¿Cuál es el lugar más frío que se te ocurre? Las temperaturas en un día de invierno en la Antártida bajan hasta -120ºF (-85ºC). En el lado oscuro de la luna alcanzan los -280ºF (-173ºC). Pero dentro del Laboratorio Cold Atom de la NASA en la Estación Espacial Internacional, los científicos están creando algo aún más frío.

El Cold Atom Lab (CAL) es la primera instalación en órbita que produce nubes de átomos "ultrafríos", que puede alcanzar una fracción de grado por encima del cero absoluto:-459ºF (-273ºC), la temperatura absoluta más fría que puede alcanzar la materia. No se sabe nada en la naturaleza que alcance las temperaturas alcanzadas en laboratorios como CAL, lo que significa que la instalación en órbita es regularmente el lugar más frío conocido del universo.

El Laboratorio de Átomo Frío de la NASA en la Estación Espacial Internacional es regularmente el lugar más frío conocido del universo. Pero, ¿por qué los científicos están produciendo nubes de átomos a una fracción de grado por encima del cero absoluto? ¿Y por qué necesitan hacerlo en el espacio? Física cuántica, por supuesto.

Siete meses después de su 21 de mayo, 2018, lanzamiento a la estación espacial desde la instalación de vuelo Wallops de la NASA en Virginia, CAL produce átomos ultrafríos a diario. Cinco equipos de científicos llevarán a cabo experimentos en CAL durante su primer año, y ya se están realizando tres experimentos.

¿Por qué enfriar los átomos a un nivel tan bajo? Los átomos a temperatura ambiente suelen girar como colibríes hiperactivos, pero los átomos ultrafríos se mueven mucho más lento que incluso un caracol. Los detalles varían, pero los átomos ultrafríos pueden ser más de 200, 000 veces más lento que los átomos a temperatura ambiente. Esto abre nuevas formas de estudiar los átomos, así como nuevas formas de utilizarlos para la investigación de otros fenómenos físicos. El objetivo científico principal de CAL es realizar investigaciones de física fundamental:tratar de comprender el funcionamiento de la naturaleza en los niveles más fundamentales.

"Con CAL estamos empezando a tener una comprensión muy profunda de cómo se comportan los átomos en microgravedad, cómo manipularlos, en qué se diferencia el sistema de los que usamos en la Tierra, "dijo Rob Thompson, un físico de átomos fríos en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California, y el científico de la misión de CAL. "Todo esto es conocimiento que va a sentar las bases de lo que espero sea un largo futuro de la ciencia del átomo frío en el espacio".

Los laboratorios de la Tierra pueden producir átomos ultrafríos, pero en el suelo la gravedad tira de las nubes de átomos fríos y caen rápidamente, dando a los científicos solo fracciones de segundo para observarlos. Los campos magnéticos se pueden utilizar para "atrapar" los átomos y mantenerlos quietos, pero eso restringe su movimiento natural. En microgravedad, las frías nubes de átomos flotan por mucho más tiempo, dando a los científicos una visión ampliada de su comportamiento.

El proceso para crear las nubes de átomos fríos comienza con láseres que comienzan a bajar la temperatura al ralentizar los átomos. Las ondas de radio cortaron a los miembros más cálidos del grupo, bajando aún más la temperatura media. Finalmente, los átomos se liberan de una trampa magnética y se les permite expandirse. Esto provoca una caída de presión que, Sucesivamente, naturalmente provoca otra caída en la temperatura de la nube (el mismo fenómeno que hace que una lata de aire comprimido se sienta fría después de su uso). En el espacio, la nube tiene más tiempo para expandirse y, por lo tanto, alcanzar temperaturas aún más bajas que las que se pueden lograr en la Tierra, hasta aproximadamente una diez mil millonésima de grado por encima del cero absoluto, quizás incluso más bajo.

Las instalaciones de átomos ultrafríos en la Tierra suelen ocupar una habitación entera, y en la mayoría, el hardware se deja expuesto para que los científicos puedan ajustar el aparato si es necesario. La construcción de un laboratorio de átomos fríos para el espacio planteó varios desafíos de diseño, algunos de los cuales cambian la naturaleza fundamental de estas instalaciones. Primero, estaba la cuestión del tamaño:CAL voló a la estación en dos piezas:una caja de metal un poco más grande que una mininevera y una segunda del tamaño de una maleta de mano. Segundo, CAL fue diseñado para ser operado de forma remota desde la Tierra, por lo que fue construido como una instalación completamente cerrada.

CAL también presenta una serie de tecnologías que nunca antes se habían volado en el espacio, como las celdas de vacío especializadas que contienen los átomos, que tienen que ser sellados tan herméticamente que casi ningún átomo perdido pueda filtrarse. El laboratorio necesitaba poder resistir el temblor del lanzamiento y las fuerzas extremas experimentadas durante el vuelo a la estación espacial. Los equipos tardaron varios años en desarrollar un hardware único que pudiera satisfacer las necesidades precisas de enfriamiento de átomos en el espacio.

"Varias partes del sistema requirieron rediseño, y algunas partes se rompieron de formas que nunca antes habíamos visto, "dijo Robert Shotwell, ingeniero jefe de Astronomía del JPL, Dirección de Física y Tecnología Espacial y jefe de proyecto CAL. "La instalación tuvo que ser completamente destrozada y reensamblada tres veces".

Todo el arduo trabajo y la resolución de problemas desde el inicio de la misión en 2012 convirtió la visión del equipo de CAL en realidad el pasado mes de mayo. Los miembros del equipo CAL hablaron a través de video en vivo con los astronautas Ricky Arnold y Drew Feustel a bordo de la Estación Espacial Internacional para la instalación del Laboratorio Cold Atom. la segunda instalación de átomos ultrafríos jamás operada en el espacio, el primero en llegar a la órbita terrestre y el primero en permanecer en el espacio durante más de unos minutos. Por el camino, CAL también ha cumplido con los requisitos mínimos establecidos por la NASA para considerar que la misión fue un éxito y está proporcionando una herramienta única para sondear los misterios de la naturaleza.