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Ultrakalte Atome im Mini-Labor Erstes Bose-Einstein-Kondensat im Weltall erzeugt

| Autor / Redakteur: Diana Gonzalez* / Dr. Ilka Ottleben

Deutschen Wissenschaftlern ist es erstmalig gelungen, ein Bose-Einstein-Kondensat im Weltraum zu erzeugen und für Interferometrie-Experimente zu nutzen. Bose-Einstein-Kondensate entstehen, wenn ein Gas bis fast auf den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt wird. Dabei befindet sich eine große Menge der Teilchen in einem quantenmechanischen Zustand.

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Vorbereitungen an der Nutzlast der Forschungsrakete.
Vorbereitungen an der Nutzlast der Forschungsrakete.
(Bild: DLR MORABA/T. Schleuß.)

Eines der komplexesten Experimente, das je auf einer Forschungsrakete geflogen wurde: So könnte man das Experiment MAIUS 1 (Materiewellen-Interferometrie unter Schwerelosigkeit) beschreiben, das am 23. Januar 2017 um 3.30 Uhr mitteleuropäischer Zeit mit einer Forschungsrakete vom Raumfahrtzentrum Esrange bei Kiruna in Nordschweden ins Weltall gestartet ist.

Während der etwa sechsminütigen Phase, in der während des Fluges Schwerelosigkeit herrscht, ist es deutschen Wissenschaftlern erstmalig gelungen, ein Bose-Einstein-Kondensat (BEK) im Weltraum zu erzeugen und für Interferometrie-Experimente zu nutzen.

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„Bose-Einstein-Kondensate entstehen, wenn ein Gas bis fast auf den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt wird“, sagt Rainer Forke vom Raumfahrtmanagement des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). „Nun sind wir glücklich, dass wir nachweisen konnten, dass die MAIUS-1-Anlage im Weltraum einwandfrei arbeitet. Während der Schwerelosigkeitsphase konnten rund 100 Einzelexperimente zu verschiedenen Aspekten der Materiewelleninterferometrie durchgeführt werden.“

Ultrakalte Atome im Mini-Labor

Wissenschaftler von elf deutschen Forschungseinrichtungen haben innerhalb weniger Jahre die Technologie zur Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten so miniaturisiert, dass die Experimentanlage in das Nutzlastmodul einer Forschungsrakete von rund zweieinhalb Metern Höhe und 50 Zentimetern Durchmesser passt.

„Normalerweise füllt eine solche Apparatur einen ganzen Laborraum“, sagt Dr. Stephan Seidel, wissenschaflticher Projektleiter MAIUS 1 von der Universität Hannover. „Die Anlage so kompakt und robust zu konzipieren, dass sie auf einer Forschungsrakete fliegen kann, war eine große Herausforderung für Wissenschaftler und Ingenieure.“

Will man ein Bose-Einstein-Kondensat erzeugen, so muss eine Wolke von Atomen - in diesem Fall verwenden die Forscher Rubidium-Atome - auf nahezu Minus 273 Grad Celsius abgekühlt werden. Hierfür reichen konventionelle Kühlungsmethoden nicht aus. In einem zweistufigen Verfahren wird daher die Bewegung der Atome zunächst mit Hilfe von Lasern abgebremst - denn je schneller sich ein Atom bewegt, desto höher ist seine Temperatur.

In der MAIUS-Apparatur sind dafür winzige Laser eingebaut, deren Strahlen die Rubidium-Atome abbremsen. Die Teilchen werden auf diese Weise in eine Atom-Falle überführt, aus der sie nicht entweichen können. Diese Falle wird kreiert mit Hilfe eines Atomchips, auf dem Magnetfelder erzeugt werden. Den magnetischen Einschluss kann man sich als die „Wände“ der Falle vorstellen.

Nach der Laserkühlung beginnt in der Magnetfalle die zweite Phase der Temperaturreduktion. Dabei wird das magnetische Feld reduziert, so dass sich die Höhe der „Wände“ verringert. Damit bleiben nunmehr nur die kältesten und damit unbeweglichsten Teilchen in der Falle, während die beweglicheren Atome die niedrigere Barriere überwinden können.

Auf dem Weg hin zu einer Langzeitmission im Weltraum

Die so erzeugten ultrakalten Atome werden in MAIUS zur Materiewelleninterferometrie genutzt. „Der Reiz, die Interferometrie mit Materiewellen auf möglichst lange Zeiten auszudehnen, hat auch einen wichtigen Anwendungsaspekt“, so Prof. Ernst Rasel, PI des Projekts an der Universität Hannover.

„Die Empfindlichkeit eines Atominterferometers wächst nämlich quadratisch mit der freien Fallzeit von BEKs in einem solchen Messgerät. So ist es nicht verwunderlich, dass bereits über lang andauernde Missionen von Weltraumsatelliten nachgedacht wird. Auch der Einsatz von Quantensensoren in Satelliten für eine präzisere Geodäsie und Navigation wird schon diskutiert.“

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