用混合现实升级空间站的冷原子实验室


美国宇航局宇航员梅根·麦克阿瑟戴着微软全息透镜,一种混合现实(或增强现实)耳机,可以看到周围的空间以及视野中的数字显示。信贷:美国宇航局

美国宇航局的冷原子实验室是首个在地球轨道上运行的物理实验室。

它的大小和迷你冰箱差不多,可以进行多项实验,通过将原子冷却到接近绝对零度(物质能达到的最低温度)来探索原子的基本性质。超冷原子提供了一个进入量子领域的窗口,在这个领域中,物质表现出了支撑许多现代技术的奇怪行为。

2020年,美国宇航局宇航员克里斯蒂娜·科赫(Christina Koch)在空间站的长期停留期间,与地球任务小组成员一起在冷原子实验室安装了升级的硬件。同时,她还为这一新型设施增加了新的功能,这一努力证明了另一点:这种维护可以在不需要将实验室拖回地面的情况下进行。

计划在未来几年对冷原子实验室进行一系列额外升级,因此任务团队正在研究如何使这些活动更有效。今年夏天早些时候,他们成功地测试了一种可以帮助实现这一目标的新工具:微软全息透镜,一种混合现实(也称为增强现实,简称AR)耳机。7月15日,宇航员梅根·麦克阿瑟(Megan McArthur)在更换冷原子实验室内的一块硬件时使用了AR耳机,使该设施能够生产超冷钾原子以及自2018年开始运行以来一直使用的铷原子。

像HoloLens这样的混合现实头盔看起来就像一副环绕式太阳镜,不像虚拟现实头盔(产生完全虚拟的设置),HoloLens有透明的镜片,可以将虚拟世界和现实世界融合在一起。这使得麦克阿瑟看到她周围地区,和一个小耳机上前置相机允许冷原子实验室团队的成员,看在地球轨道任务操作中心的大屏幕上在加州南部的美国宇航局喷气推进实验室,看到她看。相比之下,在与克里斯蒂娜·科赫(Christina Koch)合作的2020年活动期间,团队只能从宇航员身后或上方的固定摄像头看到实时视频,这使得他们看到的硬件基本都模糊不清。

McArthur还可以看到Cold Atom实验室操作团队在其视野中放置的虚拟图形注释,如文本和箭头。例如,当她查看一系列电缆时,任务小组可以在她的视野中放置一个箭头,指向她需要拔下的特定电缆。即使她将头移开再移开,箭头仍将指向相同的电缆位置。

在空间站上,虚拟现实头盔已经被用于各种应用,混合现实已经在一些情况下被使用。但通常,这些活动的目的是让宇航员更容易单独执行任务。冷原子实验室的硬件更换活动标志着混合现实耳机的首次使用,以改善宇航员和地球上的工程师之间的实时互动;这也标志着混合现实技术首次用于修复空间站上的科学实验。在NASA喷气推进实验室、休斯顿的约翰逊航天中心和阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔航天飞行中心的合作下,这项活动的准备工作耗时6个月。

JPL冷原子实验室的项目经理Kamal Oudrhiri说:“冷原子实验室正在投资在空间站上使用这项技术,不仅因为它很有趣,而且因为它可以为我们依靠宇航员执行的这些复杂任务提供额外的能力。”。“这项活动完美地展示了冷原子实验室和量子科学如何利用混合现实技术。”

量子科学揭示了物理世界的许多非直觉特征,比如原子的行为既像固体也像波。其中一些发现导致了我们许多人日常使用的技术的发展,如晶体管和微芯片。
冷原子实验室是地球轨道上第一个量子科学设施。冷却原子会使它们移动得更慢,使它们更容易研究。超冷原子也可以形成物质的第五种状态,称为玻色-爱因斯坦凝聚态,它在宏观尺度上显示典型的微观量子特征。

在微重力环境中,科学家可以使原子变冷,并对其进行比地球更长时间的研究。这开辟了在实地无法获得的研究途径。通过使冷原子实验室升级,团队成员可以随着研究的进展添加新的工具和能力,以便他们可以寻找新问题的答案,并进行越来越复杂和有影响力的实验。

“这修复活动允许钾离子气体也在冷原子研究实验室,这将使科学家能够执行许多新的量子化学和基础物理实验使用大型化气体原子相互作用的地方有趣的方式在超低温度只在微重力可实现的,”冷原子实验室的项目科学家杰森·威廉姆斯说。“我们的目标是让冷原子实验室成为一个不断发展的科学设施,这样我们就可以在研究和与宇航员合作的基础上迅速增加新的硬件能力,而不需要在每一步都建造和发射新的设施。”

在像Cold Atom Lab这样的设施上进行硬件升级通常只能由熟悉硬件的人来完成,因为在升级过程中的失误可能会影响Cold Atom Lab的运行能力。麦克阿瑟必须围绕着精致、紧凑的内部组件展开工作,包括十几个电子卡、迷宫般的电线和电缆,以及一组精细调谐的激光器,这些激光器用于在密封的真空室内将原子冷却到接近绝对零度,而红外摄像机则对其进行观察。
冷原子实验室的未来升级还将涉及空间站宇航员和地面团队成员之间的实时交互。这就是为什么这个混合现实的试用对团队如此鼓舞人心。

喷气推进实验室(JPL)冷原子实验室(Cold Atom Lab)运载火箭和空间站集成主管吉姆·凯洛格(Jim Kellogg)说:“像这样的任务需要地面专家的大量实时指导,这就是HoloLens可能非常有用的地方。”该实验室负责管理这项任务。

想了解更多关于冷原子实验室的知识,请点击这里:
https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/

要了解有关2020年设施升级的更多信息,请访问:
https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7660

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