Niedrigenergetische Kernreaktionen in kondensierter Materie

Aus dem „Report on Forward Looking Workshop on Materials for Emerging Energy Technologies“ (2012) des Directorate-General for Research and Innovation / Industrial Technologies Material Unit der Europäischen Kommission, Abschnitt „3.4 Low Energy Nuclear Reactions in Condensed Matter“

Das Studium des Fleischman & Pons-Effekts in der Entwicklung der Materialwissenschaft

Der Fleischmann- und Pons-Effekt (FPE) ist die Erzeugung großer Wärmemengen bei der elektrochemischen Beladung von Palladiumkathoden mit Deuterium, die nicht auf chemische Reaktionen zurückzuführen sind. Energiedichten, die während eines Energieüberschusses gemessen werden, sind zehn-, hundert- und sogar tausendmal größer als die maximale Energie, die mit einem bekannten chemischen Prozess verbunden ist. Nach heutigem Kenntnisstand kann die große Energiemenge nur einem nuklearen Prozess zugerechnet werden. Der Effekt findet mit Deuterium und nicht mit Wasserstoff statt; in diesem Fall handelt es sich bei dem angenommenen Mechanismus um eine Kernreaktion zwischen Deuteronen in das Palladiumgitter.

Das faszinierendste Merkmal des Phänomens ist das erhebliche Fehlen zu erwartender Kernemissionen, die einem Deuterium-Deuterium-Kernfusionsprozess zugeschrieben wird, der mit der übermäßigen Stromerzeugung verbunden ist. Eine mögliche Erklärung ist ein modifizierter Kernzerfallskanal für die D-D-Reaktion in die kondensierte Materie. ENEA, SRI und NRL waren an Überprüfungsprogrammen in den USA und in Italien beteiligt. Die Hauptaufgabe bestand darin, anhand von Signalen, die weit über den Messunsicherheiten liegen, und mit einer Gegenprüfung das Vorhandensein eines Übermaßes an Wärmeerzeugung während der elektrochemischen Belastung von Deuterium in Palladiumkathoden nachzuweisen. Das Ziel wurde erreicht und das Vorliegen des Effekts ist nicht mehr zu bezweifeln. Die vollständige Reproduzierbarkeit des Effekts und die Amplitude der Signale sind noch nicht unter Kontrolle, da für dieses Ziel die Definition des Phänomens erforderlich sein wird. Neuere Daten in der zugänglichen Literatur zeigen, dass in der kondensierten Materie (d. H. Pd, Ti, PdO) der Wirkungsquerschnitt der Deuterium-Fusionsreaktion bei niedriger Energie einige Größenordnungen höher ist als der erwartete Wert. In diesem Fall werden die typischen Reaktionsprodukte beobachtet, es wird jedoch eine neue Schirmwirkung in der Größenordnung von mehreren hundert eV beobachtet.

Um die Vielfalt der Phänomene zu berücksichtigen, kann die untersuchte Disziplin nun als Niedrigenergetische Kernreaktion in kondensierter Materie (LENR) und kondensierte Materie (CMNS) definiert werden.

Die Rolle der Materialforschung in aufstrebenden Energietechnologien

Die experimentellen Beweise haben gezeigt, dass die Materialwissenschaft für die Entwicklung einer solchen Energietechnologie von entscheidender Bedeutung ist. Eine bessere Kontrolle des Effekts wurde durch einen materialwissenschaftlichen Ansatz erreicht. Das Materialdesign führte, wenn auch auf einer vorläufigen Ebene, zu einer verbesserten Kontrolle bei der Reproduktion der Phänomene. Der Status des Materials, der die Wahrscheinlichkeit erhöht, den Effekt zu beobachten, kann in drei Punkten zusammengefasst werden:

• Der Überschuss an Energieerzeugung ist ein Effekt, der durch den Schwellwert der D-Konzentration bewirkt wird. Aus diesem Grund wurde eine geeignete Metallurgie identifiziert, um den Deuterium-Massentransfer und die Löslichkeit in das Pd-Gitter zu verbessern und das atomare Schwellwertverhältnis D / Pd → 0,9 zu erreichen.
• Die Kristallorientierung (100) auf der Oberfläche der Palladium-Kathoden korrelierte auch mit dem Auftreten des Effekts.
• Die richtige Morphologie, die durch die Verteilung der Oberflächenrauheit definiert wird, korreliert auch mit der Wahrscheinlichkeit, den Effekt zu erzielen.

Abbildung 3.4.1
500 mW Energieüberschuss, die von einem entwickelten Material ausgeht

Diese Merkmale wurden als notwendige Bedingungen zur Beobachtung des Phänomens identifiziert. Der Nachweis, dass identische Beobachtungen eines Überschusses an Energie von verschiedenen Instituten unter Verwendung der Palladiumkathoden (die zu derselben Materialcharge gehören) durchgeführt wurden, erhöhte die Aufmerksamkeit für einen solchen Ansatz. Die Materialwissenschaft ist der Schlüssel zum Verständnis, da einige Materialeigenschaften einige Prozesse unterstützen und andere nicht. Die Hauptvorteile der LENR-Technologie sind:

• Die Energiequelle ist unbegrenzt und überall verfügbar.
• Hohe Leistungsdichte.
• Keine Auswirkungen auf die Umwelt.

Abbildung 3.4.2
Oberflächenmorphologie einer entwickelten Probe

Abbildung 3.4.1 zeigt einen Leistungsüberschuss von 500 mW, der von einem entwickelten Material erzeugt wird. Das Diagramm der Temperaturentwicklung zeigt einen Anstieg der Elektrolyttemperatur, der mit dem Auftreten des vom Kalorimeter festgestellten Wärmeüberschusses korreliert. Die Verzögerung zwischen dem Überschuss an Energieabgabe und dem Anstieg der Elektrolyttemperatur ist auf die Zeitkonstante des Kalorimeters zurückzuführen.

Abbildung 3.4.2 zeigt die Oberflächenmorphologie nach dem Ätzen einer entwickelten Probe (meist 100 orientiert).

Technische und nichttechnische Anforderungen und Engpässe

Technische Anforderungen

• ENEA und NRL haben einige Bedingungen ermittelt, die den Status des Materials kennzeichnen, der zur Erhöhung der Wahrscheinlichkeit der Beobachtung des Effekts erforderlich ist. Weitere materialwissenschaftliche Untersuchungen zur Struktur und Nanostruktur der Materialien sollten durchgeführt werden, um sowohl den Mechanismus als auch den Auslöser zu definieren.
• Die Materialcharakterisierung vor, während und nach dem Auftreten des Effekts ist entscheidend, um die vollständige Kontrolle des Phänomens durch sein Verständnis zu erreichen. Die Definition des Phänomens wird das Forschungsfeld für andere Metalle oder für speziell entwickelte Materialien öffnen.
• Eine ordnungsgemäße Diagnose und ein systematischer Ansatz sind erforderlich, um zu untersuchen, wie der Status des Materials sowohl den Stoffübergang in das Gitter als auch die elektrochemische Grenzfläche verändert.
• Röntgenbeugung, REM-, TEM- und AFM-Mikroskopie, XPS und Massenspektrometrie sind zur Untersuchung und Charakterisierung der Proben geeignet. Die elektrochemische Spektroskopie ist stattdessen geeignet, den Status der elektrochemischen Grenzfläche „in situ“ zu identifizieren, der sowohl mit dem Material als auch mit den Oberflächenmerkmalen korreliert werden soll, die den Effekt erzeugen können.
• Der Effekt findet nur mit D in Pd statt, daher muss eine Suche nach Verbrennungsrückständen (hauptsächlich He und Tritium) als weitere Aufgabe in das Forschungsprogramm aufgenommen werden, um den Effekt zu definieren.

Nichttechnische Anforderungen

Die Forschung ist derzeit aus wirtschaftlichen und technischen Gründen, insbesondere in Europa, begrenzt. Die Finanzierung der Forschung sollte zum Ziel haben, eine kritische Masse auf multidisziplinärer Ebene zu erreichen. Es gibt nur wenige akademische Einrichtungen, die auf diesem Forschungsgebiet tätig sind, und eine zunehmende Anzahl dieser Einrichtungen muss zusammen mit einem Netzwerk, insbesondere in Europa, einbezogen werden.

Chancen, Synergien und gemeinsame Themen

Die Forschung ist multidisziplinär und beinhaltet bemerkenswerte Synergien und Komplementaritäten mit anderen Energietechnologien.

Die Studie zur elektrodischen Kinetik poröser oder strukturierter katalytischer Materialien ist neben anderen elektrochemischen Prozessen von allgemeinem Interesse für Anwendungen auf dem Gebiet der Brennstoffzellen.

Die Kontrolle des Stofftransfers und der Löslichkeit von Wasserstoffisotopen in Metallhydriden hat auch einen außergewöhnlichen Zusammenhang zur Wasserstoffspeicherung und zu den auf Palladium basierenden Membrantrennungstechnologien.

Darüber hinaus sollte berücksichtigt werden, dass eine solche Technologie in der Perspektive eine Wärmequelle bei etwa 100 °C ergeben kann, und dies eröffnet eine mögliche Verbindung zu anderen aufkommenden Energietechnologien wie den thermoelektrischen Materialien und der Thermoakustik zusammen mit den piezoelektrischen Materialien.

Häufige Themen sind Katalyse, Elektrokatalyse, nanostrukturierte, nanophotonische und Sinterwerkstoffe.

Modellierung und Simulation, die hauptsächlich auf der Bestimmung der ersten Gesetzmäßigkeiten basieren, spielen eine sehr große Rolle, da es wichtig ist, einen theoretischen Rahmen zu entwickeln, der den Effekt erklärt.

Empfehlungen an die Kommission

• Nehmen Sie LENR in die RP7-Forderungen als Materialforschung auf, da es unbegrenztes und nachhaltiges Potenzial für die zukünftige Energietechnologie hat.
• Unterstützen Sie das Studium der Materialwissenschaften als strategischen Ansatz, um die Kontrolle über die Technologie zu erlangen.
• Unterstützung von Workshops, Meetings, Austauschbesuchen in Europa sowie zwischen europäischen und US-amerikanischen Forschungseinrichtungen.
• Konzentrieren Sie sich auf die grundlegenden Forschungsaspekte aufgrund der Synergie mit anderen Disziplinen.