用混合现实升级空间站的冷原子实验室


NASA宇航员梅根·麦克阿瑟戴上了微软HoloLens,这是一种混合现实(或增强现实)头戴式眼镜,她可以看到周围的空间,也可以看到视野内的数字显示器。来源:美国国家航空航天局

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)在空间站停留了很长一段时间,期间她与地球任务团队成员一起在冷原子实验室(Cold Atom Lab)安装了升级的硬件。除了为这个新设施增加新的功能外,这项努力还证明了其他一些东西:这种维护可以在不需要把实验室拖回地球的情况下进行。

在未来几年里,对冷原子实验室进行一系列额外升级的计划正在进行中,因此任务团队正在研究使这些活动更有效的方法。今年夏天早些时候,他们成功测试了一款有助于实现这一目标的新工具:微软HoloLens,一种混合现实(也被称为增强现实,或AR)耳机。7月15日,宇航员梅根·麦克阿瑟(Megan McArthur)在使用AR耳机的同时,更换了冷原子实验室(Cold Atom Lab)内的一块硬件,使该实验室除2018年开始运行以来一直使用的铷原子外,还能生产超冷的钾原子。

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还可以看到冷原子实验室操作团队在她的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,任务团队可以在她的视野中放置一个箭头,指向她需要拔掉的特定电缆。即使她把头移开再移回来,箭头仍然会指向电缆的同一位置。

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的冷原子实验室项目经理Kamal Oudrhiri说:“冷原子实验室投资在空间站上使用这项技术,不仅是因为它很有趣,还因为它可以为我们依赖宇航员执行的这些复杂任务提供额外的能力。”“这次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,科学家可以使原子温度更低,研究它们的时间比在地球上更长。这开辟了在地面上无法获得的研究途径。通过使Cold Atom Lab可升级,团队成员可以随着研究的进展添加新的工具和功能,从而寻求新的问题的答案,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。”

像Cold Atom Lab这样的设备的硬件升级通常只能由熟悉硬件的人来完成,因为在升级过程中出现的失误可能会影响Cold Atom Lab的操作能力。麦克阿瑟必须绕过精密、紧密封装的内部部件,包括十几张电子卡、错综复杂的电线和电缆,以及一组经过精细调谐的激光,这些激光在一个密封的真空室中将原子冷却到接近绝对零度,同时红外摄像机会观察它们。
未来对冷原子实验室的升级还将涉及空间站宇航员和地面团队成员之间的实时互动。这就是为什么混合现实的试用对团队如此鼓舞人心的原因。

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/

想要了解更多关于2020年设施升级的信息,请访问这里:
https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7660

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