Qual é o lugar mais frio que você pode imaginar? As temperaturas em um dia de inverno na Antártica caem para -120ºF (-85ºC). No lado escuro da Lua, atingiram -280ºF (-173ºC). Mas dentro do Laboratório Cold Atom da NASA na Estação Espacial Internacional, os cientistas estão criando algo ainda mais frio.

O Cold Atom Lab (CAL) é a primeira instalação em órbita a produzir nuvens de átomos "ultracold", que pode atingir uma fração de grau acima do zero absoluto:-459ºF (-273ºC), a temperatura mais fria absoluta que a matéria pode atingir. Nada na natureza é conhecido por atingir as temperaturas alcançadas em laboratórios como CAL, o que significa que a instalação orbital é regularmente o local mais frio conhecido no universo.

O Laboratório Cold Atom da NASA na Estação Espacial Internacional é regularmente o local mais frio conhecido no universo. Mas por que os cientistas estão produzindo nuvens de átomos uma fração de grau acima do zero absoluto? E por que eles precisam fazer isso no espaço? Física quântica, claro.

Sete meses após seu 21 de maio, 2018, lançamento para a estação espacial do Wallops Flight Facility da NASA na Virgínia, CAL está produzindo átomos ultracold diariamente. Cinco equipes de cientistas realizarão experimentos no CAL durante seu primeiro ano, e três experimentos já estão em andamento.

Por que resfriar átomos a um nível tão baixo? Os átomos da temperatura ambiente normalmente se movem como beija-flores hiperativos, mas átomos ultracold se movem muito mais devagar do que até mesmo um caracol. Os detalhes variam, mas átomos ultracold podem ter mais de 200, 000 vezes mais lento do que átomos à temperatura ambiente. Isso abre novas maneiras de estudar átomos, bem como novas maneiras de usá-los para investigações de outros fenômenos físicos. O objetivo científico primário do CAL é conduzir pesquisas de física fundamental - tentar entender o funcionamento da natureza nos níveis mais fundamentais.

"Com a CAL, estamos começando a obter uma compreensão realmente completa de como os átomos se comportam na microgravidade, como manipulá-los, como o sistema é diferente dos que usamos na Terra, "disse Rob Thompson, um físico de átomo frio no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA em Pasadena, Califórnia, e o cientista da missão para CAL. "Esse é todo o conhecimento que vai construir uma base para o que eu espero que seja um longo futuro da ciência do átomo frio no espaço."

Laboratórios na Terra podem produzir átomos ultracold, mas no chão, a gravidade atrai as nuvens de átomos resfriados e elas caem rapidamente, dando aos cientistas apenas frações de segundo para observá-los. Os campos magnéticos podem ser usados ​​para "prender" os átomos e mantê-los imóveis, mas isso restringe seu movimento natural. Na microgravidade, as nuvens de átomos frios flutuam por muito mais tempo, dando aos cientistas uma visão ampliada de seu comportamento.

O processo de criação das nuvens de átomos frios começa com lasers que começam a baixar a temperatura ao desacelerar os átomos. As ondas de rádio afastaram os membros mais calorosos do grupo, reduzindo ainda mais a temperatura média. Finalmente, os átomos são liberados de uma armadilha magnética e podem se expandir. Isso causa uma queda na pressão que, por sua vez, naturalmente causa outra queda na temperatura da nuvem (o mesmo fenômeno que faz com que uma lata de ar comprimido fique fria após o uso). No espaço, a nuvem tem mais tempo para se expandir e, assim, atingir temperaturas ainda mais baixas do que as que podem ser alcançadas na Terra - até cerca de um décimo bilionésimo de grau acima do zero absoluto, talvez ainda mais baixo.

Instalações de átomos ultracold na Terra normalmente ocupam uma sala inteira, e na maioria, o hardware é deixado exposto para que os cientistas possam ajustar o aparelho se necessário. Construir um laboratório de átomo frio para o espaço apresentou vários desafios de design, alguns dos quais alteram a natureza fundamental dessas instalações. Primeiro, havia a questão do tamanho:CAL voou para a estação em duas partes - uma caixa de metal um pouco maior do que um minifridge e uma segunda do tamanho de uma mala de mão. Segundo, CAL foi projetado para ser operado remotamente da Terra, por isso foi construído como uma instalação totalmente fechada.

CAL também apresenta uma série de tecnologias que nunca foram voadas no espaço antes, como células de vácuo especializadas que contêm os átomos, que deve ser lacrado com tanta força que quase nenhum átomo perdido pode vazar. O laboratório precisava ser capaz de suportar o tremor de lançamento e as forças extremas experimentadas durante o vôo para a estação espacial. As equipes levaram vários anos para desenvolver um hardware exclusivo que pudesse atender às necessidades precisas de resfriamento de átomos no espaço.

"Várias partes do sistema exigiram um redesenho, e algumas partes quebraram de maneiras que nunca tínhamos visto antes, "disse Robert Shotwell, engenheiro-chefe da Astronomia do JPL, Diretoria de Física e Tecnologia Espacial e gerente de projeto CAL. "A instalação teve que ser completamente desmontada e remontada três vezes."

Todo o trabalho árduo e resolução de problemas desde o início da missão em 2012 transformaram a visão da equipe CAL em realidade em maio passado. Os membros da equipe CAL conversaram por vídeo ao vivo com os astronautas Ricky Arnold e Drew Feustel a bordo da Estação Espacial Internacional para a instalação do Laboratório Cold Atom, a segunda instalação de átomos ultracold já operados no espaço, o primeiro a atingir a órbita terrestre e o primeiro a permanecer no espaço por mais de alguns minutos. Pelo caminho, O CAL também atendeu aos requisitos mínimos que a NASA estabeleceu para considerar a missão um sucesso e está fornecendo uma ferramenta única para sondar os mistérios da natureza.