Nasa vil studere universets koldeste atomer på rumstationen

I 2016 vil der efter planen blive installeret et Cold Atom Laboratory i det amerikanske Destiny-modul på Den Internationale Rumstation.

Rumstationen vil fra og med 2016 huse et eksperiment, der har de laveste temperaturer i universet. (Foto: Nasa) Illustration: Nasa

Her er det forskernes forventning at skabe de laveste temperaturer i universet ned til omkring 100 picokelvin.

Med Cold Atom Laboratory bliver det muligt at studere ultrakolde kvantegasser bestående af rubidiumatomer eller kaliumatomer, som ved meget lave temperaturer befinder sig i en tilstand, som kaldes et Bose-Einstein-kondensat.

Bose-Einstein-kondensater blev, som navnet antyder, forudsagt af Albert Einstein og den indiske fysiker Satyendra Nath Bose for 90 år siden. Først i 1995 lykkedes det forskere ved University of Boulder i Colorado, USA, at frembringe det første Bose-Einstein-kondensat ved en temperatur på 170 nanokelvin. De to forskere Eric Cornell og Carl Wieman fra University of Colorado modtog sammen med Wolfgang Ketterle fra Massachusetts Institute of Technology Nobelprisen i fysik i 2001 for denne præstation.

Læs også: Nobelpris til atomfysikere

Fra 500 picokelvin og nedefter

Allerede i 2003 lykkedes det at komme ned på en temperatur på 500 pK i et Bose-Einstein-kondensat i laboratorier.

Et Bose-Einstein-kondensat skal holdes frit svævende i et vakuumkammer, for at det ikke udveksler varme med omgivelserne. Det gøres med brug af magnetfelter. Ved at fremstille et Bose-Einstein-kondensat på rumstationen undgår man effekten af tyngdekraften, og det bliver lettere med svage magnetfelter at holde gasskyen samlet. Ron Thompson fra Nasas Jet Propulsion Laboratory forventer, at det bliver muligt i rummet at udvide gasskyen, så den fylder mere.

Udvidelsen af gasskyen vil betyde en sænkning af temperaturen, så temperaturen uden de helt store problemer burde komme ned på 100 picokelvin. Det vil ikke være muligt i laboratorier på Jorden. På projektets hjemmeside skriver forskerne, at det endda burde være muligt at komme helt ned på 1 picokelvin.

Under disse betingelser vil forskerne studere en lang række kvantefænomener, som eventuelt kan bane vejen for nye kvantesensorer. Syv konkrete projekter har modtaget bevillinger på omkring 70 mio. kr. Nobelpristageren Eric Cornell står eksempelvis i spidsen for projektet 'Zero-G Studies of Few-Body and Many-Body Physics'.

Atomchip er nøglekomponenten

Når først laboratoriet er installeret på rumstationen, vil det bliver fjernstyret fra Jet Propulsion Laboratory. Der bliver ingen opgaver at udføre for astronauter eller kosmonauter på rumstationen.

Modulet er forsynet med elektronik og laser, der anvendes til at køle atomskyen ud fra velkendte principper om laserkøling. Denne del benytter kommercielt udstyr.

Nøglekomponenten i det videnskabelige modul er en atomchip, hvor Bose-Einstein-kondensatet vil befinde sig. Det kan dog også overføres til en magnetisk fælde uden for chippen eller til et optisk gitter.

Atomchippen indeholder ledninger på et siliciumsubstrat, så man med strøm gennem ledningerne kan danne et magnetfelt, der holder atomskyen, der befinder sig ca. 100 mikrometer borte, samlet i mere end 10 sekunder ad gangen.

Tyskerne bruger et faldtårn til eksperimenter

Det er dog ikke kun på rumstationen, at forskere vil studere Bose-Einstein-kondensater uden påvirkning fra tyngdekraften.

En tysk forskningsgruppe ved Humboldt-Universität Berlin har arbejdet med mikrogravitationseksperimenter med Bose-Einstein-kondensater ved at udsætte dem for et frit fald i et faldtårn i Bremen.

Sidste år rapporterede de om de første interferometriske målinger under mikrogravitation, hvor Bose-Einstein-kondensatet havde en temperatur på 1 nK.

Nasas video, der forklarer om Cold Atom Laboratory: