Quelltext der Seite Kalte Fusion: Eine Studie in wissenschaftlichen Kontroversen

[[Datei:Stanford_university_205x34.png|Stanford University|frameless|205px|none|link=]]
<small>Dongwoo Chung, 14. März 2015<br>
[http://large.stanford.edu/courses/2015/ph241/chung2/ large.stanford.edu/courses/2015/ph241/chung2/]<br>
Eingereicht als Kursarbeit für PH241, Stanford University, Winter 2015
</small>

== Einführung ==

[[Datei:Kalte Fusion Eine Studie_1_300x.jpg|frame|300px|right|link=|Abbildung 1: Eine Kaltfusionszelle auf Deuteriumbasis, die von SRI International um 2007 verwendet wurde und auf den Spuren von Fleischmann und Pons wandelt. (Quelle: [https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gas-ColdFusionCell-SRI-Intl.jpg Wikimedia Commons])]]Das Handbuch der Patentprüfungsverfahren des US-Patentamts erwähnt die Kalte Fusion neben dem Perpetuum mobile und anderen Erfindungen von ''„unglaubhaftem“'' Nutzen oder ''„behauptetem Nutzen … im Widerspruch zu bekannten wissenschaftlichen Prinzipien“''.<ref name="ref01">„Chapter 2100 Patentability“, in Manual of Patent Examining Procedure, 9th Ed., United States Patent and Trademark Office, March 2014.</ref> Aber unabhängig von der Einstellung des Mainstreams zum Thema, arbeitet eine Gruppe von Forschern auf dem Gebiet der Kalten Fusion heute sowohl im öffentlichen als auch im privaten Sektor und setzt ihre experimentellen Bemühungen fort, überschüssige Energie durch Kernreaktionen bei niedriger Temperatur zu erzeugen. (Siehe Abbildung 1 für eine beispielhafte Vorrichtung um 2007.) Im Februar 2012 zum Beispiel hatte die Universität von Missouri ''„ein Geschenk in Höhe von 5,5 Millionen Dollar erhalten, um das Thema zu studieren.“''<ref name="ref02">D. Martin, „Martin Fleischmann, Seeker of Cold Fusion, Dies at 85,“ New York Times, 12 Aug 12.</ref> Um den aktuellen Stand der Kalten Fusion zu verstehen, kann es hilfreich sein, die Behauptungen von Martin Fleischmann und B. Stanley Pons von 1989 zu verstehen, ebenso wie die breit publizierten Ereignisse im Zusammenhang mit diesen Behauptungen.

== Die Pons-Fleischmann-Pläne ==

Mechanismen für die Kalte Fusion wurden bereits 1926 eingehender betrachtet.<ref name="ref03">B. V. Lewenstein and W. Baur, „A Cold Fusion Chronology,“ J. Radioanal. Nucl. Chem., 152, 273 (1991).</ref> Tatsächlich spekulierten Wissenschaftler bereits 1934 über in Palladium gelösten Wasserstoff im Zusammenhang mit der Kernfusion.<ref name="ref03" /> Ein anderer Mechanismus, die Myonen-katalysierte Fusion, wurde von Andrei Sacharow untersucht und später von Luis Alvarez im Jahr 1956 beobachtet. Nach Lewenstein und Baurs Chronologie der Kalten Fusion stellten die Wissenschaftler jedoch fest, dass dieser besondere Mechanismus ''„kein Allheilmittel sein dürfte“''.<ref name="ref03" />

Mitte der 1980er Jahre wurden zwei Forschungsanstrengungen zur Kalten Fusion unternommen, die 1989 breite Beachtung fanden: die Zusammenarbeit zwischen Pons und Fleischmann an der Universität von Utah und die Arbeit von Steven Jones und Kollegen an der Brigham Young University (BYU).<ref name="ref03" /> Beide versuchten, eine D-D-Fusion zu erlangen unter Erwägung zweier möglicher Reaktionen:<ref name="ref04">M. Fleischmann, S. Pons, and M. Hawkins, „Electrochemically Induced Nuclear Fusion of Deuterium“, J. Electroanal. Chem., 261, 301 (1989).</ref>

{| style="margin: 1em 2em;"
| style="width: 15em;" | <!--<sup><small>2</small></sup>D + <sup><small>2</small></sup>D → <sup><small>3</small></sup>He + n--><math>^2D \, + \; ^2D \, \to \; ^3{He} \, + \, n</math> || (1)
|}

{| style="margin: 1em 2em;"
| style="width: 15em;" | <!--<sup><small>2</small></sup>D + <sup><small>2</small></sup>D → <sup><small>3</small></sup>T + H--><math>^2D \, + \; ^2D \, \to \; ^3T \, + \, H</math> || (2)
|}

Diese Gleichungen beschreiben die Fusion von zwei Deuteriumkernen entweder (1) zu Helium und einem Neutron oder (2) zu Tritium und gewöhnlichem Wasserstoff. Die obigen Reaktionen erzeugen auch überschüssige Energie in der Größenordnung von 3 bis 4 MeV.<ref name="ref05">M. H. Salamon et al., „Limits on the Emission of Neutrons, γ-Rays, Electrons and Protons From Pons/Fleischmann Electrolytic Cells,“ Nature, 344, 401 (1990).</ref> Pons und Fleischmann wollten diese Reaktionen jedoch durch Elektrolyse von schwerem Wasser erreichen. Wie könnten diese Fusionsreaktionen in einer Elektrolysezelle ablaufen (siehe Abbildung 2) - ein Apparat, von dem die New York Times in ihrer Berichterstattung über Pons und Fleischmanns Ankündigung von 1989 sagte, dass er ''„einem Neuntklässler der allgemeinen Wissenschaft bekannt vorkommt“''?<ref name="ref06">M. W. Browne, „Fusion in a Jar: Announcement by 2 Chemists Ignites Uproar,“ New York Times, 28 Mar 89.</ref>

[[Datei:Kalte Fusion Eine Studie_2_300x.png|frame|300px|right|link=|Abbildung 2: Diagramm einer Elektrolysezelle. In der Vorrichtung von Fleischmann und Pons bestand die Kathode aus Palladium und die Anode aus Platin. <ref name="ref04" /><ref name="ref06" /> (Quelle: [https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cold_fusion_electrolysis.svg Wikimedia Commons])]]Das Durchführen einer Elektrolyse in der Zelle beinhaltet das Leiten von elektrischem Stroms zwischen Kathode und Anode durch das schwere Wasser. Dies spaltet das schwere Wasser in seine Bestandteile Deuterium und Sauerstoff auf, wie dies bei der Elektrolyse von leichtem Wasser der Fall wäre.<ref name="ref06" /> Pons und Fleischmanns Artikel von 1989 formuliert diese Aufspaltung als die Reaktion

{| style="margin: 1em 2em;"
| <!--D<sub><small>2</small></sub>O + e<sup><small>-</small></sup> → D<sub><small>ads</small></sub> + OD<sup><small>-</small></sup>--><math>D_2O \, + \, e^- \to \, D_{ads} \, + \, OD^-</math>
|}

wobei der Index „ads“ bedeutet, dass das Deuterium adsorbiert ist, d. h. sich auf der Oberfläche der Kathode ansammelt.<ref name="ref04" /> Die Deuteriumatome werden anschließend im Gitter der Kathode absorbiert, die in dieser Zelle aus Palladium besteht. Pons und Fleischmann notieren dies als eigenen Reaktionsschritt:<ref name="ref04" />

{| style="margin: 1em 2em;"
| <!--D<sub><small>ads</small></sub> → D<sub><small>lattice</small></sub>--><math>D_{ads} \to \, D_{lattice}</math>
|}

Der Aufsatz stellt einen Befund an absorbiertem Deuterium in Palladium an, der ''„nur erklärt werden kann, wenn sich H<sup><small>+</small></sup> und D<sup><small>+</small></sup> im Gitter wie klassische […] Oszillatoren verhalten, d. h. sie müssen ein sehr flaches Quellpotential aufweisen.“''<ref name="ref04" /> Pons und Fleischmann stellen auch fest, dass das Deuterium in Palladium ein hohes chemisches Potenzial zu haben scheint, was sie mit einer hohen Kompression von Deuterium gleichsetzen.<ref name="ref04" /> Pons und Fleischmann argumentieren dann, dass, wenn die Deuteriumatome innerhalb des Palladiumgitters so stark komprimiert und hochbeweglich sind, wobei jedes nur durch ein flaches Potential begrenzt ist, ''„es daher eine signifikante Anzahl enger Kollisionen geben muss“'' und sich die Frage stellt, ob das Deuterium als wesentlicher Bestandteil dieser signifikant zahlreichen Stöße zu Helium oder Tritium verschmelzen kann.<ref name="ref04" /> Diese Frage betrifft die quantenmechanische Wechselwirkung zwischen den Deuteriumkernen (auch Deuteronen genannt), nämlich die Möglichkeit, dass die Deuteronen durch die Energiebarriere zwischen ihnen aufeinander zu tunneln, worauf in Kürze näher eingegangen wird.

Im Gegensatz zu Fleischmann und Pons bezogen sich Steven Jones‘ erste Schritte in der Forschung der Kalten Fusion nicht auf den oben beschriebenen Ansatz, sondern erlangten erneutes Interesse an dem zuvor beobachteten Mechanismus der Myon-katalysierten Fusion. Dieser Mechanismus führt dazu, dass die Fusionsreaktanten an das Myon gebunden werden, das eine unglaublich hohe Masse (207-fache Elektronenmasse) aufweist, die Fusionsgeschwindigkeit erhöht und als Katalysator für die Fusionsreaktion fungiert.<ref name="ref07">S. E. Jones, „Muon-Catalysed Fusion Revisited,“ Nature, 321, 127 (1986).</ref><ref name="ref08">S. E. Koonin and M. Nauenberg, „Calculated Fusion Rates in Isotopic Hydrogen Molecules,“ Nature, 339, 690 (1989).</ref> Später konvergierte Jones jedoch unabhängig von Fleischmann und Pons und arbeitete mit der chemischen Abteilung an dem gleichen elektrolytischen Ansatz für die Kalte Fusion.<ref name="ref03" />

Da sich 1989 die Veröffentlichungen beider Anstrengungen näherten, erzielten Pons, Fleischmann und Jones zunächst eine Vereinbarung, ihre Ergebnisse am 24. März gleichzeitig Nature vorzulegen.<ref name="ref03" /> Fleischmann und Pons reichten ihre Arbeit jedoch am 11. März beim Journal of Electroanalytical Chemistry ein, offenbar aufgrund des Drucks von Universitätsverwaltern wegen Patentproblemen.<ref name="ref02" /><ref name="ref03" /> Pons und Fleischmann gaben daraufhin ihre Ergebnisse auf einer Pressekonferenz am 23. März bekannt, was dazu führte, dass Jones seine Arbeit an diesem Tag bei Nature einreichte.<ref name="ref03" /> Pons und Fleischmann schickten ihre Vorlage am Tag danach an Nature.<ref name="ref03" /><ref name="ref09">W. J. Broad, „Cold Fusion Still Escapes Usual Checks Of Science,“ New York Times, 30 Oct 90.</ref> Die Berichterstattung der New York Times über die erste Bekanntmachung stellte fest, dass die Wissenschaftler über die Undurchsichtigkeit der Bekanntmachung empört waren, insbesondere über die Tatsache, dass die Pressekonferenz stattfand, bevor irgendein Teil der Arbeit offiziell veröffentlicht wurde.<ref name="ref06" /> Pons behauptete in einem Interview mit der Times, dass die Arbeit einem Peer-Review durch eine Zeitschrift unterzogen worden sei, lehnte es jedoch ab, Einzelheiten zu präzisieren.<ref name="ref06" />

[[Datei:Kalte Fusion Eine Studie_3_300x.png|frame|300px|right|link=|Abbildung 3: Ein Kalorimeter, das am New Hydrogen Energy Institute in Japan eingesetzt wird. Überschüssige Wärme wird im Rahmen der Kernfusion erzeugt, aber auch andere Fusionsprodukte sollten messbar sein. (Quelle: [https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cold-fusion-calorimeter-nhe-diagram.png Wikimedia Commons])]]Ihre Einreichung im Journal of Electroanalytical Chemistry erschien schließlich im April und berichtete nicht nur über Überhitzung, sondern auch über Tritiumproduktion und ein γ-Strahlenspektrum.<ref name="ref04" /> (Abb. 3 zeigt ein Diagramm eines Kalorimeters der Art, wie es zur Messung von überschüssiger Wärme bei dieser Art von Experimenten verwendet werden würde.) Die oben gezeigten D-D-Fusionsreaktionen erzeugen keine direkten γ-Strahlen. Da die Zelle jedoch für experimentelle Messungen in ein Wasserbad gestellt wurde, behaupteten Pons und Fleischmann, dass die Neutronen bei dieser Reaktion vom Wasserstoff im Wasserbad eingefangen würden:<ref name="ref04" />

{| style="margin: 1em 2em;"
| <!--<sup><small>1</small></sup>H + n → <sup><small>2</small></sup>D + γ--><math>^1H \, + \, n \, \to \; ^2D \, + \, y</math>
|}

In ihrer Beschreibung dieses Neutroneneinfangprozesses behaupten Pons und Fleischmann, dass das Einfangen eines 2,45-MeV-Neutrons, das bei der D-D-Fusion mit Helium erzeugt würde (siehe Reaktion (1) von oben), zu einem 2,5-MeV-γ-Strahl führen würde.<ref name="ref04" /> Die Arbeit zeigt jedoch später, dass das experimentell gemessene γ-Strahlenspektrum einen Peak bei 2,2 MeV Energie aufweist.<ref name="ref04" /> Diese Diskrepanz wurde danach in einem Erratum korrigiert, doch später tauchten Behauptungen auf, dass wichtige Daten in Bezug auf dieses γ-Strahlenspektrum zwischen der ersten Ankündigung und der Veröffentlichung des Papiers manipuliert worden seien, und sogar diesem Papier musste ein anderes in der Juli-Ausgabe des Journals von 1990 folgen - 16 Monate nach der ersten Ankündigung -, das exakte Daten enthielt.<ref name="ref03" /><ref name="ref09" /><ref name="ref10">W. J. Broad, „Cold-Fusion Claim Is Faulted On Ethics as Well as Science,“ New York Times, 17 Mar 91.</ref> Ungeachtet fragwürdiger Daten behauptete die Veröffentlichung von 1989 die Beobachtung eines Neutronenflusses von etwa 4 × 10<sup><small>4</small></sup> Neutronen pro Sekunde.<ref name="ref04" /> Darüber hinaus behauptete die Veröffentlichung die Messungen einer Tritiumproduktion, die die Fusionsrate von Gleichung (2) auf die Größenordnung von 10<sup><small>4</small></sup> Atomen pro Sekunde setzt.<ref name="ref04" /> Diese Geschwindigkeit war zwar für eine Fusionsreaktion extrem hoch, reichte jedoch nicht aus, um die beobachtete übermäßige Wärmeerzeugung zu erklären, für deren Erklärung Reaktionsgeschwindigkeiten von bis zu 10<sup><small>14</small></sup> Atomen pro Sekunde erforderlich wären.<ref name="ref04" /> Pons und Fleischmann erklärten dies als Hinweis darauf, dass ''„andere nukleare Prozesse beteiligt sein müssen“''.<ref name="ref04" /> Aber selbst wenn andere Prozesse involviert wären, könnten sie keine Neutronen produzierenden Kernprozesse mit dieser Geschwindigkeit sein, da die erzeugte Neutronenstrahlung für jeden, der im Labor anwesend ist, überwiegend tödlich wäre. Der für 2,5 MeV Neutronen beobachtete Fluss entspricht einer Strahlungsleistung von

{| style="margin: 1em 2em;"
| 4 × 10<sup><small>4</small></sup> Neutronen pro Sekunde × 2,5 MeV pro Neutron × 1,6 × 10<sup><small>-13</small></sup> Joule pro MeV = 1,6 × 10<sup><small>-8</small></sup> Joule pro Sekunde
|}

Hätte dieser Fluss indessen die oben genannten 10<sup><small>14</small></sup> Atome pro Sekunde erreicht, wäre die entsprechende Leistung

{| style="margin: 1em 2em;"
| 1 × 10<sup><small>14</small></sup> Neutronen pro Sekunde × 2,5 MeV pro Neutron × 1,6 × 10<sup><small>-13</small></sup> Joule pro MeV = 40 Joule pro Sekunde
|}

Im ersten Fall würde eine Person mit 80 kg Körpermasse 2 × 10<sup><small>-10</small></sup> Gy pro Sekunde Neutronenstrahlung absorbieren, während im zweiten Fall dieselbe Person 0,5 Gy pro Sekunde absorbieren würde. Wenn irgendeine neutronische Fusionsreaktion (mit der Neutronen-Energie in der Größenordnung von einigen MeV) mit der Rate aufgetreten war, die durch den beobachteten Wärmeüberschuss nahegelegt wurde, wäre die Utah-Gruppe wahrscheinlich nicht am Leben geblieben, um eine Pressekonferenz zu diesen Ergebnissen abzuhalten.

Pons und Fleischmann zogen ihre Einreichung gegenüber Nature zurück, als die Gutachter Kritik äußerten, und sagten, sie seien zu beschäftigt, um zu antworten.<ref name="ref11">„The Utah Fusion Circus,“ New York Times, 30 Apr 89.</ref> Nature akzeptierte jedoch Jones' Einreichung, die in der Ausgabe vom 27. April veröffentlicht wurde.<ref name="ref12">S. E. Jones et al., „Observation of Cold Nuclear Fusion in Condensed Matter,“ Nature, 338, 737 (1989).</ref> Während Jones' Artikel, in dem Arbeiten mit Titanelektroden anstelle von Palladiumelektroden beschrieben werden, auch den Nachweis eines Flusses von 2,5 MeV Neutronen beschreibt, soll der Nachweis über ein an der Brigham Young University entwickeltes „Neutronenspektrometer“ erfolgt sein statt über den Nachweis von γ-Strahlen aus dem Neutroneneinfang in einem Wasserbad.<ref name="ref12" /> Darüber hinaus liegt der gemeldete Neutronenfluss in der Größenordnung von 4 × 10<sup><small>-3</small></sup> Impulsen pro Sekunde - viele Größenordnungen niedriger als von Fleischmann und Pons berichtet.<ref name="ref12" /> Auf der Grundlage dieses Neutronenflusses behauptete Jones eine Fusionsreaktionsrate für Reaktion (1) in der Größenordnung von mindestens 10<sup><small>-23</small></sup> Fusionen pro Deuteronenpaar pro Sekunde, möglicherweise so hoch wie 10<sup><small>-20</small></sup> pro Deuteronenpaar pro Sekunde (ein Wert, den Jones als ''„leicht messbar“'' erachtete).<ref name="ref12" />

In derselben Ausgabe wie der von Jones' Artikel bemerkte der Herausgeber John Maddox einen Mangel an grundlegenden Kontrollexperimenten in der Arbeit der Utah-Gruppe und entlarvte dieses Versäumnis als ''„krassen Fehler“'' in wissenschaftlichen Untersuchungen.<ref name="ref13">J. Maddox, „What to Say About Cold Fusion,“ Nature, 338, 701 (1989).</ref> Während Jones' Aufsatz feststellt, dass Elektrolyseläufe mit leichtem Wasser (H<sub><small>2</small></sub>O) anstelle von schwerem Wasser (D<sub><small>2</small></sub>O) durchgeführt wurden, um den experimentellen Hintergrund zu verstehen, offenbaren Pons und Fleischmann keine derartigen Läufe.<ref name="ref04" /><ref name="ref12" /> Maddox warnte ferner, dass es ''„möglich ist, dass die allgemeine Reaktion auf das Scheitern von Replikationsversuchen sauer ausfällt“'', so positiv die anfängliche Reaktion der Öffentlichkeit auch gewesen sein mag.<ref name="ref13" />

== Ein Skandal in Utah ==

Der Optimismus schien zunächst berechtigt. Lewenstein und Baur listen in ihrer Chronologie der Ereignisse eine Reihe von Bestätigungsankündigungen auf. Innerhalb weniger Tage berichteten Wissenschaftler der Universität Tokio und der Universität Kossuth in Ungarn über ähnliche Ergebnisse.<ref name="ref03" /> Innerhalb eines Monats gaben Gruppen von Texas A & M und Georgia Tech an, die Ergebnisse zumindest teilweise reproduziert zu haben. Die Texas A & M-Gruppe berichtete über Energieüberschüsse (und später über Tritiumproduktion) und die Georgia Tech-Gruppe über Neutronen- und Tritiumproduktion.<ref name="ref03" /> Es folgten Replikationsberichte aus aller Welt - unter anderem aus Moskau, Florida, Italien, Brasilien und Stanford.<ref name="ref03" /> Die Preise für Palladium-Futures erreichten in Erwartung der Nachfrage aus der Fusionsforschung ein Achtjahreshoch.<ref name="ref03" /><ref name="ref14">Associated Press, „Palladium Futures Fall From Highs“, San Jose Mercury News, 18 Apr 89.</ref> Auf der Sitzung der American Chemical Society von 1989 Mitte April erhielt Pons, wie die New York Times es ausdrückte, auf einer Sitzung, an der etwa 7000 Wissenschaftler teilnahmen, einen ''"mitreißenden Beifall"''.<ref name="ref02" /><ref name="ref03" />

Aber am Tag danach zog Georgia Tech seine erste Bestätigung zurück und berichtete über einen schwerwiegenden Fehler in ihrer Neutronendetektionsmethode.<ref name="ref15">W. J. Broad, „Georgia Tech Team Reports Flaw In Critical Experiment on Fusion,“ New York Times, 14 Apr 89.</ref> Nur wenige Wochen später verurteilte ein Treffen der American Physical Society im Mai die ursprünglichen Behauptungen aufs Schärfste. Während die Anwesenden Jones' Arbeit an der Brigham Young University scharf in Frage stellten und feststellten, dass die gemessenen Neutronenwerte nur geringfügig über dem Hintergrund lagen, milderten sie laut New York Times ihre Kritik an Jones und gaben zu, ''„dass Dr. Jones ein vorsichtiger Wissenschaftler ist“''.<ref name="ref16">M. W. Browne, „Physicists Debunk Claim Of a New Kind of Fusion,“ New York Times, 2 May 89.</ref> Auf der anderen Seite meldeten Teams am MIT, am Lawrence Berkeley Laboratory, am Brookhaven National Laboratory und an der Yale University, dass sie die Ergebnisse der Utah-Gruppe nicht reproduzieren konnten. Ein Vertreter des CERN berichtete auch, dass ''„im Wesentlichen alle westeuropäischen Versuche, das Pons-Fleischmann-Experiment zu duplizieren, gescheitert waren“'' und bezeichnete die Arbeit als ''„pathologische Wissenschaft“''.<ref name="ref16" /> Diejenigen, die versucht hatten, diese Ergebnisse zu reproduzieren, berichteten auch von schwerwiegenden Schwierigkeiten, den Versuchsaufbau zu replizieren, da Pons und Fleischmann äußerst geheim und nicht kooperativ waren. Ein Wissenschaftler vom Oak Ridge National Laboratory bemerkte, dass sein Team gezwungen war, die Größe der Fusionszelle der Utah-Gruppe zu schätzen, indem die Größe der Zelle mit der Größe von Pons' Hand auf einem Foto verglichen wurde, auf dem Pons die Zelle hielt.<ref name="ref16" /> Ein Team von Caltech versuchte ''„jede mögliche Variante des Pons-Fleischmann-Experiments […] ohne Erfolg“''.<ref name="ref16" />

Bei einer Pressekonferenz auf der APS-Sitzung sah man acht der neun führenden Redner, die die Behauptung von Utah für ''„tot“'' erklärten, und eine Enthaltung.<ref name="ref16" /> Im krassen Gegensatz zum ACS-Treffen erhielt Steven Koonin von Caltech laut der Times großen Beifall dafür, dass er den Bericht der Utah-Gruppe als ''„Ergebnis der Inkompetenz und Täuschung von Pons und Fleischmann“'' bezeichnete.<ref name="ref16" />

== Das Problem der Durchtunnelung der Coulomb-Barriere ==

[[Datei:Kalte Fusion Eine Studie_4_300x.png|frame|300px|right|link=|Abbildung 4: Quantentunnelung eines Teilchens, dargestellt durch die Wellenfunktion des Teilchens, das eine Potentialbarriere durchquert. (Quelle: [https://commons.wikimedia.org/wiki/File:TunnelEffektKling1.png Wikimedia Commons])]]Koonin und sein Kollege Michael Nauenberg schrieben später einen Brief an Nature, in dem sie die behaupteten Beobachtungen sowohl der Utah- als auch der BYU-Gruppe quantitativ untersuchten.<ref name="ref08" /> Insbesondere untersuchen Koonin und Nauenberg die Details des Tunnelns – den zuvor erwähnten quantenmechanischen Effekt zwischen Deuteriumkernen in einer Reaktion von Kalter Fusion. Unter alltäglichen Bedingungen ist eine Fusion zwischen Deuteriumatomen unwahrscheinlich, da die abstoßende Coulomb-Wechselwirkung zwischen den elektrisch gleich geladenen Deuteriumkernen zu einer potenziellen Barriere zwischen den Atomen führt.<ref name="ref08" /><ref name="ref12" /> Bei einer kleinen internuklearen Trennung ist das Potential umgekehrt proportional zur Trennung.<ref name="ref08" /> Klassischerweise würde diese Divergenz des Potentials, wenn die Trennung auf Null geht, bedeuten, dass Kerne bei niedrigen Energien nicht einmal extrem nahe beieinander bleiben können, geschweige denn an einer Fusionsreaktion teilnehmen. Die Fusion erfordert daher extrem hohe Temperaturen, damit die entsprechend energiereichen Kerne die Coulomb-Barriere überwinden und reagieren können. In der Quantenmechanik kann ein Teilchen jedoch eine Potentialbarriere durchqueren, die höher ist als seine Energie, und zwar durch Quantentunneln (in Abbildung 4 schematisch für ein sehr einfaches Rechteckpotential dargestellt). Unter Berücksichtigung dieses Effekts könnten die Deuteriumkerne möglicherweise ihre gegenseitige Coulomb-Barriere tunneln und fusionieren.<ref name="ref08" /><ref name="ref12" />

Die Tatsache, dass diese Möglichkeit besteht, bedeutet nicht, dass sie häufig auftritt. Wie aus Abbildung 4 hervorgeht, bedeutet das Ermöglichen des Durchtunnelns einer Potentialbarriere nicht, dass die Amplitude der Wellenfunktion des Teilchens auf beiden Seiten der Barriere gleich ist. Die Amplitude wird über die Barriere hinweg unterdrückt, und diese Unterdrückung nimmt mit zunehmender Barrierebreite zu. Auch ohne die Schrödinger-Gleichung genau zu lösen, kann die WKB-Näherung (Wentzel-Kramers-Brillouin) eine Abschätzung darüber liefern, wie stark die Amplitude der Wellenfunktion des Teilchens über die Barriere hinweg unterdrückt wird.<ref name="ref08" /><ref name="ref17">D. J. Griffiths, Introduction to Quantum Mechanics (Pearson Prentice Hall, 2005), pp. 315-339.</ref> Dieser Faktor hängt von der genauen Form des Barrierepotentials ab – beispielsweise nimmt bei einem konstanten Rechteckpotential der in Abbildung 4 dargestellten Art die Unterdrückung exponentiell mit der Barrierebreite zu. Diese Unterdrückung wirkt sich direkt auf die Fusionsrate aus, da letztere proportional zu der Wahrscheinlichkeit ist, dass sich die Deuteronen in einer gegebenen internuklearen Trennung befinden, d. h. der quadrierten Amplitude der Wellenfunktion der Deuteronen bei dieser Trennung, da sie durch die Potentialbarriere unterdrückt sind.<ref name="ref08" />

Koonin und Nauenberg verwenden für ihre quantitativen Schätzungen der Raten von Kalter Fusion tatsächlich numerische Methoden, um die exakte Schrödinger-Gleichung direkt zu lösen.<ref name="ref08" /> Jede Methode zur Schätzung der Fusionsrate würde von dem Modell abhängen, das für das Potential zwischen den beiden Deuteronen verwendet wird, für das Koonin und Nauenberg ''„die beste verfügbare numerische Berechnung in der Born-Oppenheimer-Näherung"'' aus den Veröffentlichungen von 1964 und 1968 sehen.<ref name="ref08" /> In einem zweiatomigen Deuteriummolekül beträgt die interne Kerntrennung 0,74 Angström (7,4 × 10<sup><small>-11</small></sup> m), und für diesen Deuteriumzustand schätzen Koonin und Nauenberg die Rate der Kalten D-D-Fusion auf 3 × 10<sup><small>-64</small></sup> Reaktionen pro Sekunde (tatsächlich zehn Größenordnungen über dem, was Jones geschätzt hatte).<ref name="ref08" /><ref name="ref12" /> Eine Myon-katalysierte Fusion war erkennbar, da bei diesem Prozess das Elektron in jedem Wasserstoffatom durch das katalysierte Myon ersetzt wird, was die interne Kerntrennung erheblich verringert – um das Verhältnis der Myon-Masse zur Elektronenmasse, das ungefähr 207 beträgt (wie oben erwähnt) –  und sich somit die DD-Fusionsrate um viele Größenordnungen auf ungefähr 10<sup><small>12</small></sup> Reaktionen pro Sekunde erhöht.<ref name="ref07" /><ref name="ref08" /><ref name="ref12" />

Jones, der ein Analogon zwischen der Myon-katalysierten Fusion und der von ihm als "piezonuklear" bezeichneten Fusion zog, behauptete, dass die beobachtete Fusionsrate erklärt werden könne, wenn die interne Kerntrennung die Hälfte derjenigen von zweiatomigem Deuterium betrage, wobei diese Trennung durch das hohe Kompressionsniveau des in der Metallelektrode absorbierten Deuteriums aufrechterhalten werde.<ref name="ref12" /> Koonin und Nauenberg kommen jedoch zu dem Schluss, dass die Reduzierung der Trennung um den Faktor 5 tatsächlich notwendig ist, um die von BYU behaupteten Fusionsraten zu erklären. Sie behaupten auch, dass sie einen Faktor von 10 benötigen, um die Ergebnisse von Pons und Fleischmann zu erklären.<ref name="ref08" /> Eine bloße Halbierung der Trennung würde die Fusionsgeschwindigkeit nur auf etwa 4 × 10<sup><small>-41</small></sup> Reaktionen pro Sekunde erhöhen.<ref name="ref08" /> Leider ist nicht klar, was Jones und andere als plausible Zahl für die interne Kerntrennung zwischen Deuteriumkernen bei Absorption in Palladium oder Titan ansahen. In seiner Arbeit behauptet Jones, dass „Quasi-Elektronen“ im Metallgitter eine effektive Masse haben könnten, die ein paar Mal so groß ist wie die der Elektronenmasse, und somit eine Verringerung dieser Reihenfolge bei der Trennung bewirken könnten, ähnlich wie dies bei einem Myon der Fall wäre.<ref name="ref12" /> Während Koonin und Nauenberg die Verringerung der Trennung diskutieren, indem sie hypothetisch ''„das Elektron mit einer größeren Masse ausstatten, […] als es tatsächlich hat“'', fügen sie in Klammern auch eine Warnung hinzu:

''„(Diese erhöhte Masse sollte nicht mit einer physikalischen Anregung in einem festen Material verbunden sein, da auf den hier wichtigen kurzen Skalen nur das bloße Elektron relevant ist.)“''<ref name="ref08" />

Ungeachtet der Kritik von Koonin und anderen setzte die Gruppe aus Utah das fort, was die New York Times als ''„Muster der Nichtzusammenarbeit“'' bezeichnete, und verweigerte einem Gremium aus dem Energieministerium den Besuch und die Offenlegung von Daten, da feindselige Wissenschaftler in das Gremium aufgenommen worden seien, auch wenn diese offen feindseligen Mitglieder das Labor nicht besuchen.<ref name="ref09" /> Danach ''„kam das Gremium zu dem Schluss, dass die Aussichten, Energie durch Kaltfusion zu erzeugen, so gering sind, dass die Bundesregierung keine neuen Labors errichten sollte“''.<ref name="ref03" /><ref name="ref09" />

Nach dieser Überprüfung untersuchten die Wissenschaftler weiterhin die Behauptungen von Pons und Fleischmann. Im März 1990, ein Jahr nach Pons und Fleischmanns ursprünglicher Pressekonferenz, veröffentlichte Nature einen Artikel, der von Michael Salamon, einem Physiker an der Universität von Utah (Pons' Institution), mitverfasst wurde und in dem keine signifikanten Emissionen von Neutronen, Gammastrahlung oder irgendein anderer Indikator für die Fusionsaktivität in den Zellen gemessen wurden, die in Pons' Labor verwendet werden.<ref name="ref05" /> Im Juni des folgenden Jahres stellte die Texas A & M Group fest, dass ihre Palladiumelektroden mit Tritium kontaminiert waren, und legten ihre früheren Tritiumergebnisse dar, ohne dass eine Fusion behauptet werden musste.<ref name="ref03" /> Nach diesen Entwicklungen verließen Fleischmann und Pons die USA nach Frankreich, wo sie ihre Arbeit unter Toyota bis Mitte der neunziger Jahre wieder aufnahmen.<ref name="ref02" /> Als Martin Fleischmann 2012 im Alter von 85 Jahren starb, startete die New York Times ihren Nachruf mit den Worten:

''„Martin Fleischmann machte die größte Entdeckung seit dem Feuer: den Sonnenofen bei Raumtemperatur in einem Glas Wasser nachzubilden, um den Energiebedarf der Welt für immer zu decken.''
''So hätte es Dr. Fleischmann gefallen, wenn er den Nachruf hätte lesen können.“''<ref name="ref02" />

Dies mag eine unnötig grausame Art sein, einen Nachruf zu beginnen, spiegelt aber möglicherweise die scharfe Kehrtwende der wissenschaftlichen Gemeinschaft gegen die Behauptungen von Pons und ihm wider.

== Ein Fall von Identität ==

Die Unterstützung von Anstrengungen um die Kalte Fusion setzte sich jedoch bis zu einem gewissen Grad fort. 1991, zwei Jahre nach der ursprünglichen Ankündigung in Utah, behaupteten Wissenschaftler des Naval Weapons Center immer noch, dass ''„starke Beweise dafür vorliegen, dass nukleare Prozesse in Apparaten stattfinden, die den in Utah verwendeten ähnlich sind“''.<ref name="ref18">W. J. Broad, „There Still May Be Something Scientific About Cold Fusion,“ New York Times, 14 Apr 91.</ref> Die Sowjetunion zeigte sich auch sehr enthusiastisch über die Aussichten auf eine Kalte Fusion, als die sowjetische Akademie der Wissenschaften ankündigte, ''„dass in den nächsten vier Jahren 15 Millionen Rubel für solche Arbeiten aufgewendet werden“''.<ref name="ref18" />

[[Datei:Kalte Fusion Eine Studie_5_300x.jpg|frame|300px|right|Abbildung 5: Michael McKubre arbeitet an einer Deuterium-Kaltfusionszelle von SRI International. (Quelle: [https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gas-ColdFusionCell-SRI-Intl-McKubre.jpg Wikimedia Commons])]]Die Unterstützung für den Begriff „Kalte Fusion“ ist weniger offensichtlich. In einem Artikel der Popular Science aus dem Jahr 2012 wurde festgestellt, dass in der Forschung zur Kalten Fusion verschiedene Aliase wie ''„Kernforschung mit kondensierter Materie, gitterunterstützte Kernreaktion, chemisch unterstützte Kernreaktion“'' sowie ''„Niedrigenergetische Kernreaktion (LENR)“'' verwendet wurden.<ref name="ref19">S. Featherstone, „Andrea Rossi's Black Box,“ Popular Science 281, No. 5, 62 (November 2012).</ref> Mit dieser Änderung der Identität ihres Fachgebiets geben Forscher in Japan, Italien, Israel, Indien, Russland und China ''„erhebliche Ressourcen für die LENR-Forschung“'' sowohl in nationalen Laboratorien als auch in privaten Unternehmen aus, so dass das US-amerikanische Verteidigungsministerium besorgt ist über ''„die Wahrscheinlichkeit eines technologischen Durchbruchs – sowie das Potenzial für technologische Überraschungen – durch ein internationales Team, insbesondere aus Ländern, die mehr Ressourcen für diese Forschung aufwenden als die USA.“''<ref name="ref20">„Technology Forecast: Worldwide Research on Low-Energy Nuclear Reactions Increasing and Gaining Acceptance,“ U.S. Defense Intelligence Agency, DIA-08-0911-003, November 2009.</ref>

Das Energieministerium führte im Jahr 2004 eine zweite Überprüfung der Kalten Fusion durch, fand jedoch immer noch keine schlüssigen Beweise und ließ die Haltung des Ministeriums gegenüber der Überprüfung von 1989 unverändert.<ref name="ref21">K. Chang, „Evidence on Cold Fusion Remains Inconclusive, New Review Finds,“ New York Times, 2 Dec 04.</ref><ref name="ref22">C. Seife, „Outlook for Cold Fusion Is Still Chilly,“ Science 306, 1873 (2004).</ref> Trotzdem gibt es in den USA einige institutionelle und industrielle Forscher zur Kalten Fusion, darunter Michael McKubre von SRI International (siehe Abbildung 5) und Peter Hagelstein vom MIT.<ref name="ref21" /><ref name="ref23">B. Daley, „Heating Up a Cold Theory,“ Boston Globe, 27 Jul 04.</ref> Fusionsexperimente wurden auch innerhalb des US-Militärs im Space and Naval Warfare (SPAWAR)-Systemzentrum in San Diego, Kalifornien, fortgesetzt. Das SPAWAR-Team hat zwei Kurzmitteilungen in Naturwissenschaften und weitere Artikel in anderen begutachteten (peer-reviewed) Fachzeitschriften veröffentlicht.<ref name="ref24">S. Szpak et al., „Evidence of Nuclear Reactions in the Pd Lattice,“ Naturwiss. 92, 394 (2005).</ref><ref name="ref25">S. Szpak, P. A. Mosier-Boss, and F. E. Gordon, „Further Evidence of Nuclear Reactions in the Pd Lattice: Emission of Charged Particles,“ Naturwiss. 94, 511 (2007).</ref><ref name="ref26">B. Daviss, „Cold Fusion Rides Again,“ New Scientist 194, No. 2602, 32 (May 2007).</ref> (Historisch gesehen war Naturwissenschaften auch die Zeitschrift, in der Otto Hahn und Fritz Strassmann erstmals über Transmutationen aufgrund von Kernspaltungsprozessen berichteten.<ref name="ref27">O. Hahn and F. Strassmann, „Über den Nachweis und das Verhalten der bei der Bestrahlung des Urans mittels Neutronen entstehenden Erdalkalimetalle,“ Naturwiss. 27, 11 (1939).</ref>) Das SPAWAR-Team berichtete über ungewöhnliche Formänderungen, mögliche Transmutationen und die Erzeugung von energetisch geladenen Partikeln in ihrer Konfiguration und behauptete, diese Beobachtungen seien Hinweise auf Kernreaktionen.<ref name="ref24" /><ref name="ref25" /> Diese Veröffentlichungen enthalten jedoch nur wenige theoretische Details und sind nicht bereit, diese Änderungen bestimmten nuklearen Prozessen zuzuordnen. Die Forschung wurde auch in Italien fortgesetzt, wo das Nationale Institut für Kernphysik ein Team von LENR-Experimentatoren unterhält.<ref name="ref19" /> Ein Beispiel für eine privat finanzierte Anstrengung ist Andrea Rossis E-Cat-Gerät, das vorgibt, ''„Nickelpulver, eine kleine Menge Wasserstoffgas und Rossis‘ geheimen Katalysator“'' zu verwenden.<ref name="ref19" /> Das Gerät wurde öffentlich demonstriert, jedoch nur mit sehr geringer Transparenz oder externen Tests.<ref name="ref19" />

Ob transparent oder nicht, die Forschung zur Kalten Fusion wird weiterhin wegen mangelnder Einhaltung der Wissenschaft kritisiert. Zum Beispiel in der Überprüfung der Kalten Fusion durch das Department of Energy nach Science im Jahr 2004:

„In der Tat äußerten sich mehrere Gutachter äußerst kritisch gegenüber der Forschung und gaben an, dass viele der Experimente schlecht durchgeführt wurden, widersprüchliche Ergebnisse aufwiesen und oft nicht reproduzierbar waren. Ein skeptischer Rezensent ging weiter und meinte, dass »Arbeiter« [an der Kalten Fusion] »wahre Gläubige sind, und so gibt es kein Experiment, das sie dazu bringen könnte, aufzuhören.«“<ref name="ref22" />

Im Anschluss an die Überprüfung stellte James Decker, stellvertretender Direktor des Office of Science, fest, dass die Abteilung ''„immer offen für Vorschläge war, die wissenschaftlich wertvoll sind, wie es durch Peer Review festgestellt werden kann.“''<ref name="ref21" />

Unabhängig von der Haltung der Abteilung scheint die Untersuchung der Kalten Fusion nach Pons und Fleischmann weitgehend von der Hauptphysik ausgeschlossen zu bleiben, einfach weil das derzeitige Verständnis der Hauptphysik keine D-D-Fusion durch elektrolytische Kompression in Palladium zulässt. Wie aus der obigen Diskussion von Koonins und Nauenbergs Überlegungen hervorgeht, erfordert die Steigerung der Kalten D-D-Fusionsraten auf leicht messbare Werte – geschweige denn auf nützliche Werte – eine signifikante Reduzierung der Kerntrennung, und kann sich nicht auf Gitteranregungen über Längenskalen verlassen, die größer sind als die internukleare Längenskala. Wenn diese Reduktion nicht durch höhere Kernenergien oder durch die Katalyse von Myonen erreicht wird, muss das Metallgitter eine extreme Kompression des Deuteriums bewirken, um einen geringen Abstand zwischen den Deuteriumkernen weit unter 10<sup><small>-10</small></sup> m aufrechtzuerhalten, sodass trotz des Extrems eine Fusion stattfinden kann trotz der Coulomb-Potentialbarriere, die zwischen jedem Deuteronenpaar besteht. Eine solch kleine Trennung aufrechtzuerhalten würde jedoch immer noch die Überwindung derselben Coulomb-Barriere erfordern, und numerische Studien, die nach den Behauptungen von 1989 durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass dies eine vernachlässigbare Möglichkeit ist.<ref name="ref28">C. T. White et al., „Limits of Chemical Effects on Cold Fusion“, J. Fusion Energy, 9, 363 (1990).</ref> Eine weitere Untersuchung der Eigenschaften von Deuterium in Palladium kann im Rahmen der chemischen Physik durchaus gerechtfertigt sein, jedoch ist es derzeit nicht hinreichend belegt, ein Phänomen in diesem System als Kalte Fusion zu betrachten.

== Verweise ==

<references />

== Urheberrecht ==

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