Laboratoire d’atomes froids de la NASA. Crédit : NASA
Nasa cherche à savoir si la technologie de réalité mixte pourrait aider aux réparations et aux mises à niveau du laboratoire de pointe Cold Atom à bord de la station spatiale.
Le Cold Atom Lab de la NASA est un laboratoire de physique unique en son genre opérant en orbite terrestre. De la taille d’un mini-réfrigérateur, il accueille de multiples expériences qui explorent la nature fondamentale des atomes en les refroidissant à près de zéro absolu (la température la plus froide que la matière puisse atteindre). Les atomes ultrafroids ouvrent une fenêtre sur le domaine quantique, où la matière présente des comportements étranges qui sous-tendent de nombreuses technologies modernes.
En 2020, lors de son séjour prolongé à bord de la station spatiale, l’astronaute de la NASA Christina Koch a travaillé avec les membres de l’équipe de mission basée sur Terre pour installer du matériel mis à niveau dans Cold Atom Lab. En plus d’ajouter de nouvelles capacités à la nouvelle installation, l’effort a prouvé autre chose : qu’une telle maintenance pouvait être effectuée sans qu’il soit nécessaire de ramener le laboratoire sur Terre.
Le Cold Atom Lab de la NASA – une installation de physique quantique à bord de la Station spatiale internationale – accueille plusieurs expériences qui explorent la nature fondamentale des atomes en les refroidissant presque jusqu’au zéro absolu (la température la plus froide que la matière puisse atteindre). Plus tôt cette année, l’astronaute de la NASA Megan McArthur a testé l’utilisation d’un casque de réalité mixte (un Microsoft HoloLens) pour aider à maintenir l’expérience à la pointe de la technologie.
Des plans sont en cours pour une série de mises à niveau supplémentaires de Cold Atom Lab dans les années à venir. L’équipe de la mission étudie donc des moyens de rendre ces activités plus efficaces. Plus tôt cet été, ils ont testé avec succès un nouvel outil qui pourrait aider à atteindre cet objectif : un Microsoft HoloLens, un casque de réalité mixte (également connu sous le nom de réalité augmentée ou AR). Le 15 juillet, l’astronaute Megan McArthur a utilisé le casque AR tandis qu’elle a remplacé un élément matériel à l’intérieur du Cold Atom Lab, permettant à l’installation de produire des atomes de potassium ultrafroids en plus des atomes de rubidium qui ont été utilisés depuis que l’installation a commencé à fonctionner en 2018.
Les casques de réalité mixte tels que le HoloLens ressemblent à des lunettes de soleil enveloppantes, et contrairement aux casques de réalité virtuelle (qui produisent un cadre entièrement virtuel), le HoloLens a des lentilles transparentes qui mélangent les mondes virtuel et réel. Cela a permis à McArthur de voir la zone autour d’elle, et une petite caméra orientée vers l’avant sur le casque a permis aux membres de l’équipe Cold Atom Lab, regardant sur de grands écrans dans le Earth Orbiting Missions Operations Center du Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud, de voir ce qu’elle regardait. En revanche, lors de l’activité 2020 avec Christina Koch, l’équipe n’a pu voir un flux vidéo en direct qu’à partir d’une caméra fixe positionnée derrière ou au-dessus de l’astronaute, laissant sa vue sur le matériel principalement obscurcie.
McArthur a également pu voir des annotations graphiques virtuelles, telles que du texte et des flèches, placées dans son champ de vision par l’équipe des opérations de Cold Atom Lab. Par exemple, alors qu’elle regardait une série de câbles, l’équipe de mission pouvait placer une flèche dans son champ de vision, pointant vers le câble spécifique qu’elle devait débrancher. Même si elle écartait et reculait la tête, la flèche resterait pointée au même endroit du câble.
L’astronaute de la NASA Megan McArthur porte un Microsoft HoloLens, un casque de réalité mixte (ou réalité augmentée), qui lui permet de voir à la fois l’espace qui l’entoure ainsi que des affichages numériques dans son champ de vision. Crédit : NASA
Des casques de réalité virtuelle ont été utilisés pour diverses applications à bord de la station spatiale, et la réalité mixte a été utilisée dans quelques cas. Mais généralement, le but de ces activités est de permettre à un astronaute d’accomplir plus facilement une tâche seul. L’activité de remplacement du matériel de Cold Atom Lab a marqué la première utilisation d’un casque de réalité mixte pour améliorer l’interaction en direct entre un astronaute et des ingénieurs sur Terre ; il a également marqué la première utilisation de la réalité mixte pour réparer une expérience scientifique sur la station. La préparation de l’activité a duré six mois, avec une collaboration entre la NASA JPL, Johnson Space Center à Houston et Marshall Space Flight Center à Huntsville, Alabama.
“Cold Atom Lab investit dans l’utilisation de cette technologie sur la station spatiale non seulement parce qu’elle est intrigante, mais parce qu’elle pourrait fournir des capacités supplémentaires pour ces tâches complexes que nous comptons sur les astronautes pour effectuer”, a déclaré Kamal Oudrhiri, du projet de Cold Atom Lab. directeur chez JPL. « Cette activité était une démonstration parfaite de la façon dont Cold Atom Lab et la science quantique peuvent tirer parti de la technologie de la réalité mixte. »
Mécanique quantique
La science quantique a révélé de nombreuses caractéristiques non intuitives du monde physique, telles que le fait que les atomes se comportent à la fois comme des objets solides et comme des ondes. Certaines de ces découvertes ont conduit au développement de technologies que beaucoup d’entre nous utilisent quotidiennement, telles que les transistors et les puces électroniques.
Cold Atom Lab est la première installation de science quantique en orbite terrestre. Le refroidissement des atomes les fait se déplacer plus lentement, ce qui les rend plus faciles à étudier. Et les atomes ultrafroids peuvent également former un cinquième état de la matière, appelé condensat de Bose-Einstein, qui affiche des caractéristiques quantiques typiquement microscopiques à une échelle macroscopique.
Dans l’environnement de microgravité, les scientifiques peuvent refroidir les atomes et les étudier plus longtemps que sur Terre. Cela ouvre des pistes de recherche qui ne sont pas accessibles sur le terrain. En rendant Cold Atom Lab évolutif, les membres de l’équipe peuvent ajouter de nouveaux outils et capacités au fur et à mesure de l’avancement de leurs recherches, afin qu’ils puissent chercher des réponses à de nouvelles questions et mener des expériences de plus en plus complexes et percutantes.
“Cette activité de réparation permet également d’étudier les gaz de potassium dans Cold Atom Lab, ce qui permettra aux scientifiques de réaliser des dizaines de nouvelles expériences en chimie quantique et en physique fondamentale en utilisant des gaz multi-espèces où les atomes interagissent les uns avec les autres de manière intéressante à l’ultra -des températures basses uniquement réalisables en microgravité », a déclaré Jason Williams, scientifique du projet Cold Atom Lab. « Notre objectif est que Cold Atom Lab devienne une installation scientifique en évolution afin que nous puissions rapidement nous appuyer sur nos recherches et travailler avec les astronautes pour ajouter de nouvelles capacités matérielles sans avoir besoin de construire et de lancer de nouvelles installations à chaque étape du processus. »
Une mise à niveau matérielle sur une installation comme Cold Atom Lab ne serait normalement effectuée que par une personne intimement familiarisée avec le matériel, car un faux pas au cours du processus pourrait affecter la capacité de Cold Atom Lab à fonctionner. McArthur a dû travailler autour de composants intérieurs délicats et étroitement emballés, y compris plus d’une douzaine de cartes électroniques, un labyrinthe de fils et de câbles, et un orchestre de lasers finement réglés utilisés pour refroidir les atomes jusqu’à presque zéro absolu à l’intérieur d’une chambre à vide scellée tandis que l’infrarouge des caméras les observent.
Les futures mises à niveau de Cold Atom Lab impliqueront également des interactions en temps réel entre les astronautes de la station et les membres de l’équipe au sol. C’est pourquoi cet essai d’utilisation de la réalité mixte a été si inspirant pour l’équipe.
« Une tâche comme celle-ci nécessite beaucoup de conseils en temps réel avec un expert sur le terrain, et c’est là que l’HoloLens pourrait être très utile », a déclaré Jim Kellogg, responsable de l’intégration du lanceur et de la station spatiale pour Cold Atom Lab au JPL, qui gère la mission.
En savoir plus sur la mission
Conçu et construit au JPL, Cold Atom Lab est parrainé par la division des sciences biologiques et physiques de la direction de la mission scientifique de la NASA.
