Qual é o lugar mais frio que você pode imaginar? As temperaturas em um dia de inverno em alguns lugares da Antártica, chegam a -85 graus Celsius. No lado “oculto” da Lua, as temperaturas atingem -173 graus Celsius. Mas dentro de um laboratório da NASA, o chamado Cold Atom Laboratory que está na Estação Espacial Internacional, os cientistas estão criando um ambiente ainda mais frio.
O Cold Atom Laboratory, ou CAL, é a primeira instalação em órbita a produzir nuvens de átomos ultrafrios, que podem atingir uma fração de graus acima do zero absoluto, que é -273 graus Celsius. Essa é a temperatura absoluta mais baixa que a matéria pode atingir. Nada na natureza é conhecido que já tenha atingido as temperaturas alcançadas nos laboratórios como o CAL, assim, a instalação em órbita da Terra, pode muito bem ganhar o título de ponto mais frio do universo.
Mas por que os cientistas estão produzindo nuvens de átomos a uma fração de graus acima do zero absoluto? E por que isso precisa estar no espaço? A resposta direta é, física quântica.
Sete meses depois de ser lançado, em 21 de Maio de 2018, o CAL está produzindo diariamente átomos ultrafrios. Cinco equipes de cientistas estão realizando seus experimentos no CAL durante esse primeiro ano, e 3 experimentos já estão em andamento.
Por que ter átomos frios numa temperatura extremamente baixa? Átomos dentro de uma sala, por exemplo, se movem de maneira bem rápida, se você diminui a temperatura e gera átomos ultrafrios eles se movem bem lentamente. O quanto mais lento pode variar, mas normalmente, os átomos ultrafrios são mais de 200 mil vezes mais lentos do que os átomos numa sala. Isso abre uma nova maneira de estudar os átomos, bem como novas maneiras de usar os átomos para investigar outros fenômenos físicos. O objetivo principal do CAL é conduzir pesquisa em física fundamental, tentar entender o trabalho da natureza no seu nível mais fundamental.
“Com o CAL nós estamos começando a ter realmente o entendimento sobre como os átomos se comportam na microgravidade, como manipular esses átomos, como o sistema é diferente daquele que usamos na Terra”, disse Roy Thompson, um físico do CAL no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, em Pasadena, na Califórnia. “Isso tudo é conhecimento que está sendo construído para se ter uma base para o que esperamos ter no futuro sobre experimentos com átomos frios no espaço”.
Os laboratórios na Terra podem produzir os átomos ultrafrios, mas aqui na Terra, a gravidade puxa essas nuvens de átomos rapidamente e eles caem em frações de segundo, dando aos cientistas um tempo ínfimo para que possam fazer seus estudos. Campos magnéticos podem ser usados para prender os átomos, mas isso restringe o seu movimento natural e limita os experimentos que podem ser feitos. Na microgravidade, as nuvens de átomos ultrafrios flutua por um tempo bem maior, dando aos cientistas a possibilidade de entender e estudar o seu comportamento.
O proceso para se criar nuvens de átomos ultrafrios começa com lasers que iniciam o processo de diminuir a temperatura reduzindo a velocidade dos átomos. Ondas de rádio cortam os membros mais quentes do grupo, diminuindo a temperatura média. Finalmente, os átomos são lançados de uma armadilha magnética, e se expandem. Isso faz com que a pressão cais, o que faz a temperatura cair mais ainda. No espaço, a nuvem tem um tempo maior para se expandir e assim atinge temperaturas mais baixas ainda, temperaturas que não podem ser alcançadas aqui na Terra, um bilionésimo de grau acima do zero absoluto e talvez até uma temperatura mais baixa.
As instalações de átomos ultrafrios na Terra, normalmente ocupam o espaço de uma sala inteira, e na maior parte das vezes, elas são expostas de modo que os cientistas possam ajustar algo caso seja necessário. Construir um laboratório de átomo frio no espaço trouxe muitos desafios, alguns que mudaram até a natureza fundamental dessas instalações. Primeiro, o tamanho, o CAL na ISS tem duas partes, uma caixa de metal do tamanho de um frigobar e uma outra parte do tamanho de uma mala de mão. Segundo, o CAL foi desenhado para ser operado de forma remota da Terra, ou seja, diferente do que é feito aqui, a instalação é totalmente fechada, sem acesso para os cientistas.
O CAL também apresenta um grande número de tecnologias que nunca tinham ido para o espaço antes, como células de vácuo especializadas que contém os átomos, que foram seladas para que nenhum átomo vazasse. O laboratório precisa ser capaz de aguentar os ruídos e o agito do lançamento e das forças extremas durante o voo até a ISS. Isso fez com que os cientistas levassem anos para poder desenhar e construir esse experimento.
“Algumas partes foram redesenhadas, e outras quebraram e tiveram que ser trocadas”, disse Robert Shotwell, engenheiro chefe para o Astronomy, Physics, and Space Technology Directories do JPL e gerente de projeto do CAL. “A instalação foi totalmente desmontada e remontada 3 vezes”.
Com tudo isso resolvido, o CAL ficou pronto para viajar até o espaço em Maio de 2018. Os membros da equipa do Cal conversaram em vídeo conferência com os astronautas Ricky Arnold e New Feustel, a bordo da ISS para instalar o CAL, e assim ele se tornou a segunda instalação de átomos ultrafrios a ir para o espaço, a primeira a atingir a órbita da Terra e a primeira a permanecer no espaço por mais de poucos minutos. O CAL está dentro de todos os requisitos da NASA para que possa atingir o sucesso, e é agora uma ferramenta importante para que possamos investigar os mistérios da natureza.
O CAL foi desenhado e construído no JPL, é vinculado e possui o apoio do International Space Station Program , no Johnson Space Center da NASA em Houston, e da Space Life and Physical Sciences Research and Applications, a SLPSRA, uma divisão do Human Exploration and Operations Mission Directorate da NASA, na sede da agência em Washington.
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