211service.com
Warmt koude fusie op?
Vijftien jaar nadat de eerste controversiële claims de krantenkoppen haalden, weigert koude kernfusie te sterven. Een klein aantal die-hard voorstanders stelt dat experimenten nu consistente resultaten opleveren. Het natuurkundig establishment blijft spotten, maar sommige wetenschappers die het veld nauwlettend in de gaten hebben gehouden, zijn ervan overtuigd dat er iets echts aan de hand is. En nu heeft het Amerikaanse ministerie van Energie besloten dat recente resultaten een frisse kijk op koude kernfusie rechtvaardigen.
Fusie van de kernen van waterstofatomen drijft de zon aan en belooft bijna onbeperkte energie op aarde. Maar fusie is buitengewoon moeilijk te temmen omdat kernen elkaar sterk afstoten. De enorme hitte en druk in de zon kan deze afstoting overweldigen, en thermonucleaire bommen kunnen die omstandigheden op aarde vluchtig bereiken. Maar het bouwen van een fusiereactor die die enorme warmte kan omzetten in bruikbare energie, vormde een enorme uitdaging. Na tientallen jaren van onderzoek kunnen de voorwaarden die nodig zijn voor fusie nog steeds slechts kort worden bereikt, en deze experimentele fusiereacties produceren minder energie dan nodig is om ze te ontsteken.
Natuurkundigen waren stomverbaasd toen twee elektrochemici van de Universiteit van Utah, Stanley Pons en Martin Fleischmann, in 1989 beweerden dat ze kernfusie hadden bereikt bij kamertemperatuur. Hun experiment verpakte deuterium - de stabiele zware isotoop van waterstof - in palladiumelektroden. Na vele bedrijfsuren meldden ze dat er meer warmte werd gegenereerd dan een puur chemische reactie had kunnen produceren. In eerste instantie leek het erop dat Pons en Fleischman een revolutionair gemakkelijke manier hadden bedacht om fusie-energie aan te boren, en laboratoria over de hele wereld haastten zich om het experiment zelf uit te proberen. Het eenvoudig ogende experiment bleek echter vrijwel onmogelijk te reproduceren en binnen enkele weken schreven de meeste natuurkundigen koude kernfusie af als een fout - een experimenteel resultaat dat in tegenspraak was met de bekende natuurwetten.
Maar het potentieel van grenzeloze energie lokte een groep potentiële revolutionairen die aan het probleem bleven werken. Vaak vonden ze niets. Soms leken hun experimenten echter meer energie te produceren dan ze van chemische reacties verwachtten; op andere momenten ontdekten ze sporen van potentiële fusiereactieproducten, wat suggereert dat er mogelijk voorheen onbekende fysieke effecten aan het werk zijn.
Het bewijs voor nieuwe fysica stapelt zich al jaren op, zegt Peter Hagelstein, universitair hoofddocent elektrotechniek en computerwetenschappen aan het MIT, die afgelopen augustus de tiende Internationale Conferentie over Koude Fusie in Cambridge voorzat. Experimenten uitgevoerd onder goed gecontroleerde omstandigheden produceren op betrouwbare wijze meer warmte dan de standaardtheorie voorspelt. Nucleaire producten verschijnen in ongeveer de juiste hoeveelheden om deze overtollige warmte te verklaren. Er zijn patronen ontstaan die eerdere anomalieën verklaren. Toen Hagelstein tijdens de vergadering van augustus zag hoe de puzzelstukjes in elkaar pasten, drong hij er bij het ministerie van Energie op aan om een terrein dat kort na het ontstaan ervan uit de orthodoxe wetenschap was verbannen, te heroverwegen.
In de afgelopen 15 jaar hebben enthousiastelingen zo'n 3.000 manuscripten over koude kernfusie gegenereerd, maar er zijn er maar heel weinig gepubliceerd in wetenschappelijke tijdschriften. Veel resultaten verdampten bij extern onderzoek, en promotors drongen aan op gratis energieschema's die meer klonken als eeuwigdurende beweging dan als natuurkunde. De meeste van die manuscripten zijn niet nuttig, zegt Hagelstein, een theoreticus met een brede interesse in optica, energie en kernfysica. Maar zo'n 50 laten wel interessante, reproduceerbare effecten zien. Het warmte-effect is al vele malen nagebootst, Hagelstein. Het werkt alleen wanneer deuterium in palladiumcellen wordt geladen en nooit wanneer normale waterstof wordt gebruikt in plaats van de zware isotoop. Exacte metingen met warmtemeetinstrumenten hebben kritiek op de oorspronkelijke experimenten beantwoord. Overmatige warmte is gemeten buiten wat Hagelstein als enige redelijke twijfel beschouwt.
Experimenten die overtollige warmte produceren, hebben ook helium-4 opgeleverd, een mogelijk product van de fusie van twee deuteriumkernen, in hoeveelheden die correleren met de overtollige warmte. De theorie voorspelt dat de fusiereactie 24 miljoen elektronvolt (MeV) energie per helium-4-kern zou moeten genereren. Een analyse door Michael McKubre van SRI International ontdekte een energie van 31 MeV - een match binnen de experimentele onzekerheid van plus of min 13 MeV. Sceptici betwijfelden of de reactie mogelijk was, maar Hagelstein zegt dat McKubre's analyse van de experimenten, die vorig jaar tijdens de koude kernfusiebijeenkomst werd gerapporteerd, aantoont dat de fusie van twee deuteriums om helium-4 op te leveren niet zo nootachtig is als het aanvankelijk leek.
McKubre heeft ook ontdekt dat de schijnbare inconsistentie in de experimentele warmteproductie voortkwam uit verschillen in de hoeveelheid deuterium die in de palladiumelektrode was verpakt. Telkens wanneer het aantal deuteriumatomen dat in het metaal werd geladen overeenkwam met of groter was dan het aantal palladiumatomen, werd overtollige warmte gegenereerd. Palladium beladen met iets minder deuterium leverde inconsistente resultaten op, en als het deuteriumgehalte met een grote hoeveelheid werd verlaagd, werd er helemaal geen overtollige warmte geproduceerd. Het laden van deuterium was moeilijk te controleren en beperkt door de sterkte van het metaal. Helaas is de palladiumsterkte moeilijk te voorspellen of te beheersen en wordt deze niet verbeterd door zuivering; inderdaad, het zuiverste palladium brak bij lagere belastingen, en de hoogste sterkte werd slechts in één onzuivere batch waargenomen.
Het groeiende bewijs heeft fusiefysicus George Miley van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign ervan overtuigd dat er belangrijke fysieke verschijnselen plaatsvinden. Sceptici veranderen niet van gedachten, maar hij denkt dat voorheen neutrale waarnemers ontvankelijker worden voor de mogelijkheid dat zich in deze experimenten een echt fenomeen voordoet. Maar terwijl koude fusie-onderzoekers zijn gegaan van het denken dat ze rook ruiken naar het voelen van warmte, is het nog steeds niet duidelijk wat er werkelijk aan de hand is. Dit veld wordt experimenteel geleid. We moeten de theorieën zover krijgen dat ze de experimenten gaan leiden, zegt Miley.
De uitdaging voor theoretici als Hagelstein is om de gapende kloof tussen traditionele kerntheorie en koude kernfusie-experimenten te dichten. Hij vermoedt dat de moeilijkheid ligt in een zeer krachtige benadering die ten grondslag ligt aan 70 jaar kernfysica - dat alle nucleaire interacties plaatsvinden tussen twee deeltjes in een vacuüm. Hij denkt dat die veronderstelling uiteenvalt bij koude fusie, waarbij de op elkaar inwerkende deeltjes stevig opeengepakt zijn in een metalen rooster. Zijn idee is dat de deuteriumkernen trillingsenergie, of fononen, uitwisselen met de omringende palladiumatomen. Die uitwisseling zou nucleaire interacties kunnen versterken die anders verdwijnend klein zouden zijn, zodat de reacties kunnen plaatsvinden met de snelheden die worden geïmpliceerd door experimenten met koude fusie. De theorie van Hagelstein is nog in ontwikkeling, maar bereikt een punt waarop hij toetsbare voorspellingen kan gaan doen - een essentiële stap om koude kernfusie tot een geloofwaardige wetenschap te maken. Na verloop van tijd zullen we hopelijk meer van de puzzel doorgronden, zegt hij.
Een positieve review van het Department of Energy zou de deur openen naar broodnodige onderzoeksondersteuning, maar er blijven grote vragen, zelfs als de realiteit van de fysica kan worden vastgesteld. Is het koude fusie-effect sterk genoeg om te worden gebruikt voor praktische energieproductie? Als dat zo is, zal het waarschijnlijk niet direct concurreren met hete fusie, zegt Miley, die aan beide werkt. Koude kernfusie werkt op kleine schaal, dus het kan een thuis vinden in kleine gedistribueerde stroomeenheden. Het natuurlijke huis van Hot fusion bevindt zich in de zon; als het op onze planeet kan worden gecontroleerd, zou het in grote reactoren zijn die stroom aan het net leveren.
Maar die doelen zijn nog ver weg. Voorlopig hoopt de kleine gemeenschap van koude-fusieonderzoekers dat ze na 15 jaar strijd op de drempel van validatie staat.