Kalte Fusion: Eine Studie in wissenschaftlichen Kontroversen
Dongwoo Chung, 14. März 2015
large.stanford.edu/courses/2015/ph241/chung2/
Eingereicht als Kursarbeit für PH241, Stanford University, Winter 2015
Einführung
Das Handbuch der Patentprüfungsverfahren des US-Patentamts erwähnt die Kalte Fusion neben dem Perpetuum mobile und anderen Erfindungen von „unglaublichem“ Nutzen oder „behauptetem Nutzen … im Widerspruch zu bekannten wissenschaftlichen Prinzipien“.[1] 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.“[2] 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. [3]
Tatsächlich spekulierten Wissenschaftler bereits 1934 über in Palladium gelösten Wasserstoff im Zusammenhang mit der Kernfusion. [3]
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“. [3]
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). [3]
Beide versuchten, eine D-D-Fusion zu erlangen unter Erwägung zweier möglicher Reaktionen: [4]
2D + 2D → 3He + n (1)
2D + 2D → 3T + H (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. [5]
Pons und Fleischmann wollten diese Reaktionen jedoch durch Elektrolyse von schwerem Wasser erreichen.
Wie könnten diese Fusionsreaktionen in einer Elektrolysezelle ablaufen (siehe Abb. 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“? [6]
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. [6]
Pons und Fleischmanns Artikel von 1989 formuliert diese Aufspaltung als die Reaktion
D2O + e- → Dads + OD-
wobei der Index „ads“ bedeutet, dass das Deuterium adsorbiert ist, d. h. sich auf der Oberfläche der Kathode ansammelt. [4]
Die Deuteriumatome werden anschließend im Gitter der Kathode absorbiert, die in dieser Zelle aus Palladium besteht. Pons und Fleischmann notieren dies als eigenen Reaktionsschritt: [4]
Dads → Dlattice
Der Aufsatz stellt einen Befund an absorbiertem Deuterium in Palladium an, der „nur erklärt werden kann, wenn sich H+ und D+ im Gitter wie klassische […] Oszillatoren verhalten, d. h. sie müssen ein sehr flaches Quellpotential aufweisen.“ [4]
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. [4]
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. [4]
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. [7,8]
Später konvergierte Jones jedoch unabhängig von Fleischmann und Pons und arbeitete mit der chemischen Abteilung an dem gleichen elektrolytischen Ansatz für die Kaltfusion. [3]
Da sich 1989 die Veröffentlichungen beider Anstrengungen näherten, erzielten Pons, Fleischmann und Jones zunächst eine Vereinbarung, ihre Ergebnisse am 24. März gleichzeitig Nature vorzulegen. [3]
Fleischmann und Pons reichten ihre Arbeit jedoch am 11. März beim Journal of Electroanalytical Chemistry ein, offenbar aufgrund des Drucks von Universitätsverwaltern wegen Patentproblemen. [2,3]
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. [3]
Pons und Fleischmann schickten ihre Vorlage am Tag danach an Nature. [3,9]
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. [6]
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. [6]
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. [4]
(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: [4]
1H + n → 2D + γ
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. [4]
Die Arbeit zeigt jedoch später, dass das experimentell gemessene γ-Strahlenspektrum einen Peak bei 2,2 MeV Energie aufweist. [4]
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. [3,9,10]
Ungeachtet fragwürdiger Daten behauptete die Veröffentlichung von 1989 die Beobachtung eines Neutronenflusses von etwa 4 × 104 Neutronen pro Sekunde. [4]
Darüber hinaus behauptete die Veröffentlichung die Messungen einer Tritiumproduktion, die die Fusionsrate von Gleichung (2) auf die Größenordnung von 104 Atomen pro Sekunde setzt. [4]
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 1014 Atomen pro Sekunde erforderlich wären. [4]
Pons und Fleischmann erklärten dies als Hinweis darauf, dass „andere nukleare Prozesse beteiligt sein müssen“. [4]
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
4 × 104 Neutronen pro Sekunde × 2,5 MeV pro Neutron × 1,6 × 10-13 Joule pro MeV = 1,6 × 10-8 Joule pro Sekunde
Hätte dieser Fluss indessen die oben genannten 1014 Atome pro Sekunde erreicht, wäre die entsprechende Leistung
1 × 1014 Neutronen pro Sekunde × 2,5 MeV pro Neutron × 1,6 × 10-13 Joule pro MeV = 40 Joule pro Sekunde
Im ersten Fall würde eine Person mit 80 kg Körpermasse 2 × 10-10 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. [11]
Nature akzeptierte jedoch Jones' Einreichung, die in der Ausgabe vom 27. April veröffentlicht wurde. [12]
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. [12]
Darüber hinaus liegt der gemeldete Neutronenfluss in der Größenordnung von 4 × 10-3 Impulsen pro Sekunde - viele Größenordnungen niedriger als von Fleischmann und Pons berichtet. [12]
Auf der Grundlage dieses Neutronenflusses behauptete Jones eine Fusionsreaktionsrate für Reaktion (1) in der Größenordnung von mindestens 10-23 Fusionen pro Deuteronenpaar pro Sekunde, möglicherweise so hoch wie 10-20 pro Deuteronenpaar pro Sekunde (ein Wert, den Jones als „leicht messbar“ erachtete). [12]
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. [13]
Während Jones' Aufsatz feststellt, dass Elektrolyseläufe mit leichtem Wasser (H2O) anstelle von schwerem Wasser (D2O) durchgeführt wurden, um den experimentellen Hintergrund zu verstehen, offenbaren Pons und Fleischmann keine derartigen Läufe. [4,12]
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. [13]