Laboratório quântico da NASA a bordo da estação espacial recebe atualização fria

Os astronautas a bordo da Estação Espacial Internacional ativaram o recém-atualizado Cold Atom Lab da NASA, uma instalação única projetada para melhorar a forma como os cientistas exploram o funcionamento fundamental da matéria e desenvolvem novas tecnologias quânticas. Ao aproveitar o ambiente único da microgravidade no espaço, o laboratório pode realizar ciência de ponta impossível de ser feita em qualquer outro lugar.

A ciência quântica é o estudo da matéria nas menores escalas, como átomos, elétrons e partículas únicas de luz. Embora seja fácil imaginar átomos como bolas de bilhar quicando umas nas outras, eles também exibem comportamento ondulatório, podem existir simultaneamente em dois lugares ao mesmo tempo e podem até passar um através do outro.

Mais ou menos do tamanho de um minifrigorífico e operado a partir da Terra, o Laboratório Átomo Frio resfria átomos a temperaturas abaixo de 459 graus Fahrenheit negativos (237 graus Celsius negativos). Neste frio extremo, logo acima do zero absoluto, os átomos formam um grande objeto quântico chamado condensado de Bose-Einstein, ou BEC, uma coleção de ondas de matéria que é um quinto estado da matéria além dos sólidos, líquidos, gases e plasma. Este objeto segue as regras da mecânica quântica apesar de ser muito maior que as partículas subatômicas, e a microgravidade da órbita baixa da Terra ajuda a tornar as ondas ainda maiores.

“Nas temperaturas mais frias, a matéria se comporta de forma drasticamente diferente de tudo o que já experimentamos”, disse Jason Williams, cientista do projeto Cold Atom Lab no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA no sul da Califórnia, que construiu a instalação. “A natureza ondulatória da matéria domina, e a matéria ultrafria pode comportar-se de maneiras que não são apenas inesperadas, mas que também permitem medições extremamente precisas de tempo, gravidade e movimento. O laboratório tem muitas ferramentas – especialmente com esta última atualização – para nos permitir sondar a natureza do universo.”

O projeto apoia cinco equipes internacionais que estudam física fundamental. Ele também testa a prontidão espacial de ferramentas quânticas que poderiam apoiar futuras missões de ciências da Terra e de exploração espacial.

O coração do Cold Atom Lab é um conjunto complexo de instrumentos denominado módulo científico. Um módulo atualizado lançado em 11 de abril como parte de uma missão de Serviços de Reabastecimento Comercial para o estação espacialpermitindo novos tipos de experimentos.

Para cada experimento, uma tira de rubídio ou potássio metálico é aquecida a até 750 F (400 C) – quente o suficiente para formar um gás dentro da câmara de vácuo da instalação. Lasers sintonizados em frequências específicas são então disparados contra o gás, drenando a energia desses átomos e resfriando-os, desacelerando-os. Depois que o gás completa o estágio de resfriamento do laser, uma armadilha magnética captura e mantém o gás no lugar. Através de uma série de técnicas complexas, o laboratório reduz ainda mais a energia de uma nuvem atômica, aproximando-a da paralisação e maximizando seu tempo na microgravidade.

Embora existam instalações para estudar gases ultrafrios na Terra, o Cold Atom Lab pode estudar gases quânticos em microgravidade por longos períodos de tempo e em temperaturas ainda mais baixas. A realização desses experimentos em baixa gravidade permite aos cientistas estudar ondas quânticas maiores que também interagem por tempos mais longos com a gravidade. Para aproveitar esses benefícios, o Cold Atom Lab essencialmente reduz um laboratório de física atômica, normalmente do tamanho de uma sala inteira cheia de lasers e espelhos de mesa, para caber em um rack de experimentos a bordo da estação espacial.

“Como o primeiro projeto para criar condensados ​​de Bose-Einstein em órbita, estamos demonstrando que podemos fazer a tecnologia quântica funcionar de forma confiável no espaço”, disse Ethan Elliott, cientista adjunto do projeto Cold Atom Lab no JPL. “No século anterior, houve uma revolução quântica que levou a lasers, telemóveis e ressonâncias magnéticas para imagens médicas. Estamos a realizar quantum 2.0 – manipulação direta de grandes estados quânticos – e esperamos ganhos semelhantes na tecnologia quântica, avançando esta ciência em órbita.”

A atualização mais recente é a quarta desde que o Cold Atom Lab chegou à estação espacial em 2018. As principais melhorias incluem uma armadilha magnética recém-projetada que altera a forma das nuvens quânticas de gás, permitindo aos cientistas testar diferentes propriedades relacionadas aos seus átomos. A atualização também apresenta tiras de metal redesenhadas que atuam como fontes para essas nuvens de gás.

“É a coisa mais próxima que temos de controlar os limites do mundo quântico”, disse Kamal Oudrihiri, gerente de projeto do Cold Atom Lab do JPL, referindo-se a essas baixas temperaturas. “Esta nova atualização amplia ainda mais esse limite.”

A atualização, acrescentou Oudriri, “demonstra a capacidade da NASA de manter a liderança dos EUA em tecnologias quânticas baseadas no espaço enquanto amadurece futuros instrumentos quânticos, como interferômetros de onda de matéria para missões físicas fundamentais, posicionamento, navegação, tempo e detecção de gravidade da Terra, da Lua e além”.

Gerenciado pela Caltech em Pasadena, o JPL projetou, construiu e opera o Cold Atom Lab, que é patrocinado pela Ciências Biológicas e Físicas divisão da Diretoria de Missões Científicas da NASA na sede da agência em Washington. A divisão 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.

Para saber mais sobre o Cold Atom Lab, visite:

https://nasa.gov/cold-atom-laboratory/

André Bom
Laboratório de Propulsão a Jato, Pasadena, Califórnia.
818-393-2433
andrew.c.good@jpl.nasa.gov

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