NASA Cold Atom Laboratory CAL magnet-optische Falle und Atomchip Künstlerische Darstellung
Magneto-optische Falle und Atomchip im "Cold Atom Laboratory" der NASA (künstlerische Darstellung). Bildrechte: NASA/JPL-Caltech

"Cold Atom Laboratory" für ISS NASA schießt "kältesten Punkt des Universums" ins All

Mit ihrem "Kälte-Atomlabor" bringt die NASA den "Kältesten Punkt des Universums" zur ISS. Unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit sollen Gase im extremen Aggregatzustand, dem Bose-Einstein-Kondensat, erforscht werden. Es geht um nichts Geringeres als die Grundlagen von Materie und Gravitation.

NASA Cold Atom Laboratory CAL magnet-optische Falle und Atomchip Künstlerische Darstellung
Magneto-optische Falle und Atomchip im "Cold Atom Laboratory" der NASA (künstlerische Darstellung). Bildrechte: NASA/JPL-Caltech

Mit einem Labor, so groß wie ein Eisschrank, will die NASA auf der Internationalen Raumstation ISS den "kältesten Punkt des Universums" erschaffen. Dafür hat die US-Raumfahrtbehörde am Montag (21. Mai) das "Cold Atom Laboratory" (CAL) vom Weltraumbahnhof Wallops Flight Facility in Virginia ins All schießen lassen. Das Kälte-Atomlabor soll nach NASA-Angaben vier Tage später mit dem privaten Raumfrachter "Cygnus" die ISS erreichen.

Nahe dem "Absoluten Nullpunkt"

In dem vom NASA-Labor für Strahlantriebe im kalifornischen Pasadena entwickelten 83 Millionen Dollar (rund 70 Mio. Euro) teuren CAL-Labor befinden sich unter anderem mehrere Laser, eine Vakuum-Kammer und eine Art elektromagnetisches "Messer". Mit seiner Hilfe ist es möglich, die Energie von Gas-Partikeln zu neutralisieren und diese fast bewegungslos zu machen. Die CAL-Apparate sind dafür konzipiert, Gas-Atome fast auf den "Absoluten Nullpunkt" von -273,15 Grad Celsius herunter zu kühlen. Laut NASA wird eine Temperatur erreicht, die nur wenige Milliardstel Grad Celsius über der in der Realität nie erreichbaren idealen Messgröße des "Absoluten Nullpunktes" liegt.

"Verständnis von Materie und Gravitation verändern"

Antares-Rakete mit Cygnus-Raumtransporter von Orbital ATK am Wallops Flight Facility der NASA in Virgina
Mit einer Antares-Rakete wird der "Cygnus"-Raumtransporter mit dem CAL-Labor zur ISS geschossen. Bildrechte: NASA

"Diese extrem kalten Atome zu erkunden könnte unser Verständnis von Materie und den Grundlagen der Gravitation verändern", ist sich CAL-Projektwissenschaftler Robert Thompson sicher.

Wenn Atome nämlich auf derart niedrige Temperaturen heruntergekühlt werden, nehmen sie einen extremen Aggregatzustand an, der als Bose-Einstein-Kondensat bekannt ist. In diesem Zustand sind die jeweiligen Teilchen nicht mehr voneinander zu unterscheiden. Sie agieren dabei nicht mehr wie Partikel, sondern eher wie Wellen. Diese mysteriösen Wellenformen sind laut NASA bislang noch niemals unter so extrem tiefen Temperaturen untersucht worden, wie sie vom CAL-Labor erreicht werden.

Erste Tests unter Schwerelosigkeit

Auch hat die NASA das Bose-Einstein-Kondensat bislang noch nie im Weltall untersucht. Deutschen Wissenschaftlern war das bereits Anfang 2017 während des sechsminütigen Flugs einer Forschungsrakete gelungen. Schwerelosigkeit ist bei dem Thema ein nicht unwesentlicher Faktor. Denn unter den Bedingungen der Erdanziehungskraft werden Partikel stets nach unten gezogen, sodass Forscher auf der Erde die Wellen des Kondensats bislang allenfalls nur für Sekunden-Bruchteile beobachten konnten. Auf der ISS könnten nach Angaben von CAL-Projektwissenschaftler Thompson die extrem kalten Atome ihre Wellenform aber bis zu zehn Sekunden lang beibehalten. In der Zukunft erhoffen sich die NASA-Forscher im All sogar Beobachtungszeiten von mehreren hundert Sekunden.

Phänomen der Suprafluidität

Besonders interessieren sich die Wissenschaftler dabei für das dem Bose-Einstein-Kondensat eigene Phänomen der Suprafluidität, einen Zustand, bei dem eine Flüssigkeit ihre innere Reibung verliert. "Wenn man suprafluides Wasser hätte und dieses in einem Glas umrühren würde, würde es dort für immer umherwirbeln", erklärt CAL-Projektmanagerin Anita Sengupta. Der Grund dafür sei die fehlende Viskosität, wodurch keine kinetische Energie abgebaut werden könnte. "Wenn wir die Physik von Suprafluiden besser verstehen, können wir vielleicht mehr über effizientere Energieübertragung lernen", hofft Sengupta.

Bessere Sensoren, Quantencomputer oder Atomuhren

Fünf Teams von Wissenschaftlern haben Forschungen mit dem CAL angekündigt. Darunter ist auch der Physik-Nobelpreisträger Eric Cornell, der die Auszeichnung 2001 für frühe Forschungen zum Bose-Einstein-Kondensat erhalten hatte. Von den Ergebnissen ihrer Experimente erhoffen sich die Wissenschaftler eine Reihe von Anstößen für technologische Verbesserungen etwa für Sensoren, Quantencomputer oder Atomuhren für die Raumfahrt-Navigation.

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Dieses Thema im Programm: MDR Jump am Nachmittag | 17. April 2018 | 16:45 Uhr

Zuletzt aktualisiert: 22. Mai 2018, 19:00 Uhr