In het International Space Station heeft een wolk atomen een temperatuur net boven het absolute nulpunt bereikt. NASA2010

Het ISS huisvest nu officieel het koudste experiment in de ruimte

In het International Space Station (ISS) produceert het Cold Atom Laboratory nu volop wolken van ultrakoude atomen die Bose-Einstein condensaten genoemd worden. Het is de eerste keer dat dergelijke BEC's in de ruimte geproduceerd worden. De BEC's haalden temperaturen van net boven het absolute nulpunt. Eens de onderzoekers een reeks van tests hebben uitgevoerd, zullen er op de BEC's wetenschappelijke experimenten uitgevoerd worden. 

Het Cold Atom Laboratory (CAL) van de NASA is in mei geïnstalleerd in het Amerikaanse laboratorium in het ISS, en het produceert nu volop Bose-Einstein condensaten (BEC's) van rubidium-atomen.

Vorige week, zo hebben onderzoekers van het CAL-team bevestigd, hebben ze BEC's geproduceerd met een temperatuur van 100 nanoKelvin, of een tienmiljoenste van een Kelvin boven het absolute nulpunt. Het absolute nulpunt of nul Kelvin, is min 273 graden Celsius, de temperatuur waarop atomen in theorie volledig zouden moeten stoppen met bewegen.

Met een temperatuur van 100 nanoKelvin zijn de BEC's  in het ISS kouder dan de gemiddelde temperatuur in de ruimte, waar het zo'n 3 Kelvin is of -270 graden. En de CAL-wetenschappers hebben hun zinnen gezet op nog lagere temperaturen, en verwachten dat ze lagere temperaturen zullen halen dan er ooit bij BEC-experimenten op aarde bereikt zijn.

Het Cold Atom Laboratory bestaat uit twee delen: de grotere "quad locker", waar de BEC's geproduceerd worden, en de kleinere "single locker". (Foto: NASA/JPL-Caltech)

Golven

Bij deze ultralage temperaturen beginnen de atomen in een BEC zich op een manier te gedragen die op niets anders op aarde lijkt. BEC's worden dan ook omschreven als een vijfde aggregatietoestand van materie - naast vast, vloeibaar, gas en plasma. In een BEC gedragen atomen zich meer als golven dan als deeltjes. 

Deze "golf-aard" van atomen kan normaal gezien alleen geobserveerd worden op een microscopische schaal, maar BEC's maken dit fenomeen macroscopisch, en dus veel makkelijker te bestuderen. De ultrakoude atomen nemen allemaal hun laagste energetische staat in, en ze nemen dezelfde "golfidentiteit" aan, waarbij ze niet meer van elkaar te onderscheiden zijn. Samen lijken de wolken atomen één enkel "superatoom" te zijn, in plaats van individuele atomen. 

Deze grafiek toont de veranderende densiteit van een wolk atomen die afgekoeld wordt tot lagere en lagere temperaturen (van links naar rechts). Het opduiken van een scherpe piek in de grafiek bevestigt de vorming van een Bose-Einstein condensaat, die hier optreedt bij een temperatuur van 130 nanoKelvin. (Illustratie: Jet Propulsion Laboratory)

Microzwaartekracht

De eerste BEC's werden in 1995 in een laboratorium geproduceerd, maar het fenomeen was 71 jaar vroeger al voor het eerst voorspeld door de natuurkundigen Satyendra Nath Bose en Albert Einstein. 

Op aarde zijn er sinds het midden van de jaren 90 al honderden experimenten met BEC's uitgevoerd, en enkele daarvan hebben zelfs een kort reisje naar de ruimte gemaakt aan boord van sondeer- of onderzoeksraketten. Maar CAL is de eerste faciliteit in haar genre in het ruimtestation, en onderzoekers kunnen er dagelijks BEC's bestuderen over langere periodes. Gedurende het eerste jaar dat CAL in het ISS gebruikt wordt, zullen vijf verschillende groepen wetenschappers er experimenten mee uitvoeren. Voor die dagelijkse werking van CAL is er geen tussenkomst van de astronauten vereist. 

De onderzoekers zullen er de fundamtenele natuurwetten bestuderen aan de hand van de BEC's in microzwaartekracht, wat hun moet toelaten zeer preciese metingen van de zwaartekracht te verzamelen, een aantal al lang bestaande problemen uit de kwatumfysica beter te onderzoeken, en de golfachtige aard van materie nauwer te bekijken. 

BEC's worden gecreëerd in "atoomvallen", wrijvingsloze houders bestaande uit magnetische velden of gefocuste lasers. Als op aarde die vallen uitgeschakeld worden, trekt de zwaartekracht aan de ultrakoude atomen, en kunnen ze slechts gedurende enkele fracties van seconden bestudeerd worden. De  constante microzwaartekracht aan boord van het ruimtestation laat de onderzoekers toe individuele BEC's wel vijf tot tien seconden per keer te observeren, met bovendien nog de mogelijkheid om de metingen te herhalen tot zes uur per dag. 

Als de atomenwolk decomprimeert - druk verliest - in de atoomval, daalt haar temperatuur eveneens, en hoe langer de wolk in de val blijft, hoe kouder ze wordt. (Dit natuurlijke fenomeen - dat een daling in druk ook een daling in temperatuur betekent - is ook de oorzaak van het feit dat een spuitbus met verf koud wordt als de verf er uit gespoten wordt: de druk in de bus wordt lager.) In de lage zwaartekracht van het ISS kunnen de BEC's decomprimeren tot lagere temperaturen dan in om het even welk experiment in de zwaartekracht van de aarde. 

Overigens zullen de onderzoekers van CAL ook proberen om, naast de BEC's uit rubidium-atomen, er ook te maken die bestaan uit twee verschillende kalium-isotopen - kaliumatomen met een verschillend aantal neutronen in hun kern.  

Het "natuurkundige pakket" in het CAL, waar de ultrakoude wolken van atomen geproduceerd worden. (Foto: NASA/JPL-Caltech)

Geen eenvoudig instrument

CAL, dat ontworpen en gebouwd is in het Jet Propulsion Laboratory (JPL) van de NASA in Pasadena in Californië, zit nu nog in de eerste fase van het in werking stellen van het instrument. Daarbij voert het team dat het instrument runt, een lange reeks tests uit om volledig te begrijpen hoe CAL werkt in de microzwaartekracht. Verwacht wordt dat de wetenschappelijke fase begin september van start kan gaan, en drie jaar zal duren.  

"Er is een team van geleerden dat de aardbol omspant, dat klaar is en opgewonden om deze faciliteit te gebruiken", zo zei Kamal Oudrhiri in een mededeling van JPL. Oudrhiri is de manager van de CAL-missie bij JPL. "De diverse reeks van experimenten die ze willen uitvoeren, houdt in dat er veel technieken zijn voor het manipuleren en afkoelen van de atomen die we moeten aanpassen aan microzwaartekracht, voor we het instrument overdragen aan de belangrijkste onderzoekers, om met hun wetenschappelijke operaties te beginnen." 

"Cal is een extreem gecompliceerd instrument", zei Robert Shotwell, de hoofdingenieur van de afdeling astronomie en natuurkunde van JPL, die aan het hoofd staat van het veeleisende project sinds februari 2017.

"Bij typische BEC-experimenten is genoeg uitrusting betrokken om een kamer te vullen, en ze vragen bijna constante controle door geleerden, terwijl CAL ongeveer zo groot is als een kleine ijskast, en vanop afstand bediend kan worden vanop de aarde. Het was een strijd, en het heeft ernstige inspanningen gevraagd om al te hindernissen te overwinnen, die overwonnen moesten worden om deze gesofisticeerde faciliteit te produceren, die nu in het ruimtestation in werking is", zo zei hij in de JPL-persmededeling.

Maar het was het waard, zo zei zijn JPL-collega Robert Thompson, een onderzoeker bij het CAL-project en een fysicus bij JPL. "Dat er een BEC-experiment in werking is in het ruimtestation, is een droom die uitkomt", zo zei hij. "Het is een lange, moeilijke weg geweest om er te geraken, maar het was de strijd volkomen waard, aangezien er zo veel is dat we gaan kunnen doen met deze faciliteit."