El espacio de la NASA

Un miembro del equipo de la misión Cold Atom Lab trabaja en el módulo Quantum Observer. El laboratorio es una instalación de ciencia cuántica que ha estado operando en la Estación Espacial Internacional desde 2018. Este módulo es una actualización de las capacidades científicas del laboratorio.

El Cold Atom Lab, una instalación de ciencia cuántica que opera en la Estación Espacial Internacional, tiene aproximadamente el tamaño de un refrigerador pequeño. Operado de forma remota desde el JPL en el sur de California, ha albergado docenas de experimentos sobre la naturaleza cuántica de átomos y partículas.

El Cold Atom Lab de la agencia está recibiendo su segunda actualización importante y la utilizará para explorar el reino cuántico.

El martes 1 de agosto, una importante actualización de hardware para el Cold Atom Lab de la NASA despegó a bordo de una nave espacial de reabastecimiento Northrop Grumman Cygnus en camino a la Estación Espacial Internacional. Del tamaño de un refrigerador pequeño, el laboratorio a veces es llamado el lugar más frío del universo conocido debido a su capacidad de enfriar átomos hasta casi el cero absoluto. Permite a decenas de científicos en la Tierra realizar experimentos en ciencia cuántica, el estudio de los comportamientos fundamentales de los átomos y partículas que componen el mundo que nos rodea.

El campo de la ciencia cuántica ha llevado al desarrollo de tecnologías cotidianas como láseres, transistores (un componente clave en teléfonos inteligentes y computadoras), satélites GPS y dispositivos médicos. Los avances futuros en este campo prometen mejorar la navegación y las comunicaciones espaciales.

Una nave espacial de reabastecimiento Northrop Grumman Cygnus, que transporta más de 8200 libras de investigaciones científicas y carga para la Estación Espacial Internacional, incluida una actualización de hardware para el Cold Atom Lab, despega de las instalaciones de vuelo Wallops de la NASA en Virginia el 1 de agosto.

Instalado en 2018, el Cold Atom Lab es la primera instalación de este tipo, y el equipo de la misión ha experimentado una pronunciada curva de aprendizaje mientras descubren cómo, en el entorno ingrávido de la estación, realizar de forma remota experimentos diseñados en la Tierra. El nuevo hardware, que el equipo denomina Módulo Observador Cuántico, incorpora algunas de las lecciones aprendidas durante los cinco años de operaciones de Cold Atom Lab.

"Los experimentos que estamos realizando en el Cold Atom Lab algún día nos permitirán medir la gravedad con una precisión sin precedentes, y esa es una herramienta extremadamente valiosa para tener en el espacio", dijo Jason Williams, científico del proyecto Cold Atom Lab en el Jet Propulsion Laboratory de la NASA. que gestiona las instalaciones para la NASA.

Una forma de evaluar la distribución de la densidad de un planeta o luna es medir los cambios en la gravedad a través de la superficie, de modo que los científicos puedan investigar la composición de diferentes mundos desde la órbita o rastrear el movimiento del agua en la Tierra. Medir la gravedad también permite a los científicos medir la aceleración de una nave espacial, lo que podría usarse en la navegación espacial de precisión.

Además, los sensores cuánticos podrían utilizarse en misiones espaciales que estudien misterios cosmológicos como la materia oscura y la energía oscura. La materia oscura es un material invisible que une la materia en todo el universo, mientras que la energía oscura es un fenómeno aún más misterioso que acelera la expansión del universo.

Aunque Cold Atom Lab no requiere que los astronautas ayuden con sus operaciones diarias, un miembro de la tripulación instalará el Módulo de Observación Cuántica este otoño. Los astronautas han apoyado actualizaciones y reparaciones anteriores del laboratorio.

Los átomos y las partículas son los componentes básicos de toda la materia conocida en el universo, pero no siempre se comportan como los objetos más grandes que componen. Su naturaleza cuántica significa que pueden oscilar entre comportarse como objetos sólidos y comportarse como ondas, por lo que a veces parecen estar en dos lugares a la vez. También pueden atravesar instantáneamente barreras físicas, un fenómeno llamado túnel cuántico.

Cold Atom Lab facilita el estudio del comportamiento cuántico de los átomos. Una forma es enfriar los átomos a pequeñas fracciones de grado por encima de la temperatura más baja que la materia puede alcanzar, el cero absoluto. Esto hace que los átomos se muevan más lentamente, lo que los hace más fáciles de estudiar. Además, algunos átomos a esta temperatura pueden formar colectivamente un condensado de Bose-Einstein, un estado de la materia en el que sus comportamientos cuánticos, que suelen ser microscópicos, se pueden observar a escala macroscópica.

Los científicos han realizado experimentos con átomos fríos en la Tierra durante décadas, pero en la Tierra, los átomos estudiados en cámaras de vacío caen rápidamente al suelo debido a la gravedad. Dentro del Cold Atom Lab, los átomos flotan ingrávidos durante períodos más largos, lo que da a los científicos más tiempo para manipularlos y estudiar cómo se comportan y evolucionan. Los investigadores también pueden manipular los átomos ultrafríos para convertirlos en burbujas y otras formas únicas que son imposibles de formar en la Tierra. Esto revela cómo las diferentes geometrías afectan el comportamiento de los materiales cuánticos.

La actualización de Cold Atom Lab producirá de dos a tres veces más átomos por cada experimento dentro de la instalación. "Eso es análogo a actualizar a un telescopio con mayor resolución", dijo Williams. "Con más átomos, los científicos pueden recopilar más datos en cada experimento y también pueden ampliar la variedad de experimentos que pueden realizar".

Los científicos obtendrán visiones más matizadas del comportamiento de los átomos ultrafríos, incluida su dinámica física a medida que evolucionan y sus interacciones entre sí. Y dado que las nubes de átomos se enfrían naturalmente a medida que se expanden, más átomos también significan que pueden alcanzar temperaturas más frías antes de dispersarse por completo.

"Esperamos que Cold Atom Lab marque el comienzo de una era en la que las herramientas cuánticas se utilicen regularmente en el espacio", dijo Kamal Oudrhiri, director de proyectos de Cold Atom Lab en el JPL. “Gracias a Cold Atom Lab, hemos demostrado que estas delicadas herramientas cuánticas son confiables e incluso actualizables en el espacio. Tenemos la esperanza de que Cold Atom Lab sea sólo la primera de muchas misiones espaciales cuánticas por venir”.

Diseñado y construido en el JPL, Cold Atom Lab está patrocinado por la División de Ciencias Físicas y Biológicas (BPS) de la Dirección de Misiones Científicas de la NASA. BPS es pionero en descubrimientos científicos y permite la exploración utilizando entornos espaciales para realizar investigaciones que no son posibles en la Tierra. El estudio de fenómenos biológicos y físicos en condiciones extremas permite a los investigadores avanzar en el conocimiento científico fundamental necesario para llegar más lejos y permanecer más tiempo en el espacio, beneficiando al mismo tiempo la vida en la Tierra.

Para obtener más información sobre Cold Atom Lab, vaya aquí:

https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/

Calla Cofield

Laboratorio de Propulsión a Chorro, Pasadena, California.

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