Chimica quantistica sulla ISS

Il 21 maggio 2018 la capsula cargo Cygnus di Orbital ATK (ora Northrop Grumman), veniva lanciata verso la ISS per la missione di rifornimento CRS OA-9E. Tra le oltre 3 tonnellate di materiali presenti a bordo spiccava l’esperimento NASA Cold Atom Laboratory (CAL), per lo studio in microgravità del comportamento degli atomi in condizioni di freddo quasi assoluto.

Chimica quantistica

In accordo con una serie di regole assolute, gli atomi e le molecole si legano, rimangono legate o si dissociano creando la materia dell’universo. In base alle condizioni ambientali in cui atomi e molecole si trovano, nel nostro caso la microgravità, tali regole possono ridurre o incrementare il loro effetto sul comportamento della materia.

Grazie all’esperimento CAL, installato all’interno del modulo Destiny della Stazione Spaziale Internazionale, gli scienziati del NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) possono esplorare scenari in cui la natura quantistica degli atomi domina il loro comportamento.
In uno di questi scenari, a temperature estremamente basse, piccole molecole composte da due o tre atomi legati tra loro ma a grande distanza, acquistano un comportamento simile alle onde.

Secondo la chimica quantistica il nucleo degli atomi è avvolto in una nube di elettroni, la cui posizione non è certa ma è statisticamente probabile e che occupano orbitali diversi in base al loro stato energetico. Per salire o scendere da un orbitale all’altro, allontanandosi o avvicinandosi al nucleo, gli elettroni devono acquisire o cedere un determinato “quanto” di energia, da qui il nome della famosa teoria.

Cold Atom Laboratory

Dopo una serie di aggiornamenti hardware effettuati dagli astronauti della ISS, in particolare Christina Koch nel gennaio 2020 e Megan McArthur nel luglio 2021, è stato possibile creare una miscela gassosa composta da isotopi di rubidio (⁸⁷Rb) e potassio (⁴¹K), raffreddati a circa un milionesimo di grado dallo zero assoluto (−273,15 °C).
Per raggiungere una tale temperatura il CAL utilizza sei laser per generare una trappola magneto-ottica che blocca gli atomi, i più energetici vengono man mano rimossi e la loro rimozione raffredda quelli che rimangono, proprio come l’evaporazione delle molecole superficiali di un liquido raffredda quelle sottostanti.
Quando questo processo viene effettuato nei laboratori sulla Terra, a causa della forza di gravità si creano molecole estremamente fragili che collassano molto rapidamente. Sulla ISS invece, in condizioni di microgravità, le molecole resistono più a lungo ed evidenziano una crescita maggiore.
Questo tipo di molecole, in uno stato chiamato Condensato di Bose-Einstein (BEC) e che non esistono in natura, possono essere utilizzate per realizzare strumenti talmente sensibili da rilevare lievi cambiamenti di un campo magnetico o di altre forze che ne causino il collasso.

Teoria del tutto

Unificare la meccanica quantistica, che descrive il comportamento del molto piccolo, con la teoria della relatività generale, che descrive il comportamento del molto grande, è da oltre un secolo l’obiettivo dei fisici di tutto il mondo.
Innumerevoli esperimenti hanno confermato la correttezza di entrambe le teorie, ma finora nessuno è stato in grado di unificarle in una singola teoria del tutto che descriva l’universo nella sua interezza.

L’esperimento condotto sulla ISS ha dimostrato la possibilità di utilizzare un gas quantistico con un interferometro atomico per verificare se il principio di equivalenza, secondo cui la gravità influisce in egual modo su tutti gli oggetti indipendentemente dalla loro massa, è vera anche a livello atomico. La maggior precisione garantita dalla microgravità, consentirà agli scienziati di capire se esiste un punto dell’infinitamente piccolo oltre il quale la gravità si discosta dal principio di equivalenza, aprendo nuove possibilità verso la ricerca della teoria unificatrice.

Fonte: NASA/JPL, Nature (DOI)