Astronautas a bordo da Estação Espacial Internacional (ISS) ligaram o recém-atualizado Cold Atom Lab da NASA, uma instalação única, projetada para melhorar a forma como cientistas exploram o funcionamento fundamental da matéria e desenvolvem novas tecnologias quânticas. Ao aproveitar o ambiente singular da microgravidade no espaço, o laboratório pode realizar pesquisas de ponta impossíveis de serem feitas em qualquer outro lugar.
A ciência quântica é o estudo da matéria nas menores escalas, como átomos, elétrons e partículas individuais de luz. Embora seja fácil imaginar os átomos como bolas de bilhar quicando umas nas outras, eles também exibem comportamento ondulatório, podem existir simultaneamente em dois lugares ao mesmo tempo e até podem atravessar uns aos outros.
Com cerca do tamanho de uma minigeladeira e operado a partir da Terra, o Cold Atom Lab esfria átomos a temperaturas abaixo de menos 459 graus Fahrenheit (menos 237 graus Celsius). Nesse frio extremo, pouco 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 de sólidos, líquidos, gases e plasma. Esse objeto segue as regras da mecânica quântica apesar de ser muito maior do que partículas subatômicas, e a microgravidade da órbita terrestre baixa ajuda a tornar as ondas ainda maiores.
“Nas temperaturas mais baixas, a matéria se comporta de maneira drasticamente diferente de tudo o que já vivenciamos”, disse Jason Williams, cientista do projeto do Cold Atom Lab no Jet Propulsion Laboratory (JPL) da NASA, na Califórnia do Sul, que construiu a instalação. “A natureza ondulatória da matéria domina, e a matéria ultrafria pode se comportar de maneiras que não apenas são inesperadas, mas também permitem medições extremamente precisas de tempo, gravidade e movimento. O laboratório tem muitas ferramentas — especialmente com esta atualização mais recente — para nos permitir investigar a natureza do universo.”
O projeto apoia cinco equipes internacionais que estudam física fundamental. Ele também testa a prontidão para o espaço de ferramentas quânticas que poderiam apoiar futuras missões de ciência na Terra e de exploração espacial.
Como funciona
O coração do Cold Atom Lab é um conjunto complexo de instrumentos chamado de módulo de ciência. Um módulo atualizado foi lançado em 11 de abril como parte de uma missão de Commercial Resupply Services para a estação espacial, permitindo novos tipos de experimentos.
Para cada experimento, uma tira de metal de rubídio ou potássio é aquecida a até 750 F (400 C) — quente o suficiente para formar um gás dentro da câmara de vácuo da instalação. Em seguida, lasers ajustados para frequências específicas são disparados no gás, retirando energia desses átomos e resfriando-os ao desacelerá-los. Depois que esse gás conclui a etapa de resfriamento a laser, uma armadilha magnética captura e mantém o gás no lugar. Por meio de uma série de técnicas complexas, o laboratório reduz ainda mais a energia de uma nuvem de átomos, levando-a a ficar quase em repouso e maximizando seu tempo em microgravidade.
Embora existam instalações para estudar gases ultrafrios na Terra, o Cold Atom Lab pode estudar gases quânticos em microgravidade por períodos mais longos e a temperaturas ainda mais baixas. Realizar esses experimentos em baixa gravidade permite que cientistas estudem ondas quânticas maiores, que também interagem por mais tempo com a gravidade. Para aproveitar esses benefícios, o Cold Atom Lab essencialmente reduz um laboratório de física de átomos — normalmente do tamanho de uma sala inteira cheia de lasers e espelhos sobre uma bancada — para caber em um rack de experimentos a bordo da estação espacial.
“Como o primeiro projeto a 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 do Cold Atom Lab no JPL. “No século anterior, houve uma revolução quântica que levou a lasers, celulares e Ressonâncias Magnéticas (MRIs) para imagens médicas. Estamos realizando o ‘quantum 2.0’ — manipulação direta de estados quânticos grandes — e esperamos ganhos semelhantes na tecnologia quântica ao avançar essa 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 redesenhada, que altera o formato das nuvens do gás quântico, permitindo que cientistas testem diferentes propriedades relacionadas aos seus átomos. A atualização também traz tiras metálicas redesenhadas que atuam como fontes para essas nuvens de gás.
“É a coisa mais próxima que temos de controlar a fronteira do mundo quântico”, disse Kamal Oudrhiri, gerente do projeto do Cold Atom Lab no JPL, referindo-se àquelas baixas temperaturas. “Essa nova atualização empurra essa fronteira ainda mais para além.”
A atualização, acrescentou Oudrhiri, “demonstra a capacidade da NASA de manter a liderança dos EUA em tecnologias quânticas baseadas no espaço, enquanto amadurece instrumentos quânticos futuros, como interferômetros de ondas de matéria para missões de física fundamental, além de posicionamento, navegação, temporização e sensoriamento de gravidade da Terra, da Lua e além.”
Mais sobre o Cold Atom Lab
Administrado pela Caltech em Pasadena, o JPL projetou, construiu e opera o Cold Atom Lab, que é patrocinado pela divisão de Biological and Physical Sciences (Ciências Biológicas e Físicas) do Science Mission Directorate da NASA, na sede da agência em Washington. A divisão pioneira a descoberta científica e viabiliza a exploração ao usar ambientes espaciais para realizar investigações que não são possíveis na Terra. Estudar fenômenos biológicos e físicos sob condições extremas permite que pesquisadores avancem o conhecimento científico fundamental necessário para ir mais longe e permanecer por mais tempo no espaço, ao mesmo tempo em que beneficia a vida na Terra.
Para saber mais sobre o Cold Atom Lab, visite:
https://nasa.gov/cold-atom-laboratory/
Contato com a mídia
Andrew Good Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif. 818-393-2433
andrew.c.good@jpl.nasa.gov
2026-039
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