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O Cold Atom Lab da NASA, conhecido por suas capacidades de pesquisa quântica, recebeu uma atualização significativa de hardware para aprimorar sua capacidade experimental, potencialmente inaugurando uma era de missões espaciais quânticas avançadas.
NASAO Cold Atom Lab da está recebendo sua segunda grande atualização e o usará para explorar o reino quântico.
Uma grande atualização de hardware para o Cold Atom Lab da NASA foi lançada a bordo de uma espaçonave de reabastecimento Northrop Grumman Cygnus em 1º de agosto, a caminho do Estação Espacial Internacional (ISS). Mais ou menos do tamanho de uma pequena geladeira, o laboratório é às vezes chamado de o lugar mais legal do universo conhecido devido à sua capacidade de resfriar átomos a quase zero absoluto. Permite que dezenas de cientistas na Terra façam experiências em ciência quântica, o estudo dos comportamentos fundamentais dos átomos e partículas que constituem o mundo que nos rodeia.
O campo da ciência quântica abriu caminho para o desenvolvimento de tecnologias cotidianas como lasers, transistores (um componente-chave em smartphones e computadores), GPS satélites e dispositivos médicos. Os avanços futuros neste campo prometem melhorar a navegação e as comunicações espaciais.
Um membro da equipe da missão Cold Atom Lab trabalha no Módulo Quantum Observer. O laboratório é uma instalação de ciência quântica que opera na Estação Espacial Internacional desde 2018. Este módulo é uma atualização das capacidades científicas do laboratório. Crédito: NASA/JPL-Caltech
Instalado em 2018, o Cold Atom Lab é a primeira instalação deste tipo, e a equipa da missão passou por uma curva de aprendizagem acentuada à medida que descobriam como, no ambiente sem gravidade da estação, realizar remotamente experiências concebidas na Terra. O novo hardware – que a equipe chama de Módulo Observador Quantum – incorpora algumas das lições aprendidas ao longo dos cinco anos de operações do Cold Atom Lab.
Compreendendo a gravidade da situação
“Os experimentos que estamos realizando no Cold Atom Lab algum dia nos permitirão medir a gravidade com uma precisão sem precedentes, e essa é uma ferramenta extremamente valiosa para se ter no espaço”, disse Jason Williams, cientista do projeto Cold Atom Lab no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA. que administra as instalações da NASA.
Uma forma de avaliar a distribuição de densidade de um planeta ou lua é medir as mudanças na gravidade na superfície, para que os cientistas possam investigar a composição de diferentes mundos a partir da órbita ou rastrear o movimento da água na Terra. Medir a gravidade também permite aos cientistas medir a aceleração de uma nave espacial, que poderia ser usada na navegação espacial de precisão.
O Cold Atom Lab, uma instalação de ciência quântica que opera na Estação Espacial Internacional, tem aproximadamente o tamanho de uma pequena geladeira. Operado remotamente a partir do JPL no sul da Califórnia, já hospedou dezenas de experimentos sobre a natureza quântica de átomos e partículas. Crédito: NASA/JPL-Caltech
Além disso, sensores quânticos poderiam ser usados em missões espaciais que estudam mistérios cosmológicos como matéria escura e energia escura. A matéria escura é um material invisível que une a matéria em todo o universo, enquanto a energia escura é um fenômeno ainda mais misterioso que acelera a expansão do universo.
Embora o Cold Atom Lab não exija que os astronautas ajudem em suas operações diárias, um membro da tripulação instalará o Módulo Observador Quantum neste outono. Os astronautas apoiaram atualizações e reparos anteriores no laboratório.
Uma espaçonave de reabastecimento Northrop Grumman Cygnus – transportando mais de 8.200 libras de investigações científicas e carga para a Estação Espacial Internacional, incluindo uma atualização de hardware para o Cold Atom Lab – decola das instalações de voo Wallops da NASA na Virgínia em 1º de agosto. -Caltech
Coração da questão
Átomos e partículas são os blocos de construção de toda a matéria conhecida no universo. No entanto, nem sempre se comportam como os objetos maiores que compõem. A sua natureza quântica significa que podem oscilar entre comportar-se como objetos sólidos e comportar-se como ondas, pelo que por vezes parecem estar em dois lugares ao mesmo tempo. Eles também podem passar instantaneamente através de barreiras físicas, um fenômeno chamado tunelamento quântico.
Cold Atom Lab facilita o estudo do comportamento quântico dos átomos. Uma maneira é resfriar os átomos a pequenas frações de grau acima da temperatura mais baixa que a matéria pode atingir, o zero absoluto. Isso faz com que os átomos se movam mais lentamente, o que os torna mais fáceis de estudar. Além disso, alguns átomos a esta temperatura podem formar colectivamente um Condensado de Bose-Einstein, um estado da matéria em que os seus comportamentos quânticos, que são tipicamente microscópicos, podem ser observados numa escala macroscópica. (Veja o vídeo abaixo.)
Cientistas realizaram testes frios átomo experimentos no solo há décadas, mas na Terra, os átomos estudados em câmaras de vácuo caem rapidamente no chão devido à gravidade. Dentro do Cold Atom Lab, os átomos flutuam sem peso por períodos mais longos, dando aos cientistas mais tempo para manipulá-los e estudar como eles se comportam e evoluem. Os pesquisadores também podem manipular os átomos ultrafrios em bolhas e outras formas únicas que são impossíveis de se formar na Terra. Isso revela como diferentes geometrias afetam o comportamento dos materiais quânticos.
Salto quântico
A atualização do Cold Atom Lab produzirá duas a três vezes mais átomos para cada experimento dentro da instalação. “Isso é análogo a atualizar para um telescópio com resolução mais alta”, disse Williams. “Com mais átomos, os cientistas podem coletar mais dados em cada experimento e também podem expandir a variedade de experimentos que podem realizar.”
Os cientistas obterão visões mais detalhadas do comportamento dos átomos ultrafrios, incluindo a sua dinâmica física à medida que evoluem e as suas interações entre si. E como as nuvens de átomos esfriam naturalmente à medida que se expandem, mais átomos também significam que os átomos podem atingir temperaturas mais frias antes de se dispersarem completamente.
“Esperamos que o Cold Atom Lab marque o início de uma era em que ferramentas quânticas sejam usadas regularmente no espaço”, disse Kamal Oudrihiri, gerente de projeto do Cold Atom Lab no JPL. “Por causa do Cold Atom Lab, mostramos que essas delicadas ferramentas quânticas são confiáveis e até mesmo atualizáveis no espaço. Esperamos que o Cold Atom Lab seja apenas a primeira de muitas missões espaciais quânticas que virão.”
Mais sobre a missão
Cold Atom Lab foi projetado e construído no JPL, patrocinado pela Divisão de Ciências Biológicas e Físicas (BPS) da Diretoria de Missões Científicas da NASA. A BPS é pioneira na descoberta científica e permite a exploração usando ambientes espaciais para conduzir investigações que não são possíveis na Terra. O estudo de fenómenos biológicos e físicos sob condições extremas permite aos investigadores avançar no conhecimento científico fundamental necessário para ir mais longe e permanecer mais tempo no espaço, ao mesmo tempo que beneficia a vida na Terra.