Rakete als Kühltruhe: Erstmals ist es gelungen, eine Atomwolke in einer Rakete in den Zustand des Bose-Einstein-Kondensats zu versetzen. Eine kühlschrankgroße Apparatur kühlte dabei Rubidium-Atome so stark herunter, dass sich die Teilchen wie ein einziges Atom verhielten. Dieser exotische Materiezustand ermöglicht präzisere Messungen der Gravitation, könnte künftig aber auch Quantensensoren für Geodäsie und Navigation ermöglichen.
Bose-Einstein-Kondensaten entstehen, wenn Atome bis fast auf den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt werden. Diese ultrakalte Atomwolke geht dann in einen besonderen Zustand der Materie über: Die Atome verlieren ihre Eigenständigkeit und verhalten sich wie ein einziges „Riesenatom“. Quantenphysikalisch ausgedrückt: Die auch als Wellen beschreibbaren einzelnen Teilchen schwingen im Gleichtakt und vereinen sich zu einer großen Materiewelle.
Um ein solches Bose-Einstein-Kondensat zu erzeugen, benötigt man normalerweise Gerätschaften, die einen ganzen Raum füllen. Doch bereits vor einigen Jahren gelang es deutschen Physikern, die Apparaturen enorm zu verkleinern. Das komplexe System aus Magneten, Laserkühlung und einem Spezialchip als Atomfalle ist nur noch so groß wie ein Kühlschrank. Bereits 2007 gelang es den Forschern damit erstmals, ein Bose-Einstein-Kondensat im freien Fall zu erzeugen.
Kondensat in einer fliegenden Rakete
Jetzt haben die Forscher diesen exotischen Materiezustand erstmals auch im Weltraum erzeugt. Dies gelang an Bord einer ballistischen Forschungsrakete, die am 23. Januar 2017 vom Raumfahrtzentrum Esrange in Nordschweden ins Weltall startete. Während der etwa sechsminütigen Phase, in der während des Fluges Schwerelosigkeit herrscht, bildete eine Wolke aus ultrakalten Rubidium-Atomen ein Bose-Einstein-Kondensat.
Die Atomwolke wurde beim Flug in einem zweistufigen Verfahren heruntergekühlt. Laser bremsten dafür zunächst die Bewegung der Atome ab und kühlten sie damit auf Gradbruchteile über minus 273 Grad herunter. Dann „siebten“ Magnetfelder auf dem Atomchip die beweglicheren und damit wärmeren Atome heraus, so dass nur noch die kältesten und damit unbeweglichsten Teilchen in der Falle bleiben. Messungen ergaben, dass die Rubidium-Atome bis auf wenige Nanokelvin abkühlten und ein Bose-Einstein-Kondensat bildeten.
Weg frei für Quantensensoren im All
Der erfolgreiche Flug des MAIUS 1 getauften Experiments belegt, dass die Technologie zur Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats auch unter Weltraumbedingungen störungsfrei funktioniert. Trotz der enormen mechanischen und thermischen Belastungen eines Raketenstarts blieb der quantenoptische Sensor einsatzfähig.
Wichtig ist dies, weil damit die Grundlage für den künftigen Einsatz von Quantensensoren im Weltraum gelegt wurde. Weil die Atome im Kondensat einheitlich reagieren, lassen sich mit ihnen beispielsweise hochsensible Messungen der Gravitation durchführen. „Auch der Einsatz von Quantensensoren in Satelliten für eine präzisere Geodäsie und Navigation wird schon diskutiert“, erklärt Ernst Rasel von der Universität Hannover.
Im nächsten Schritt sollen mit MAIUS 2 und 3 in den Jahren 2018 und 2019 zwei weitere Missionen folgen. Auf MAIUS 2 werden neben ultrakalten Rubidium-Atomen erstmalig auch ultrakalte Kalium-Atome auf einer Forschungsrakete eingesetzt. Bei MAIUS 3 soll dann die Fallgeschwindigkeit von Bose-Einstein-Kondensaten aus beiden Atomarten via Interferometrie verglichen werden – eine Voraussetzung für Gravitationsmessungen mit solchen Atomwolken. Langfristiges Ziel ist es, die Technologie auch auf Satelliten oder der Internationalen Raumstation ISS einsetzen zu können – die NASA hat bereits ihr Interesse angemeldet.
(Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), 24.01.2017 – NPO)
