LENR als eine Erscheinungsform der schwachen nuklearen Wechselwirkung

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LENR как проявление слабых ядерных взаимодействий

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International Journal of Unconventional Science
Volume 7, No. 23-24, 6-8, 2019
A. G. Parkhomov
alexparh@mail.ru
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Zusammenfassung

Die geringe Masse der Neutrinos (wie auch der Antineutrinos) ermöglicht es, sie in verstärktem Maße durch Kollisionen von Materieteilchen während ihrer thermischen Bewegung zu erzeugen. Die dabei entstehenden Neutrinos (bzw. Antineutrinos) besitzen eine Energie von etwa 0,1 eV. Bei einer solchen Energie beträgt die De-Broglie-Wellenlänge etwa 5 Mikrometer. Das bedeutet, dass eine ungeheure Anzahl von Atomen an der schwachen nuklearen Wechselwirkung beteiligt ist, sodass die Auswirkungen der nuklearen Transformationen unter Beteiligung von Neutrinos (bzw. Antineutrinos) tatsächlich beobachtbar werden. Betrachtet man die thermische Erzeugung von Neutrinos nun als die Grundlage für Kerntransformationen im LENR-Prozess, dann lassen sich daraus eine Reihe von Eigenschaften dieses Phänomens erklären.

I. Einführung

Eine sehr umfangreiche Klasse von Phänomenen, die als „Niederenergetische Kernreaktionen“ (LENR), als „Kalte Kerntransmutation“ (CNT) oder auch als „Kalte Fusion“ bezeichnet werden, sind weder niederenergetisch (denn es wird eine riesige Menge an Energie freigesetzt) noch kalt (kann man einen Prozess als kalt bezeichnen, der bei einer Temperatur von eintausend Grad abläuft?). Allen Forschern an diesem Phänomen ist klar, dass es sich hierbei um unzureichende Begriffe handelt. Doch solange der physikalische Mechanismus, der diesem Phänomen zugrunde liegt, nicht geklärt ist, ist nur eine bedingte Terminologie möglich. Im weiteren Verlauf wird der im In- und Ausland gebräuchlichste Begriff, „LENR“, verwendet.

LENR ist sehr vielfältig. Es gibt Prozesse in Metallen mit darin aufgelöstem Wasserstoff. Es gibt Prozesse in Plasmen, in einer Gasentladung und sogar in biologischen Systemen. Auf den ersten Blick haben diese Prozesse nichts miteinander zu tun. Doch bei näherer Betrachtung lassen sich vier Merkmale erkennen, die all diesen Prozessen gemein sind.

Das erste Merkmal besteht darin, dass sie eine recht greifbare Energieschwelle aufweisen. Besonders deutlich wird dies am Beispiel von Nickel- Wasserstoff-Reaktoren, bei denen es erst bei Temperaturen von über 1200 °C zu einer massiven Erzeugung von Überschusswärme kommt[1][2], also wenn die mittlere Energie der Teilchen einer Substanz in ihrer thermischen Bewegung den Wert von 0,1 eV überschreitet. In Reaktoren mit Elektroplasma[3][4] erreicht die Temperatur mehrere Tausend Grad (mehrere Zehntel eines eV). In Anlagen mit Plasma aus einer Glimmentladung[5][6] liegt die Elektronenenergie in der Größenordnung von 1 eV. Auf den ersten Blick bilden Prozesse, bei denen LENR-Symptome schon bei Raumtemperatur nachweisbar sind (Elektrolyse[7], Biologie[8][9]), eine Ausnahme von dieser Regel. Doch in Wirklichkeit liegen die Energien, die für die Energieaustauschvorgänge sowohl in der Elektrochemie als auch in den Prozessen des zellulären Stoffwechsels charakteristisch sind, in der Größenordnung von 1 eV.

Das zweite Merkmal besteht darin, dass sich die LENR-Prozesse in einem ziemlich dichten Medium (fest, flüssig oder dichtes Plasma) vollziehen.

Das dritte Merkmal besteht in der großen Vielfalt von Nukliden, die bei den LENR-Prozessen entstehen.

Das vierte Merkmal besteht in der Abwesenheit (oder zumindest sehr geringen Intensität) von harter Kernstrahlung (Neutronen, Gammaquanten), die, wie es scheint, bei Kernumwandlungen zwangsläufig auftreten sollte.

Auf der Suche nach dem physikalischen Wirkmechanismus von LENR können diese Merkmale den Pfad vorgeben. Somit besteht die Notwendigkeit, nach einem Wirkmechanismus zu suchen, der bei Energien von mehr als 0,1 eV auftritt, der eine große Vielfalt von Nukliden liefert und bei dem Umwandlungen auf nuklearer Ebene nicht zur Entstehung von harter Strahlung führen. Darüber hinaus muss der gesuchte Wirkmechanismus das Problem der „Coulombbarriere“ lösen, da Energien einer Größenordnung von 1 eV vollkommen außerstande sind, diese im Prozess der Kernkollisionen zu überwinden.

In einer Reihe von Publikationen wurde darauf hingewiesen, dass es notwendig ist, das Problem der Erklärung von LENR dadurch zu lösen, dass man die schwache Kernwechselwirkung miteinbezieht[10][11][12][13]. Ich werde versuchen aufzuzeigen, dass auf diesem Weg alle aufgeführten Merkmale von LENR erklärt werden können. Ich möchte anmerken, dass es bei schwachen Wechselwirkungen (Beta-Prozessen) keine Coulombbarriere gibt.

II. Der LENR-Schwellwert

Die Anwesenheit von Neutrinos (bzw. Antineutrinos ) ist eine notwendige Bedingung dafür, dass es aufgrund der schwachen Wechselwirkung zu nuklearen Transformationen kommen kann. Da Neutrinos nur eine sehr geringe Masse aufweisen (derzeit geht man davon aus, dass die Masse des Elektron-Neutrinos als auch die des Antineutrinos den Wert von 0,28 eV nicht übersteigt[14]), können sie, wenn auch nur mit einer geringen Wahrscheinlichkeit, aus inelastischen Kollisionen von Teilchen einer Substanz (Elektronen, Ionen, neutrale Atome) während ihrer thermischen Bewegung hervorgehen. Im Allgemeinen werden bei inelastischen Kollisionen von Teilchen Photonen erzeugt, nicht aber Neutrinos. Verfügen die so erzeugten Photonen über genügend Energie, ist es unwahrscheinlich, dass sie in ein Neutrino-Antineutrino-Paar zerfallen. Da keine genauen Daten zur Neutrinomasse vorhanden sind, gehen wir davon aus, dass die Mindestenergie für die Bildung eines Neutrino-Antineutrino-Paares 0,5 eV beträgt. Diese mittlere Energie von 0,5 eV besitzen Teilchen in einem auf bis zu 3200 °C erhitzten Körper. Zur Erinnerung: Die mittlere Energie der thermischen Bewegung beträgt [math]\bar \varepsilon[/math] = 1,5 kT (k = 1,38 ∙ 10-23 J/K – Boltzmann-Konstante, T = t (°C) + 273,15 – ist die absolute Temperatur). Einige Teilchen weisen diese und eine noch höhere Energie auch bei niedrigeren Temperaturen auf. Unter Anwendung der Energieverteilungsfunktion von Teilchen in ihrer thermischen Bewegung[15]

[math]f(\varepsilon) = { {2 \sqrt{\varepsilon} } \over {\sqrt{\pi (kT)^3} } } \, exp \left( - { {\varepsilon} \over {kT} } \right)[/math]

ist es möglich, die Temperaturabhängigkeit für den Anteil der Teilchen zu ermitteln, die eine höhere Energie als eine bestimmte vorgegebene aufweisen. In Abbildung 1 ist diese Abhängigkeit für eine Schwellwertenergie von 0,5 eV dargestellt. Bei Raumtemperatur beträgt der Anteil solcher Teilchen 10-8. Ein erkennbarer Anteil von Teilchen mit einer Energie über 0,5 eV zeigt sich erst ab einer Temperatur von etwa 1000 °C. Bei einer Temperatur von 1600 °С machen solche Teilchen bereits 10 % aus, und bei einer Temperatur von 4500 °С sogar 50 %. Somit liegt unter den getroffenen Annahmen der Schwellwert für eine thermische Erzeugung von Neutrino-Antineutrino-Paaren bei etwa 1000 °C.

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Abbildung 1. Der Anteil der Teilchen mit einer Energie von über 0,5 eV in Abhängigkeit von der Temperatur.

III. Die Notwendigkeit für eine dichte Umgebung

Derzeit reicht der Wissensstand zu den Eigenschaften der Neutrinos nicht aus, um die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Neutrinos und Antineutrinos als Folge thermischer Kollisionen von Materieteilchen zuverlässig bestimmen zu können. Klar ist lediglich, dass die Wahrscheinlichkeit dafür eher gering ist. Eine niedrige Wahrscheinlichkeit wird jedoch durch eine große Anzahl von Kollisionen kompensiert. Daher haben wir die Anzahl der Kollisionen pro Sekunde im Zuge der thermischen Bewegung in Metallen abgeschätzt. Am häufigsten kommt es zu Kollisionen von Elektronen mit Atomen in einem Metall. Der räumliche Abstand zwischen den Kollisionen beträgt etwa 10-8 m. Die Geschwindigkeit der Elektronen in ihrer Bewegung beträgt bei einer Temperatur von 2000 K etwa 2 ∙ 105 m/s[16][S. 117]. Folglich erfährt ein Elektron in seiner thermischen Bewegung 2 ∙ 1013 Kollisionen pro Sekunde. Da die Anzahl an freien Elektronen pro 1 cm3 eines Metalls bei etwa 1023 liegt[16][S. 115], kommt man für die Anzahl der Kollisionen pro Sekunde und Kubikzentimeter Metall auf einen Wert von 2 ∙ 1036. Bei so vielen Kollisionen liegt die Vermutung nahe, dass die Neutrinos und Antineutrinos in einem ausreichend heißen Metall mit einer Intensität auftreten, die genügt, um Kerntransformationen auszulösen, sodass es selbst bei sehr niedrigen Wahrscheinlichkeiten der mit den Neutrinos einhergehenden Prozesse zu einer erheblichen Freisetzung von Energie kommt. Gehen wir einmal davon aus, dass nur eine von 1010 Kollisionen zu einem Neutrino-Antineutrino-Paar führt und dass nur eines von 1010 Neutrinos oder Antineutrinos eine Kerntransformation verursacht. Dann kommt es selbst unter solch großen Verlusten in einem Kubikzentimeter heißen Metalls noch immer zu 2 ∙ 1016 Kerntransformationen pro Sekunde. Bei jeder dieser Transformationen wird Energie in der Größenordnung von 1 MeV freigesetzt. Da 1 J einer Energie von 6,25 ∙ 1012 MeV entspricht, beträgt die Leistung der freigesetzten Energie etwa 2 kW.

Eine ähnliche Abschätzung nehmen wir für ein Gas vor, das auf eine für die thermische Erzeugung von Neutrinos ausreichende Temperatur erhitzt wurde (mehrere Tausend °C). In einem Gas sind die Elektronen und Ionen selbst bei derartigen Temperaturen viel kleiner als neutrale Atome (bzw. Moleküle), weshalb die Atome (bzw. Moleküle) überwiegend miteinander kollidieren. Die Geschwindigkeit ihrer Bewegung liegt dabei in der Größenordnung von 103 m/s, und die vor der Kollision zurückgelegte Wegstrecke beträgt unter Atmosphärendruck etwa 10-7 m[17]. Daher erfährt ein Atom (bzw. ein Molekül) etwa 1010 Kollisionen pro Sekunde. Ein Kubikzentimeter heißen Gases enthält unter atmosphärischem Druck etwa 1019 Atome (bzw. Moleküle). Zwischen diesen ereignen sich etwa 1029 Kollisionen pro Sekunde – eine Zahl, die um 7 Größenordnungen unter derjenigen in Metallen liegt.

In einem auf mehrere Tausend Grad erhitzten Gas ist die thermische Erzeugung von Neutrinos und Antineutrinos also möglich, erfolgt aber mit einer um viele Größenordnungen geringeren Intensität als in Metallen. Eine intensive Erzeugung erfordert ein heißes und dichtes Medium mit einem hohen Gehalt an freien Elektronen. Neben den Metallen stellt auch ein hochdichtes Plasma ein derartiges Medium dar, wie es beispielsweise bei Explosionen von metallischen Leitern oder bei einer ausreichend stark gepulsten Energiefreisetzung in Flüssigkeiten für eine kurze Zeit vorliegt.

IV. Wechselwirkungen zwischen mehreren Kernen und die Vielfalt der dabei entstehenden Nuklide

Wie in [11][12][13] bereits aufgezeigt worden ist, kann es im LENR-Prozess zu einer großen Vielfalt von Nukliden kommen, sofern an den Wechselwirkungen mehrere Kerne zugleich beteiligt sind. In [13] wurde über eine Computerberechnung berichtet, mit der mögliche Varianten energieeffizienter Kerntransformationen aus zwei stabilen Nukliden in zwei andere stabile Nuklide berechnet wurden, und dies unter Einbeziehung von Elektronen und Neutrinos (bzw. Antineutrinos) sowie unter Befolgung der Erhaltungssätze für elektrische, baryonische und leptonische Ladungen. Betrachtet wurden dabei Umordnungen von Nukleonen unter Elektronenabsorption:

[math](A1,Z1) + (A2,Z2) + e^− + \tilde{\nu} \to (A3,Z3) + (A4,Z4) + Q[/math]
[math]A3 + A4 = A1 + A2[/math], [math]Z3 + Z4 = Z1 + Z2 - 1[/math],

beispielsweise

[math]^{60} Ni + \hspace{0.1em} ^{1} \hspace{-0.1em} H + e^- + \tilde{\nu} \to \, ^{4} He + \hspace{0.1em} ^{57} \hspace{-0.1em} Fe + 0,569 \, MeV[/math]

sowie Umordnungen von Nukleonen unter der Abgabe von Elektronen:

[math](A1,Z1) + (A2,Z2) + \nu \to (A3,Z3) + (A4,Z4) + e^- + Q[/math]
[math]A3 + A4 = A1 + A2[/math], [math]Z3 + Z4 = Z1 + Z2 + 1[/math],

beispielsweise

[math]^{61} Ni \, + \hspace{0.1em} ^{64} Ni + \nu \to \, ^{63} Cu \, + \hspace{0.1em} ^{62} Ni + e^- + 0,995 \, MeV[/math]

Dabei konnten 263 546 Varianten von Transformationen des ersten Typs und 433 536 Varianten des zweiten Typs gefunden werden. Die Anzahl der erkannten Möglichkeiten ist enorm. Doch dies sind bei weitem noch nicht alle Möglichkeiten. So können an Prozessen dieser Art mehr als zwei Kerne beteiligt sein und auch Prozesse mit mehreren Elektronen sind möglich.

Prozesse, die im Zusammenhang mit der schwachen Wechselwirkung der Kerne stehen, erweisen sich dann als höchst unwahrscheinlich, wenn die daran beteiligten Neutrinos (Antineutrinos) über eine Energie in der Größenordnung von 1 MeV und mehr verfügen. Derartige Neutrinos (Antineutrinos) entstammen den Betazerfallsprozessen oder werden von Beschleunigern produziert. Treten sie jedoch als Folge von thermischen Kollisionen auf, sieht die Situation schon wesentlich besser aus. Solche Neutrinos (Antineutrinos) besitzen eine kinetische Energie von nicht mehr als einigen Zehnteln eines eV. Im Gegensatz zu den „nuklearen“ Neutrinos weisen sie eine De-Broglie-Wellenlänge auf, deren Größe die der Abstände zwischen den Atomen deutlich übersteigt. Bei einer Masse von 0,28 eV und einer kinetischen Energie von 0,1 eV beträgt die De-Broglie-Wellenlänge etwa 5 Mikrometer. Das bedeutet, dass der Wechselwirkungsbereich eine ungeheure Anzahl von Atomen umfasst (in der Größenordnung von 1013 bei fester oder flüssiger Materie), was Transformationen möglich macht, die viele Atome und Kerne erfasst, wodurch sogar eher unwahrscheinliche Prozesse erkennbar werden[18][19].

V. Das Fehlen von harter Kernstrahlung

Bei dem eben beschriebenen Vorgang erfolgt die Umordnung der Nukleonen, ohne dass hierfür eine Energie zugeführt wird, die die Anregung von Kernniveaus verursachen und damit zur Emission von Gammastrahlen führen könnte. Dieser Mangel an zugeführter Energie führt dazu, dass von allen möglichen Umwandlungsvarianten stets diejenige zur Realisierung gelangt, bei der die stabilsten Nuklide entstehen, bei der weder Alpha- noch Beta-Radioaktivität erzeugt wird und bei der es nicht zur Emission von Neutronen kommt. Die freigesetzte Energie realisiert sich dabei als kinetische Energie der resultierenden Nuklide. Trotz der Tatsache, dass ihre Energie bis zu mehreren MeV betragen kann, führt ihre Abbremsung nicht zu harter Strahlung. Der Grund hierfür liegt darin, dass massereiche geladene Teilchen ihre Energie auch bei hohen Energiemengen vor allem über die Ionisation und die Anregung von Atomen des Mediums verlieren, in dem sie sich bewegen.[20] Gleichzeitig wird elektromagnetische Strahlung emittiert, allerdings eine „weiche“ mit einer Energie in Höhe von Quanten bis hin zu mehreren keV. Darüber hinaus führt bei den entstandenen Nukliden die Normalisierung ihrer deformierten Elektronenschalen zur Emission von „weichen“ Quanten.

VI. Schlussfolgerung

Die Neutrinos werden für praktisch kaum fassbar gehalten und nur im Rahmen äußerst aufwendiger Experimente in riesigen Anlagen gelingt ihr Nachweis. Dabei wird aber nicht berücksichtigt, dass sich die Eigenschaften der Neutrinos mit sehr niedriger Energie von denen der „nuklearen“ Neutrinos ebenso unterscheiden, wie sich beispielsweise das Licht von der Gammastrahlung oder auch das Heliumgas von den Alphateilchen unterscheiden. Und die Wechselwirkung einer großen Anzahl von Atomen führt dazu, dass auch die Wechselwirkung von Neutrinos mit der Materie signifikant zunimmt, sodass gleich ganze Gruppen mit zahlreichen Atomen zugleich an den Kerntransformationen beteiligt sind. Auf diese Weise lässt sich eine Reihe von Eigenschaften des LENR-Prozesses aufklären.

Literaturverzeichnis

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