LENR-Forum: Was ist LENR?
Autor: barty, 16. Januar 2017
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Die Geschichte von LENR ist sehr verwirrend und wird oft mit einer Verschwörung von Big Oil verglichen. Im folgenden Artikel beschreiben wir in einer einfachen (und wissenschaftlich falschen!) Sprache, woher LENR kommt und warum es vom wissenschaftlichen Establishment (noch) nicht anerkannt wird.
Das Akronym „LENR“ steht für „Low Energy Nuclear Reactions“ (Niederenergetische Kernreaktionen) und beschreibt ein physikalisches Phänomen, das erstmals Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckt wurde und 1989 nach der Veröffentlichung einiger umstrittener experimenteller Ergebnisse durch Martin Fleischmann und Dr. Stanley Pons unter dem Namen „Kalte Fusion“ die Aufmerksamkeit der Welt erregte.
Das alte Etikett der „Kalten Fusion“ entstand, weil die Forscher in den frühen Tagen dachten, da müsse ein Fusionsprozess stattfinden.
In der heutigen Bezeichnung für dieses Forschungsgebiet bedeutet „Niederenergetisch“, dass eine Kernreaktion unter Drücken und Temperaturen stattfindet, die weit unter denen liegen, die viele Wissenschaftler für Kernreaktionen als notwendig erachten.
Dies ist bereits einer von vielen Widersprüchen zwischen LENR und allgemein anerkannten wissenschaftlichen Konzepten, die auf der Grundlage mathematischer und physikalischer Berechnungen darauf bestehen, dass Kernreaktionen eine spezifische (und hohe) Energie benötigen, um stattfinden zu können. Aus diesem Grund wird die LENR-Forschung oft als Randforschung bezeichnet, und die Ergebnisse von vielen tausend Experimenten werden zurückgewiesen, da sie „nicht wahr sein können“.
Um zu verstehen, warum viele Physiker heute leugnen, dass LENR real ist, müssen wir einen kurzen Blick auf das aktuelle Verständnis von der Struktur eines Atoms werfen, woraus es besteht und wie es sich verhält.
Crashkurs zur Kernphysik
Wichtiger Hinweis: Die folgende Beschreibung ist vereinfacht und sehr allgemein gehalten, in der Tat nicht ganz korrekt. Sie soll jedoch Lesern mit begrenzten Kenntnissen der Atomphysik (zu denen auch einige Mitglieder dieses Forums gehören) ein wenig mehr Informationen zu den Gründen für die wissenschaftliche Kontroverse vermitteln, die LENR umgibt.
Ein Atomkern besteht aus
- Protonen, die elektromagnetisch positiv geladen sind.
- Elektronen, die elektromagnetisch negativ geladen sind.
- Neutronen, die elektromagnetisch neutral geladen sind.
Die Anzahl der Protonen in einem Atomkern gibt Auskunft darüber, um welches Element es sich handelt (z. B. Wasserstoff, Helium, Sauerstoff, Eisen …). Die Anzahl der Neutronen in einem Atomkern gibt an, um welches Isotop des spezifischen Elementes es sich handelt.
„Isotop“ ist der Begriff für Atome, bei denen eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen im Kern zwei oder mehr Formen desselben Elementes ergeben, die sich in der relativen Atommasse, meist jedoch nicht in den chemischen Eigenschaften unterscheiden. Ein gutes Beispiel dafür ist der Kohlenstoff, der zwei Isotope besitzt – C12 und C14. Beide kommen in der Natur vor, aber es überwiegt das sehr stabile C12. C14 ist eine radioaktive Form eines Elements, das sich in fast jeder anderen Hinsicht genauso verhält wie C12.
Ein weiteres (für LENR wichtiges) Beispiel für Isotope ist Wasserstoff. Dies ist das kleinste Atom mit nur einem Proton in seinem Kern. Es hat drei bekannte Isotope:
- Protium (1 Proton, kein Neutron), die häufigste Art von Wasserstoff hier und im gesamten Universum. Zwei Atome von Protium, die chemisch an Sauerstoff gebunden sind, bilden [math]H_2O[/math], das wir „Wasser“ nennen.
- Deuterium (1 Proton, 1 Neutron), das stabil, aber viel seltener ist – kombiniert mit Sauerstoff entsteht [math]D_2O[/math], das als „schweres Wasser“ bezeichnet wird.
- Tritium (1 Proton, 2 Neutronen), das radioaktiv und damit instabil ist, aber ein den beiden anderen Isotopen ähnliches chemisches Verhalten aufweist.
Nun, Sie erinnern sich vielleicht aus ihrer Schulzeit daran, dass sich gleiche Ladungen abstoßen (denken Sie an zwei Magnete, N-Pol zu N-Pol) und sich entgegengesetzte Ladungen anziehen.
Wie bei gewöhnlichen Magneten, so ist es auch bei elektromagnetischen Ladungen. Diese Regel bedeutet, dass ein Atom, das nur mehrere Protonen in seinem Kern hat, sofort eine Spaltungsreaktion (Zerfallen) durchlaufen würde. Dies würde passieren, weil die Protonen sich gegenseitig abstoßen würden, wodurch dieses „unmögliche“ Atom in kleinere Atome mit größerer Stabilität gespalten würde.
Hier müssen wir uns an die berühmten vier fundamentalen Kräfte des Universums erinnern. Sie müssen über all dies ein wenig Bescheid wissen!
Wie Sie sehen, werden zwei der vier als „Kernkräfte“ bezeichnet, eine als schwache und eine als starke.
Die starke Kernkraft hält (mit Hilfe der Neutronen) die sich abstoßenden Protonen im Inneren eines Atomkerns zusammen und ist stärker als die Kraft des Elektromagnetismus, die das Atom zur Spaltung (zum Zerfall) bringen würde.
Anmerkung: Die starke Kraft hat eine „Bindungsenergie“. Diese Bindungsenergie ist die Energie, die in den heutigen spaltungsbasierten Kernkraftwerken freigesetzt wird, wo z. B. ein großes Atom wie Uran durch Beschuss mit Neutronen gespalten wird. Dies bewirkt die Freisetzung von schnell bewegten Teilchen (Strahlung) und viel, viel Wärmeenergie.
Einfach gesagt: Je größer der Kern, desto schwieriger ist es für die starke Kernkraft, die sich abstoßenden Protonen zusammenzuhalten. Schon ab einer bestimmten Atomgröße reicht es aus, den Kern mit einem beschleunigten Neutron zu treffen (das vom Kern nicht abgestoßen wird und ihn leicht treffen kann), um den zerbrechlichen Kern in mehrere kleinere Elemente zu spalten. Solche Atome oder Isotope werden als „radioaktive“ Elemente bezeichnet.
Hier gibt es ein Problem: Die Kernkräfte wirken nur über sehr kurze Distanzen. Elektromagnetische Kräfte sind über große Entfernungen spürbar (und nutzbar), z. B. beim Radar, bei Radioteleskopen und Mobiltelefonen, während die Kernkräfte nur eine Reichweite von wenigen Femtometern haben. Falls Sie es nicht wissen, ein Femtometer ist 1 Billiardstel Meter!
Das bedeutet, dass man die geladenen Teilchen sehr nahe zusammenbringen muss, damit die starke Kernkraft sie an den Kern binden kann. Wenn das passiert, spricht man von der berühmten Kernfusion!
Kernfusion
Der Schritt, „sie näher zusammenzubringen“, braucht viel Energie! Wenn man dem Kern eines Elementes ein Proton hinzufügen will (vielleicht, um Deuterium in Helium umzuwandeln), muss man diese Energie (in Form von kinetischer Beschleunigung) in das Proton stecken, damit es die angesammelte abstoßende elektromagnetische Kraft aller bereits im Kern befindlichen Protonen überwinden kann. Dieser Widerstand, der das zusätzliche Proton daran hindert, sich mit den anderen zu verbinden, wird als „Coulombwall“ oder „Coulombbarriere“ bezeichnet – das ist die Hürde, die es zu überwinden gilt.
Eine Maschine, die das tun kann – wie der Large Hadron Collider am CERN – muss riesig sein und benötigt enorme Mengen an elektrischer Energie, um z. B. Protonen auf Geschwindigkeiten zu beschleunigen, bei denen sie die Wand durchbrechen können.
Bei der Kernfusion kommt es zu einer Energiefreisetzung in Form eines „Massenverlust“. Die durch einen solchen „Massenverlust“ freigesetzte Energie lässt sich mit Einsteins berühmter Formel [math]E = m \cdot c^2[/math] berechnen. In dieser Formel ist [math]c[/math] die Lichtgeschwindigkeit in Metern pro Sekunde (299 792 458 m/s) und [math]m[/math] der Massenverlust in Kilogramm. Da [math]c \cdot c[/math] eine solche riesige Zahl ist, wird es offensichtlich, dass selbst eine winzige Menge Masse einer riesigen Menge an Energie [math]\left(E\right)[/math] entspricht!
Da die Fusion am wirkungsvollsten ist, wenn größere Atome aus sehr kleinen Atomen mit einer „kleinen“ Abstoßungskraft „aufgebaut“ werden (z. B. Helium aus Wasserstoff), gibt es auf lange Sicht kaum oder keine Probleme durch die Erzeugung schädlicher radioaktiver Abfälle. Deshalb sind Wissenschaftler sehr daran interessiert, diese Art von Energie für die Menschheit nutzbar zu machen.
Einfach gesagt: Sie wollen die bei der Fusion frei werdende Wärmeenergie in elektrische Energie umwandeln, die dann in unsere Steckdosen gelangt.
Es gibt jedoch das Problem des „Barrier-Jumping“ (des „Barrierensprungs“), das durch die Existenz der Coulombwall verursacht wird. Dies ist der Grund, warum Kraftwerke, die auf Basis der „Heißen Fusion“ arbeiten – wie ZETA im Vereinigten Königreich – nicht mehr Energie erzeugen können, als für die Durchführung der Fusion in ihren Reaktoren benötigt wird. Daher sagen wir, dass der Coefficient of Performance (COP) dieser Maschinen kleiner als 1 ist, oder COP < 1.
LENR verspricht eine Möglichkeit, etwas Ähnliches auf ihrem Küchentisch zu tun!
LENR
In den Anfängen von LENR glaubten die beteiligten Forscher, sie hätten einen Fusionsprozess erblickt, der mit sehr geringen Energien auszulösen ist. Mit anderen Worten, COP > 1! Die Forscher gingen von einem Fusionsprozess aus, weil sie einen Energieüberschuss in Form von Wärme und einige nukleare Veränderungen sahen. Sie fanden auch Elemente, die vor der Reaktion nicht da waren. Diese beiden Merkmale finden sich auch in den riesigen „heißen“ Kernfusionsanlagen.
Mit der Strahlung gibt es noch ein weiteres Problem: Während bei den heißen Fusionsprozessen auch schädliche Strahlung in Form von schnellen Neutronen freigesetzt wird, ist dies bei der Kalten Fusion nicht der Fall. Aber die Physiker sind sich einig darüber, dass jedes Mal, wenn ein Atom seine Struktur auf irgendeine Weise ändert, Strahlung festgestellt werden muss, zumindest als Indikator.
Und hier beginnt der große Widerspruch, der Anfang der 90er Jahre massive Wellen schlug!
Lange Rede kurzer Sinn: Die Ankündigung der Kalten Fusion durch Pons und Fleischmann löste eine lange und sehr erbitterte Debatte in der wissenschaftlichen Gemeinschaft aus. Am Ende wurde die LENR-Akte aufgrund einer sehr niedrigen experimentellen Replikationsrate bei den großen wissenschaftlichen Institutionen offiziell geschlossen und als „experimenteller Fehler“ abgeschrieben. Deshalb wird die Fortsetzung der Forschung (und derer, die weiterhin auf diesem Gebiet arbeiten) weithin als „Randwissenschaft“ und nicht ganz seriös angesehen.
Wegen dieser „Reputationsfalle“ muss man in dieser Phase vorsichtig sein, wenn man das Thema auf eigene Faust untersuchen will! Während Sie diesen warnenden Hinweis vernehmen, muss gesagt werden, dass viele LENR-bezogene Materialien, die Sie im Internet finden, nicht sehr wissenschaftlich sind und oft einen esoterischen Touch haben! Denken Sie daran und glauben Sie nichts, bis Sie alle Fakten überprüfen.
Einige Forscher untersuchten jedoch weiterhin den LENR-Prozess, und nur wenige von ihnen sind in der Lage, experimentelle Ergebnisse mit einem COP > 1 zu reproduzieren. Die meisten dieser „positiven“ Ergebnisse erreichen nur einen sehr geringen Energieüberschuss (im Bereich von mW). Und da es sehr schwierig ist, die thermische Energie richtig zu messen (siehe Kalorimetrie), gibt es in der wissenschaftlichen Gemeinschaft viele Zweifel daran, dass solche positiven LENR-Experimente nur wenige Messfehler aufwiesen.
Wenn man LENR als real annimmt, können es jedenfalls keine Fusionsreaktionen sein, wie sie die Physik heute versteht. Vielmehr müssen sie etwas anderes sein, das bisher noch nicht erkannt oder theoretisch beschrieben wurde. Es gibt heutzutage viele verschiedene Versuche, wissenschaftlich zu beschreiben, was LENR sein könnten und wie sie im Detail funktionieren könnten. Man nennt dies eine „Theorie“.
Einige Theorien verwenden klassische physikalische Konzepte, andere verwenden Konzepte aus dem relativ neuen Bereich der Quantenmechanik.
Die populärste Theorie ist die „Ultra-Low-Momentum-Neutronen-katalysierte Kernreaktion auf Metallhydrid-Oberflächen“ von Allan Widom und Lewis Larsen, oft nur die „Widom-Larsen-Theorie“ genannt. Sie wurde in der Fachzeitschrift „European Physical Journal C“ veröffentlicht und weckt damit auch das Interesse der seriösen Forscher der NASA. Die Widom-Larsen-Theorie im Allgemeinen war die erste Theorie, die eine physikalisch korrekte und akzeptierte Erklärung lieferte, warum das Konzept der LENR nicht unbedingt völliger Unfug oder Pseudowissenschaft sein muss. Seit dieser Veröffentlichung hat LENR wieder einen leichten Aufschwung in der seriösen experimentellen Arbeit bekommen.
Die Widom-Larsen-Theorie
Die Theorie geht davon aus, dass innerhalb eines Metallgitters die Elektronen der Metallatome in eine kollektive Bewegung versetzt werden können, wie das kollektive Schwingen zu Musik, aber zu elektromagnetischen Frequenzen.
Durch diese Technik könnte man die Elektronen mit relativ geringer Energiezufuhr beschleunigen, so dass sie theoretisch größer oder schwerer werden (man bedenke, dass Masse nichts anderes ist als Energie in einer festen Phase, wie sie durch [math]E = m \cdot c^2[/math] beschrieben wird!) Je größer das Elektron wird, desto wahrscheinlicher ist es, dass ein sogenannter „inverser Betazerfall“ eintritt. Das bedeutet, dass ein Proton (wie aus Wasserstoff, der zuvor in das Gitter eingedrungen ist) das Elektron einfangen kann („Elektroneneinfang“) und zu einem Neutron wird.
Wir wissen, dass ein Neutron ein ungeladenes Teilchen ist und in der Lage ist, in einen Atomkern einzutreten, ohne eine Barriere zu überwinden. Wenn dies geschieht, z. B. wenn das Neutron in einen Nickel- oder Palladiumkern gegeben wird, würde die schwache Kernkraft den Neutronenüberschuss in diesen Kernen auflösen, indem sie ein Neutron wieder in ein Elektron und ein Proton spaltet. Während sich das Elektron dann auf seine Bahn um die Kerne begibt, bleibt das Proton, gebunden durch die starke Kraft, innerhalb der Kerne, was das Element im Periodensystem verschiebt.
Die letztere Art der Reaktion wird „Beta-Minus-Zerfall“ genannt und allgemein als „Kerntransmutation“ bezeichnet. Nach der Widom-Larsen-Theorie könnte es möglich sein, freie Neutronen mit weniger Energie zu erzeugen, als von der nachfolgenden Reaktionskette freigesetzt wird, wenn dieses Neutron in einem Kern eingefangen wird (COP > 1).
Das Wort „könnte“ wird in der obigen Beschreibung ein paar Mal hervorgehoben, weil dies sehr theoretische Annahmen sind und wenn man sich die Mathematik dahinter anschaut, ist die Wahrscheinlichkeit dafür sehr groß.
Das folgende Youtube-Video wird Ihnen weitere Einblicke in die Geschichte von LENR geben:
