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Forschung in Schwerelosigkeit : Quanten im All

  • -Aktualisiert am

Hallo, der Lieferdienst ist da: Blick von der Aussichtskuppel der ISS auf das Andocken der Cygnus-Kapsel, die unter anderem das Quantenexperiment mitbrachte. Bild: Foto Nasa

Ein Bose-Einstein-Kondensat ist eine Art fünfter Aggregatszustand von Materie. Jetzt wurden so etwas auch auf der Internationalen Raumstation erzeugt. Was bringt uns das?

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          An Bord der Internationalen Raumstation ISS kreist das Kälteste, was Menschen je ins All gebracht haben. Es ist kälter als der Weltraum selbst: weniger als ein zehnmilliardstel Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt. Derart heruntergekühlt, schweben einige tausend Atome des Elements Rubidium in einer kleinen Vakuumkammer des „Cold Atom Lab“. CAL, wie es kurz heißt, hat ein Team des Jet Propulsion Laboratory gebaut, eines Instituts der Nasa und des Caltech. Im Mai 2018 wurde es mit einem Cygnus-Raumtransporter zur ISS geschickt. Dazu mussten die Amerikaner eine hochempfindliche Versuchsapparatur, die normalerweise ein ganzes Labor füllt, auf die Maße eines großen Koffers schrumpfen und fit für den Ritt auf einer Rakete machen. Die Aktion gelang. Seit zwei Jahren laufen die Experimente, jetzt wurden in „Nature“ Ergebnisse publiziert.

          Die extreme Kälte senkt den Bewegungsdrang der Rubidiumatome derart, dass sie ein sogenanntes Bose-Einstein-Kondensat bilden. Was ist das, und warum bringt man so etwas mit viel Aufwand ins Weltall? Maike Lachmann kann beide Fragen beantworten. Die Doktorandin am Institut für Quantenoptik der Universität Hannover ist Erstautorin eines die „Nature“-Veröffentlichung begleitenden Kommentars. Für ihre eigenen Forschungen schleudert sie ebenfalls Bose-Einstein-Kondensate an den Rand des Weltalls und lässt sie wieder herunterstürzen – mit Forschungsraketen.

          Der fünfte Aggregatszustand

          „Ein Bose-Einstein-Kondensat ist ein sehr exotischer Materiezustand“, sagt die Physikerin. Es sei gewissermaßen etwas Fünftes neben gasförmig, flüssig, fest und dem Plasma. Nun sind Atome eigentlich in allen Aggregatzuständen des Materials, das sie aufbauen, nicht nur Teilchen, sondern auch quantenmechanische Wellen. Bei extremer Kälte aber überlappen sich die Wellen der träge gewordenen Atome, bis diese zu einer einzigen Welle kondensieren – ein bisschen wie Ruderer in einem Drachenboot, die sich schließlich im Gleichtakt eingependelt haben. Albert Einstein beschrieb derartige, zu seiner Zeit noch hypothetische Zustände mit Methoden, die der Inder Satyendra Nath Bose Anfang der zwanziger Jahre entwickelt hatte. Bose-Einstein-Kondensate sind selbst Quantenobjekte, die aber, gemessen an dem, was in diesem Bereich der Physik sonst üblich ist, riesengroß sein können.

          „Das Schöne ist, dass wir diesen gemeinsamen Quantenzustand der Atome mit einer einzigen quantenmechanischen Wellenfunktion beschreiben können“, sagt Lachmann. Das macht Bose-Einstein-Kondensate perfekt kontrollierbar, wodurch sie heute für terrestrische Quantenlabors ähnliche Bedeutung haben wie Mäuse in Biologie und Medizin. Allerdings stört die Erde. In ihrer Gravitation fällt die kalte Atomwolke nach unten, sobald man die zur Präparation nötigen, fein austarierten Magnetfelder und Laserstrahlen ausschaltet. Und wenn sie den Boden der Vakuumkammer erreicht, geht der Quantenzustand kaputt.

          Die Physik des Werfens

          Nun würde man aber Bose-Einstein-Kondensate gerne möglichst lange im freien Fall untersuchen können. Denn nur dann regiert die Quantenphysik völlig ungestört. „Die Quantenmechanik funktioniert in ihrem Gültigkeitsbereich perfekt, aber verstanden haben wir sie nicht“, sagt Claus Lämmerzahl. Der Bremer Physikprofessor versucht zusammen mit Kollegen seit gut 15 Jahren, Bose-Einstein-Kondensate der Schwerkraft länger zu entziehen. Seit 2007 ließ er sie immer mal wieder im Turm des Bremer Zentrums für Angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation herabfallen. Während des freien Falls in der 120 Meter hohen Vakuumröhre herrscht in der Experimentkapsel fast fünf Sekunden lang Schwerelosigkeit, während deren sich das schwebende Kondensat frei entfalten kann. Noch längere Schwerelosigkeit bieten Parabelflüge mit Forschungsflugzeugen, und in Maike Lachmanns Raketenexperimenten dauert der Schwebezustand sogar bis zu sechs Minuten.

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