantumalagútnak nevezett jelenség révén képesek azonnal áthaladni fizikai akadályokon is.
A Cold Atom Lab megkönnyíti az atomok kvantumos viselkedésének tanulmányozását. Ennek egyik módja az atomok lehűtése a legalacsonyabb, az anyag által elérhető hőmérséklet, az abszolút nulla fok alá is. Ezáltal az atomok lassabban mozognak, ami megkönnyíti a vizsgálatukat. Ráadásul egyes atomok ezen a hőmérsékleten együttesen képesek Bose-Einstein-kondenzátumot képezni. Ez egy bozonokból álló híg gáz állapotú anyag, ami olyan állapotot vesz fel, amelyben a jellemzően mikroszkopikus kvantumviselkedésük makroszkopikus léptékben is megfigyelhető.
A tudósok évtizedek óta végeznek kísérleteket hideg atomokkal a Földön is, de a vákuumkamrákban vizsgált atomok a gravitáció miatt gyorsan leesnek. A Cold Atom Lab belsejében az atomok hosszabb ideig súlytalanul lebegnek, így a tudósoknak több idejük marad a manipulációjukra, valamint viselkedésük és fejlődésük tanulmányozására. A kutatók az ultrahideg atomokat buborékokká és más egyedi formákká is alakíthatják, amelyeket a Földön lehetetlen megvalósítani. Ezáltal meg lehet figyelni azt, hogy a különböző alakok hogyan befolyásolják a kvantumanyagok viselkedését.
A Cold Atom Lab korszerűsítésével kétszer, vagy akár háromszor több atomot produkálhatnak a berendezésen belül minden egyes kísérlethez. A több atommal a tudósok több adatot gyűjthetnek, és a kísérleteket is kibővíthetik. Ez által egy sokkal árnyaltabb képet kaphatnak az atomok viselkedéséről, beleértve a fizikai dinamikájukat a fejlődésük során és az egymással való kölcsönhatásaikat. És mivel az atomfelhők (az atomok körüli elektromos mező) természetes módon lehűlnek, ahogy tágulnak. A több atom azt is jelenti, hogy az atomok hidegebb hőmérsékletet érhetnek el, mielőtt teljesen szétoszlanának.