O Laboratório Cold Atom atualizado da NASA está de volta a funcionar a bordo da Estação Espacial Internacional, oferecendo aos pesquisadores uma nova maneira poderosa de investigar a natureza fundamental da matéria e avançar no desenvolvimento de futuras tecnologias quânticas. Aproveitando o ambiente de microgravidade da estação, a instalação permite experimentos que não podem ser realizados na Terra.
A ciência quântica concentra-se no comportamento da matéria e da energia em escalas extremamente pequenas, incluindo átomos, elétrons e partículas de luz. Embora os átomos sejam frequentemente considerados pequenas bolas que se chocam, o mundo quântico é muito mais surpreendente. Os átomos podem se comportar como ondas, aparecer em vários lugares ao mesmo tempo e até mesmo passar uns pelos outros sob certas condições.
Estudos do Cold Atom Laboratory da NASA têm valor próximo do zero absoluto
Do tamanho de um minigeladeira e operado remotamente da Terra, o Cold Atom Lab resfria átomos a temperaturas abaixo de 459 graus Fahrenheit negativos (237 graus Celsius negativos). Em temperaturas logo acima do zero absoluto, os átomos podem se combinar em um estado quântico incomum conhecido como condensado de Bose-Einstein, ou BEC.
BEC consiste em ondas de matéria e é considerado o quinto estado da matéria, além de sólidos, líquidos, gases e plasmas. Embora seja muito maior que as partículas subatômicas individuais, ainda obedece às leis da mecânica quântica. As condições de microgravidade na órbita baixa da Terra permitem que as ondas de matéria se tornem ainda maiores do que na Terra.
“Nas temperaturas mais baixas, a matéria se comporta de maneira dramaticamente diferente de tudo que já experimentamos”, disse Jason Williams, cientista do Cold Atom Lab do 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 não apenas se comportar de maneiras inesperadas, mas também permitir medições extremamente precisas de tempo, gravidade e movimento. O laboratório possui muitos instrumentos – especialmente com a atualização mais recente – que nos permitem sondar a natureza do universo.”
A instituição apoia atualmente cinco grupos de pesquisa internacionais que estudam física fundamental. Também serve como campo de testes para instrumentos quânticos que poderão um dia apoiar pesquisas em ciências da Terra e futuras missões de exploração.
Como funciona o laboratório modernizado de átomos frios
No centro da instalação está uma coleção complexa de instrumentos conhecida como Módulo Científico. Uma versão recentemente atualizada deste módulo chegou à estação espacial em 11 de abril a bordo da missão Commercial Resupply Services, ampliando a gama de experimentos que os cientistas podem realizar.
No experimento, tiras de rubídio ou potássio metálico são aquecidas a temperaturas de até 750 °F (400 °C), criando um gás em uma câmara de vácuo. Os pesquisadores então usam lasers cuidadosamente ajustados para remover energia dos átomos. Quando os átomos perdem energia, eles ficam mais lentos e esfriam dramaticamente.
Após a etapa de resfriamento do laser, os campos magnéticos capturam os átomos e os retêm. Técnicas adicionais de resfriamento reduzem ainda mais sua energia, aproximando a nuvem atômica de uma paralisação completa e permitindo aos cientistas maximizar o tempo que ela pode ser estudada em microgravidade.
Por que os experimentos quânticos se beneficiam do espaço
Os cientistas podem estudar gases ultrafrios em laboratórios na Terra, mas o espaço oferece vantagens importantes. Na microgravidade, os gases quânticos podem ser observados por períodos mais longos e resfriados a temperaturas ainda mais baixas.
Um ambiente de baixa gravidade também permite que ondas quânticas maiores se formem e interajam com a gravidade por longos períodos de tempo. Para tornar estas experiências possíveis a bordo da estação, os engenheiros comprimiram o que normalmente seria um laboratório de física nuclear do tamanho de uma sala, cheio de lasers e equipamento óptico, num sistema compacto que cabe dentro da bancada de experiências da estação.
“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 associado do Laboratório Cold Atom do JPL. “O século anterior assistiu a uma revolução quântica que levou a lasers, telemóveis e ressonâncias magnéticas para imagens médicas. Estamos a realizar o quantum 2.0 – a manipulação direta de grandes estados quânticos – e esperamos um sucesso semelhante nas tecnologias quânticas, fazendo avançar esta ciência para a órbita.”
Uma nova atualização expande o escopo da pesquisa quântica
A última melhoria é a quarta grande atualização desde que o Cold Atom Lab foi instalado na Estação Espacial Internacional em 2018.
Entre as melhorias mais significativas está uma armadilha magnética redesenhada que pode alterar a forma das nuvens quânticas de gás. Isso dá aos pesquisadores novas oportunidades para estudar as propriedades e o comportamento dos átomos ultrafrios. Os engenheiros também introduziram fontes recicladas de átomos metálicos que criam as nuvens de gás usadas nos experimentos.
“Isso é o mais próximo que podemos chegar de controlar os limites do mundo quântico”, disse Kamal Udriri, gerente de projeto do Cold Atom Lab do JPL, referindo-se a essas baixas temperaturas. “Esta nova atualização aumenta ainda mais esse limite.”
Udriri acrescentou que o novo equipamento “demonstra a capacidade da NASA de manter a liderança dos EUA em tecnologia quântica baseada no espaço no desenvolvimento de futuros instrumentos quânticos, como interferômetros de matéria e ondas para tarefas fundamentais de física, posicionamento, navegação, tempo e detecção gravitacional da Terra, da Lua e além”.
Avanço da tecnologia quântica no espaço
O Laboratório Cold Atom é operado pelo Cal Institute of Technology em Pasadena, e o Laboratório de Propulsão a Jato da NASA projetou, construiu e opera a instalação. O projeto é patrocinado pela Divisão de Ciências Biológicas e Físicas da Diretoria de Missões Científicas da NASA em Washington.
O departamento apoia descobertas científicas usando as condições únicas do espaço para conduzir experimentos que não podem ser realizados na Terra. Ao estudar processos biológicos e físicos em ambientes extremos, os investigadores adquirem conhecimentos que podem ajudar os humanos a viajar mais longe e a permanecer no espaço por mais tempo, bem como beneficiar a vida na Terra.
