Materieforschung im Weltraum: Extreme Form von Materie auf der Internationalen Raumstation erzeugt

Die Internationale Raumstation (ISS) machte zuletzt Schlagzeilen, als die Amerikaner nach fast einem Jahrzehnt erstmals wieder Astronauten dorthin flogen und in Deutschland, als Alexander Gerst das Kommando auf dem 400 Kilometer über der Erde kreisenden Außenposten der Menschheit führte.

Nun liefert die Station ein wissenschaftliches Highlight: die Herstellung eines Bose-Einstein-Kondensats im Orbit, von dem jetzt Physiker im Fachmagazin „Nature“ berichten.

Ein Bose-Einstein-Kondensat ist eine außergewöhnliche Form von Materie. Um sie herzustellen werden Atome bis fast an den absoluten Nullpunkt abgekühlt, auf eine Temperatur nahe 273 Grad Celsius unter null.

Quantenforschung und Sensoren

Dadurch werden die Bewegungen der Atome massiv verlangsamt. Sind sie bei Raumtemperatur schneller als der Schall, sind sie nahe dem absoluten Nullpunkt langsamer als eine Schnecke. Und sie zeigen ein seltsames Verhalten: Sie geben ihre Eigenständigkeit auf und bilden eine Art Superatom, in dem alle die gleichen physikalischen Eigenschaften annehmen. Statt chaotisch umher zu zappeln, marschieren sie sozusagen im Gleichschritt. Die Atomwolke verhält sich wie eine Materiewelle. Damit werden Effekte aus Quantenwelt sichtbar und können erforscht werden.

Die Experimente in der Schwerelosigkeit ermöglichen Fortschritte in der Quantenforschung. Mögliche Anwendungen sind etwa hochsensible Sensoren, die berührungslos Rohstoffe, Veränderungen des Grundwassers oder Hohlräume im Untergrund aufspüren oder die Navigation präziser machen als sie heute ist.

Um ein Bose-Einstein-Kondensat herzustellen, sind umfangreiche Aufbauten erforderlich. Zunächst werden die schnellen Atome mittels Laser gebremst. Anschließend werden besonders energiereiche Atome entfernt, sodass nur die langsamen übrigbleiben und das erwünschte Kondensat bilden.

Nachdem dies vor 25 Jahren erstmals gelang, haben Forschergruppen mittlerweile einige Routine darin. Aber es gibt ein Problem: Die Erdanziehungskraft macht den besonderen Materiezustand nach Sekundenbruchteilen zunichte und limitiert die Forschung. Soll er länger aufrechterhalten werden, müsste man in die Schwerelosigkeit gehen.

17 Milliardstel Grad über null

Mit diesem Ziel wurde das „Cold Atom Lab“ am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der Nasa gebaut. Die Ingenieure mussten die Hightech-Geräte so auslegen, dass sie einen Raketenstart überstehen und im Orbit vom JPL aus steuerbar sind – und alles in einem kühlschrankgroßen Container unterbringen. Im Mai 2018 war das Cold Atom Lab schließlich fertig und wurde zur ISS gebracht.

Wie in Laboren auf der Erde wird das Bose-Einstein-Kondensat in einer Magnetfalle erzeugt und das Magnetfeld dann abgeschaltet, um mit den Untersuchungen zu beginnen. Wirkt die Erdanziehungskraft, ist der besondere Zustand nach ein paar Hundertstelsekunden vorüber, die Wolke zerfällt.

Wie Robert Thompson vom JPL und sein Team nun berichten, hielt das Bose-Einstein-Kondensat aus Rubidiumatomen im Erdorbit mehr als eine Sekunde und dehnte sich viel langsamer aus als vergleichbare Atomwolken auf der Erde. Es wurde eine Temperatur von 17 Nanokelvin erreicht, das sind 17 Milliardstel Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt.

Die am Cold Atom Lab Beteiligten meinen, dass künftig noch tiefere Temperaturen erreicht werden können und das Bose-Einstein-Kondensat bis zu 20 Sekunden bestehen könnte – was die Forschungsmöglichkeiten weiter verbessert.

Massenänderungen, Rohstoffe und Navigation

Dem Team sei ein „Meisterstück“ gelungen, das nicht nur ein „technologischer Meilenstein“ sei, sondern auch das grundlegende physikalische Verständnis verbessern könne, schreibt Maike Lachmann vom Institut für Quantenoptik an der Universität Hannover in einem begleitenden Kommentar in „Nature“: Atominterferometer könnten die Welleneigenschaften von Atomen nutzen und extrem geringe Unterschiede der Gravitation erfassen.

Die Empfindlichkeit eines Atominterferometers nimmt exponentiell mit der Lebensdauer des Bose-Einstein-Kondensats zu. Verschiedenste Anwendungen sind denkbar, von Grundlagenforschung zu dunkler Materie und dunkler Energie bis zum Aufspüren von Massenänderungen im Untergrund, die durch schwankende Grundwassermengen oder Magmaströme auftreten können. Auch die Suche nach Rohstoffen oder Hohlräumen unter der Oberfläche, die als überraschende Erdfälle auch hierzulande gefährlich sind, gehört dazu. Nicht zuletzt versprechen Atominterferometer eine deutliche Präzisierung von Navigationssystemen.