Die vertraute Geste beim Suppenkühlen – verlegt in 400 Kilometer Höhe
Wer eine dampfende Schale heißer Suppe vor sich hat, pustet instinktiv über die Oberfläche. Die schnellsten und energiereichsten Moleküle werden vom Lufthauch mitgerissen, und die durchschnittliche Wärme der Flüssigkeit sinkt allmählich. In der Physik bezeichnet man diesen alltäglichen Vorgang als Verdampfungskühlung.
Im Gefrierfach eines gewöhnlichen Haushaltskühlschranks herrschen etwa minus 18 Grad Celsius. Im eisigen Inland der Antarktis, dem kältesten natürlichen Ort der Erde, wurden jemals minus 89 Grad gemessen. Am 5. November 2026 veröffentlichten chinesische Wissenschaftler im renommierten Fachjournal Science eine bahnbrechende Arbeit: Sie beförderten eine hochpräzise Kühlanlage in eine 400 Kilometer hohe Umlaufbahn und erzeugten an Bord der Raumstation Tiangong die kälteste jemals von Menschenhand geschaffene Materie.
Die automatisierte Versuchsanlage kühlte Atome auf 9,7 Pikokelvin ab. Ein Pikokelvin entspricht dem billionsten Teil eines Kelvins – einer unvorstellbar winzigen Temperaturskala. Die Thermodynamik kennt eine absolute Grenze: den absoluten Nullpunkt bei circa minus 273,15 Grad Celsius, an dem jede thermische Teilchenbewegung praktisch zum Erliegen kommt. Das an Bord der chinesischen Raumstation erzeugte atomare Gas befand sich nur noch ein Zehnbillionstel Grad über diesem absoluten Tiefpunkt.
Wenn die Schwerkraft Atomwolken erdrückt: Die Flucht ins All
Warum betreibt die Wissenschaft diesen gewaltigen Aufwand, um komplexe Kühlinstrumente ins Weltall zu transportieren? Die Antwort liegt in der allgegenwärtigen Gravitation der Erde. Im mikroskopischen Bereich spiegelt Temperatur wider, wie heftig sich Atome bewegen: Je heißer eine Flüssigkeit, desto wilder tanzen die Moleküle. Abkühlen bedeutet nichts anderes, als die atomare Bewegung systematisch zu verlangsamen.
Um Atome im Vakuum festzuhalten und abzukühlen, errichten Forschende mit Laserstrahlen unsichtbare elektromagnetische Kraftfelder. In der Physik nennt man diese Barrieren Potenzialtöpfe – sie wirken wie eine glatte Schale. Fällt die Temperatur unter milliardstel Kelvin, muss diese Lichtschale extrem flach und weit justiert werden, damit sich die Atomwolke entspannt ausdehnen kann.
Auf der Erde stößt dieser Ansatz jedoch an fundamentale Grenzen. Die Schwerkraft reißt unablässig an den Teilchen. Wird die äußere optische Schale zu flach eingestellt, sackt die fragile Atomwolke unter ihrem eigenen Gewicht zusammen und tropft nach unten heraus. Deutsche Forschende bauten in Bremen einen 146 Meter hohen Fallturm, um im freien Fall für kurze Momente Schwerelosigkeit zu erzeugen – doch das Zeitfenster für Experimente blieb auf rund zwei Sekunden beschränkt.
Um ultrakalte Atome über längere Zeiträume schwebend zu halten, muss man dem terrestrischen Schwerefeld entkommen. Das Labormodul Mengtian der Raumstation Tiangong kreist in Mikrogravitation – einem Zustand, in dem orbital fallende Objekte keinem lastenden Eigengewicht ausgesetzt sind. Da der ständige Zug nach unten entfällt, bleibt die fragile Atomwolke stabil im Raum stehen.
Abbildung: Die Raumstation Tiangong im Orbit. Quelle: CMSA / SCMP
Flache Lichtfallen: 20.000 Atome langsamer als eine Gartenschnecke
Im Mengtian-Modul befindet sich das Cold Atom Physics Rack (CAPR), ein automatisiertes Laboratorium für kalte Atome. Das Forschungsteam nutzte darin eine optische Dipolfalle: sich kreuzende Laserstrahlen, die wie eine optische Pinzette wirken und Atome durch elektromagnetische Kräfte fixieren. In der Vakuumkammer hielten die Lichtstrahlen zunächst rund zwei Millionen Rubidium-87-Atome fest – ein weiches Alkalimetallisotop, das sich hervorragend mit Lasern manipulieren lässt.
Zu Beginn schloss ein fünf Watt starker Laser die Atome in einem nur 54 Mikrometer winzigen Areal ein. Anschließend drosselte die Steuerung die Laserleistung stufenweise auf zarte 0,2 Milliwatt herab. Wie beim Pusten über die Suppe entwichen die energiereicheren Teilchen über den flacheren Rand. Die verbliebenen Atome kühlten auf 3,1 Nanokelvin ab und kondensierten zu einem Bose-Einstein-Kondensat (BEC) – jenem makroskopischen Quantenzustand, in dem sich sämtliche Teilchen synchron wie ein einzelnes Riesenatom verhalten.
Daraufhin entließen die Wissenschaftler die Teilchen in eine 124 Mikrometer weite äußere Lichtfalle. Unbeeinflusst von der Erdanziehung dehnte sich die Wolke ungehindert aus. Da Zusammenstöße zwischen den Atomen drastisch abnahmen, sank die effektive Temperatur auf 9,7 Pikokelvin. Dieser Wert unterbietet den bisherigen, am Bremer Fallturm aufgestellten Rekord von 38 Pikokelvin um fast das Vierfache und übertrifft auch die 2020 vom Cold Atom Lab der NASA auf der ISS erreichten 52 Pikokelvin deutlich.
Die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung im tiefen Weltall liegt bei etwa 2,7 Kelvin. Das in der Raumstation generierte Gas ist damit über 200 Milliarden Mal kälter als die natürliche Kälte des Weltraums. Bei 9,7 Pikokelvin drifteten die 20.000 Rubidiumatome mit einer Geschwindigkeit von weniger als 200 Mikrometern pro Sekunde auseinander. Eine gewöhnliche Gartenschnecke benötigt für einen Zentimeter Strecke etwa 50 Sekunden – was exakt jenen 200 Mikrometern pro Sekunde entspricht. Die ultrakalten Atome bewegen sich also buchstäblich im Schneckentempo: Um die Breite eines einzelnen menschlichen Haares zu überqueren, benötigen sie mehr als eine halbe Minute.
Abbildung: Schematische Darstellung der optischen Dipolfalle zur Bindung ultrakalter Atome in der Raumstation. Quelle: Xiaoji Zhou / Peking University (via DongA Science)
Sieben Sekunden freie Expansion: Ein Beobachtungsfenster von unschätzbarem Wert
Für viele Quantenphysiker ist der Temperaturrekord lediglich die Ouvertüre. Der entscheidende wissenschaftliche Durchbruch liegt darin, dass sich die Atomwolke im Weltall über volle sieben Sekunden frei ausdehnen konnte und währenddessen kontinuierlich vermessen und abgebildet wurde.
Terrestrische Falltürme bieten baubedingt kaum mehr als zwei Sekunden Beobachtungszeit. Frühere Experimente auf der ISS erreichten lediglich Intervalle um eine Sekunde. Holger Müller, Physiker an der University of California in Berkeley, betonte, dass die sieben Sekunden eine noch härtere und bedeutendere Kennzahl als die 9,7 Pikokelvin seien. Zwar ließen sich extrem tiefe Temperaturen künftig womöglich auch am Boden demonstrieren, doch eine sieben Sekunden lange ungestörte Schwebephase im freien Fall sei auf der Erde schlicht unmöglich.
Ein sieben Sekunden langes Messfenster wirkt für Forschende wie eine Hochgeschwindigkeitskamera mit extrem langer Belichtungszeit. Je langsamer die mikroskopischen Teilchen driften und je länger sie ungestört verweilen, desto zuverlässiger lassen sich thermische und seismische Störsignale herausfiltern. Die Präzision quantenmechanischer Messungen steigt mit jedem zusätzlichen Zeitintervall exponentiell an.
Der deutsche Physiker Ernst Rasel, dessen Bremer Team den vormaligen Rekord gehalten hatte, gratulierte den chinesischen Forschern ausdrücklich zu diesem Meilenstein. Chen Weibiao vom Institut für Optik und Feinmechanik Shanghai (Chinesische Akademie der Wissenschaften) erklärte, dass die Versuchsanlage internationalen Kooperationen offenstehe und Wissenschaftler weltweit eingeladen seien, die ultrakalte Forschungsplattform auf Tiangong zu nutzen.
Jenseits der Schwerkraft: Ein neuer Maßstab für Präzisionsmessungen
Ultrakalte Temperaturen und langanhaltende Schwerelosigkeit im All dienen letztlich den Grundlagen der Physik. Ein primäres Ziel besteht darin, Einsteins Äquivalenzprinzip auf die Probe zu stellen. Diese Hypothese besagt, dass im Gravitationsfeld alle Körper unabhängig von ihrer Masse und Zusammensetzung exakt dieselbe Fallbeschleunigung erfahren.
Künftig plant das Forschungsteam, im Orbit gleichzeitig zwei verschiedene Atomsorten aus der Falle zu entlassen. Dank des sieben Sekunden langen Schwebefensters lässt sich die Fallbeschleunigung auf atomarer Ebene mit einer Genauigkeit vergleichen, die bislang undenkbar war. Darüber hinaus eignen sich solche Atomwolken als hochpräzise Quantengravimeter, die geringste Schwankungen im Schwerefeld der Erde erfassen können – etwa um Grundwasserströme oder das Abschmelzen von Polareis aus dem Orbit zu überwachen.
Auf der Erde scheiterten Tieftemperaturexperimente regelmäßig daran, dass die Schwerkraft flach eingestellte Atomwolken unweigerlich zerreißt. Durch die Nutzung der orbitalen Mikrogravitation kühlte Chinas Raumstation 20.000 Rubidiumatome auf 9,7 Pikokelvin ab – mindestens viermal kälter als alle bisherigen Bestmarken. Das gewonnene Beobachtungsfenster von sieben Sekunden schenkt der Wissenschaft ein unvergleichlich scharfes Instrument, um die Gesetze der Quantenwelt und die Natur der Gravitation zu vermessen.
Weiterführende Quellen:
- Science: Quantum gases below 10 picokelvin in space
- Science News: China space station cold atom experiment creates record low temperature
- SCMP: Chinese scientists chill atoms to record low on Tiangong space station
- DongA Science: Chinese scientists break record for coldest temperature in space
