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宇航员如何升级太空中的复杂实验[视频]

宇航员如何升级太空中的复杂实验[视频]

冷原子实验室正在利用微重力来了解原子和量子世界,这可能为太空和地面上的新技术铺平道路。

nasa的冷原子实验室是国际空间站上进行基础物理实验的设施,最近在宇航员克里斯蒂娜·科赫和杰西卡·梅尔的帮助下进行了一次重大的硬件升级。将原子云冷却到绝对零度以上;最低温度物质可达最高温度。冷原子实验室使科学家能够直接观察独特的原子行为,帮助回答有关我们的世界如何在最小的尺度上工作的问题。新硬件将极大地扩展Cold Atom实验室的能力。

在太空中安装升级版也是一种试验。在地球上,这项任务将落在拥有多年处理组件经验的工程师身上。为了避免把设备从空间站带下来;这是一个既费钱又耗时的步骤。任务小组在南加利福尼亚州nasa喷气推进实验室通过实时视频会议指导科赫和梅尔完成了安装。

通过这次升级,我们有效地替换了冷原子实验室的核心,一切都必须完美无缺。喷气推进实验室冷原子实验室的项目经理Kamal Oudrhiri说。宇航员是非常聪明、能干的人,但我们感觉就像心脏外科医生第一次试图向全科医生展示如何做手术一样。我们竭尽所能确保成功,但实际上我很紧张。

在2020年1月,冷原子实验室操作团队的成员与宇航员克里斯蒂娜·科赫(Christina Koch)和杰西卡·梅尔(Jessica Meir)一起对冷原子实验室进行硬件升级,当时该实验室还在国际空间站上。

为什么这么冷?

物理学家在地球上使用超冷原子设备进行各种各样的实验,探索原子的基本行为。将原子冷却到0开尔文(- 459.67华氏度,或- 273.15摄氏度)以上100亿分之一范围内,会使它们的速度显著减慢,从而更易于研究。在这样的温度下,一些原子还能形成第五种状态的物质,即自然界中不存在的玻色-爱因斯坦凝聚。玻色-爱因斯坦凝聚为我们提供了一扇独特的窗户,让我们得以一窥量子力学的奇妙世界。

冷原子实验室是地球轨道上第一个超冷原子设施。在失重的太空环境中,原子不会受到重力的作用,所以它们会以不受束缚的超清凉状态存在很长一段时间。这一特点使科学家能够观察他们的自然行为,而这在地球上是不可能的。

自从“冷原子实验室”于2018年夏天开始运作以来,已有5个科学小组一直在用它进行实验,他们渴望开始使用升级后的硬件,包括一种名为“原子干涉仪”的新仪器。在太空中,原子干涉术可以有多种应用,包括精确测量重力,这对基础物理研究、行星科学和其他领域都很有用。

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例如,原子干涉术可以用来测量行星表面的重力变化,以了解其组成和表面下的特征。这个工具还可以用来测试爱因斯坦的基本引力理论,其测试程度是前所未有的。冷原子实验室团队最近证实,原子干涉仪工作正常,这使它成为第一个在太空中工作的仪器。

有了冷原子实验室,我们正在寻找只有在你能以极细微的尺度研究宇宙时才会出现的新物理现象。喷气推进实验室冷原子实验室原子干涉仪的首席科学家詹森·威廉姆斯说。

没有第二次机会

冷原子实验室由两个金属盒组成,其中较大的一个被称为科学仪器,重达400磅(180公斤)。里面是一个叫做科学模块的隔间,在这里原子被冷却,科学就在这里进行。

为了完成升级,科赫和梅尔将不得不小心地将这个庞大的科学仪器从空间站的操作位置移出,移除旧的科学模块,并将其替换为新的。

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在安装前几个月,冷原子实验室团队的成员与位于阿拉巴马州亨茨维尔的美国宇航局马歇尔太空飞行中心的有效载荷运行与集成中心合作,为科赫公司和梅尔公司创建指令。他们在8天的时间里将装置分为6个部分,包括为科赫公司做练习。宇航员在空间站的时间是非常宝贵的,所以任务团队花了几个星期的时间在地球上练习这些步骤,以优化程序。

有这么多的细节,甚至都难以解释清楚。喷气推进实验室(JPL)冷原子实验室运载火箭和空间站集成主管吉姆·凯洛格(Jim Kellogg)说。我们必须考虑一些细节,比如船员需要什么工具?如果我们需要从空间站上的另一组人那里借一个工具,我们该怎么做?当宇航员们在操作我们的仪器时,所有的东西都要暂时存放在哪里?每一个细节都需要记录下来并签字,马歇尔太空飞行中心的工作人员支持我们走完每一步。

为了重新安装科学仪器,单独工作的科赫需要检查并连接11根精密光纤电缆。光缆的玻璃纤维芯直径约为人类头发丝直径的二十分之一,如果有任何破损、污染或划伤,都可能导致任务失败。

她真是太棒了,太不可思议了。凯洛格谈到科赫时说。每次我要提醒她一些事情或者提前告诉她即将发生的事情时,她都已经准备好了。她非常注意我们工作的每一个细节,也非常注意我给她的指导。她在各方面都很了不起。

科赫对这一经历同样充满热情。(到达空间站后)我花了300多天的时间才到达冷原子实验室工作,但这是值得的。她在活动的第一天说。

安装结果如何?到目前为止,它看起来非常成功。

这是一项极其艰巨的任务,需要地面上一支专门的团队和两名忠心耿耿的宇航员,克里斯蒂娜和杰西卡。Oudrhiri说。如果这个装置安装得不好,就不会有第二次机会了。我们必须将整个飞行仪器带回地球,这可能会使我们倒退至少两年的时间。

一旦新硬件的测试和分析在未来几周内完成,该团队预计使用冷原子实验室的科学小组将再次开始获取数据。

冷原子实验室团队花了数年时间才建成了能够承受太空旅行、在几乎没有宇航员协助的情况下运行、甚至能够在轨道上升级的超冷原子设施。现在他们希望他们的工作已经开启了一个量子科学定期在轨道上完成的时代。

“冷原子实验室”由美国国家航空和宇宙航行局(NASA)的人类探索与操作任务理事会太空生命与物理科学研究与应用(SLPSRA)部门和位于休斯敦的美国国家航空和宇宙航行局约翰逊航天中心的国际空间站项目共同赞助,由喷气推进实验室设计和建造。

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