Kalte Fusion

Kalte Fusion bezeichnet Verfahren, die eine kontrollierte Kernfusion herbeiführen, ohne die hohen Temperaturen von plasmabasierten Fusionsreaktoren einzusetzen. Dabei besteht die Aussicht, durch die bei der Fusion freiwerdende Energie eine praktisch unerschöpfliche Energiequelle zu erschließen. Bisher war jedoch keines der vorgeschlagenen Verfahren in der Lage, den Prozess herbeizuführen. Populär geworden ist der zunächst als Erfolg berichtete Versuch von Pons und Fleischmann aus dem Jahre 1989, der sich jedoch nicht reproduzieren ließ.

Varianten

Bereits seit 60 Jahren wird an Verfahren der Kalten Fusion gearbeitet. Im Laufe der Zeit wurde eine Reihe von Varianten vorgeschlagen und experimentell erprobt:

Myonen-katalysierte Fusion

Der Begriff „kalte Fusion“ wurde 1948 von Andrei Sacharow für einen Vorschlag geprägt, die Kernfusion durch die Verwendung von Myonen zu erleichtern. Dabei wird das Elektron eines Tritium-Atoms durch ein Myon ersetzt. Aufgrund der drastisch geringeren Orbitalgröße kann das Tritiumatom damit nahe genug an ein Deuteriumatom gelangen, um mit ihm zu fusionieren. Das Myon wird anschließend wieder freigesetzt und kann weitere Fusionen einleiten. Es arbeitet daher ähnlich wie ein chemischer Katalysator.

Die kurze Lebensdauer des Myons von etwa 2,2 µs begrenzt die Zahl der von einem Myon katalysierten Fusionsreaktionen. Danach zerfällt das Myon wieder $\mu ^{-}\rightarrow e^{-}+{\overline {\nu _{e}}}+\nu _{\mu }$

Für die Herstellung der Myonen in Teilchenbeschleunigern werden über 3 GeV pro Myon benötigt. Das entstandene Myon muss für die Fusion zunächst abgebremst werden. Dies geschieht durch Stöße mit den Molekülen, wobei myonisches Deuterium beziehungsweise Tritium entsteht. Der gesamte Zyklus geschieht in einer Zeitskala von etwa $10^{-9}s$. Jedes Myon könnte also in seiner Lebensdauer mehr als 2000 Fusionsreaktionen katalysieren, und Energiegewinn wäre somit möglich. Jedoch lässt sich der Fusionsprozess durch zwei Prozesse beschreiben:

$D\mu T\rightarrow _{2}^{4}He+n+\mu +17{,}6MeV(99{,}4\%)$

$D\mu T\rightarrow _{2}^{4}He\mu +n+17{,}6MeV(0{,}6\%)$

Bei der zweiten Reaktion bleibt das Myon am Helium haften (sticking). Es kann somit keine weiteren Fusionsreaktionen mehr katalysieren. Trotz der geringen Wahrscheinlichkeit von nur 0,6 % ist dies jedoch der Grund, dass die Kalte Fusion nicht zur Energiegewinnung geeignet ist. Denn die Wahrscheinlichkeit, dass ein Myon nach N Fusionen noch zur Verfügung steht, liegt bei $(1-0{,}006)^{N}\approx 1-0{,}006N$ und damit nur für $N={\frac {1}{0{,}006}}\approx 167$ Fusionen. Nach dieser Zahl von Fusionen sind von den vorher aufgewendeten mehr als 3 GeV erst 2,9 GeV wieder gewonnen, insgesamt wird also mehr Energie verbraucht als erzeugt. Daher besteht, entgegen der Hoffnung von A. Sacharow, keine Aussicht, auf dieser Basis einen Fusionsreaktor zur Energieerzeugung zu bauen.

Die fiktive technische Anwendung der myonen-katalysierten Fusion beschreibt Arthur C. Clarke in seinem Roman 2061 - Odyssee III.

Elektrochemische Fusion in Palladium

Heute werden unter dem Begriff Kalte Fusion (englisch cold fusion) meist das 1989 von den Chemikern Stanley Pons und Martin Fleischmann vorgestellte Experiment und verwandte Methoden verstanden.

Bei diesem Experiment soll die Verschmelzung von Wasserstoff (in den Isotopen Protium, Deuterium oder Tritium) während der Elektrolyse eines Elektrolyten an der Oberfläche einer von zwei Palladium-Elektroden stattfinden. Der Ansatz beruht darauf, dass Wasserstoff in das Metallgitter des Palladiums diffundiert. Die Elektronen des Wasserstoffs werden durch die Umgebung des Metalls delokalisiert, also in einem größeren Raumbereich um das ursprüngliche Atom verteilt. Die rückstoßende Wirkung der äußeren Elektronenhülle, welche die erste Barriere für die Fusion bildet, entfällt hierdurch. Befinden sich zwei Wasserstoffatome im selben Zwischenraum des Metallgitters, so ist ihr Abstand zueinander für eine vergleichsweise lange Zeit deutlich geringer als im freien Gas oder im heißen Plasma. Diese Umstände können die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass die Kerne die abstoßende Wirkung der Kernpotentiale überwinden und unter Freisetzung von Energie verschmelzen.

Durch die elektrochemische Wasserstofferzeugung (Elektrolyse) ist es tatsächlich möglich, bei Anlegen einer geeigneten Zellenspannung einen sehr hohen Wasserstoffpartialdruck an der Elektrodenoberfläche zu erzeugen. Dieser Partialdruck kann auf der Elektrolytseite in Form von Blasen entweichen. Auf der Elektrodenseite wird nun – gemäß der Idee des Experiments – ein so hoher Partialdruck aufgebaut, dass durch Diffusionsprozesse die Wasserstoffkonzentration im Metall erhöht und dadurch die Kernfusion möglich wird.

Im März 1989 berichteten Pons und Fleischmann im Rahmen einer Pressekonferenz von Experimenten, bei denen kalte Fusion beobachtet worden sei. Die Berichte wurden als sensationelle Entdeckung aufgenommen. Denn danach wäre auf einfache Weise Energie aus Wasser zu gewinnen. Die amerikanische Regierung setzte eine Kommission des Departments of Energy (DOE) ein, die die möglichen Auswirkungen auf die nationale Energieversorgung untersuchen sollte.

Versuche anderer Labore, die Ergebnisse zu bestätigen, scheiterten jedoch. Selbst der Nachweis des Effektes durch um Größenordnungen empfindlichere Messmittel war nicht erfolgreich. Auch Fleischmann und Pons waren nicht in der Lage, die Versuche erfolgreich zu wiederholen.

Daher kamen die wissenschaftliche Gemeinschaft und die Kommission des DOE zum Schluss, dass die Versuche oder ihre Auswertung nicht nach den Regeln wissenschaftlicher Arbeit durchgeführt worden waren („fraudulent research“).

Feldionisation-beschleunigte Deuterium-Ionen

Mit einem Versuchsaufbau „auf dem Labortisch“ ist im April 2005 die Fusion von ionisiertem und auf etwa 100 keV beschleunigtem Deuterium gelungen. Dabei wurde das Deuterium durch den Gradienten des elektrischen Feldes an einer Wolframspitze ionisiert und gleichzeitig beschleunigt. Die Erwärmung eines pyroelektrischen Kristalls erzeugte dabei die notwendige Spannung. Der erzeugte Neutronenfluss lag bei dem 400fachen der natürlichen Neutronenstrahlung. Als Quelle der Neutronen vermuten die Experimentatoren die Fusion zweier Deuterium-Kerne zu Helium, wobei ein Neutron frei wird:

D + D → ³He (820 keV) + n (2,45 MeV)

Wegen der prinzipbedingt auf geringe Teilchenströme begrenzten Leistung besteht keine Aussicht, auf diese Weise im großen Maßstab Energie zu gewinnen. Als Neutronenquelle, etwa für Analysezwecke, ist der Aufbau gleichwohl geeignet.

Bläschenfusion

Der US-Wissenschaftler Rusi P. Taleyarkhan vom Oak Ridge National Laboratory berichtete in einer am 8. März 2001 erschienenen Ausgabe des Magazins Science über die Möglichkeit, mit Hilfe von durch Schallwellen ausgelöster Kavitation eine kontrollierte Fusion herbeizuführen. Bei dieser Bläschenfusion entstehen hohe Temperaturen, Drücke, Strahlungs- und Neutronendichten, die eine Kernfusion prinzipiell ermöglichen. Genaugenommen handelt es sich daher nicht um Kalte Fusion, jedoch wird das Verfahren auch unter diesem Begriff diskutiert, da es bei ähnlich einfachen Bedingungen wie die vorigen Varianten realisierbar ist. Taleyarkhan Vorgehensweise konnte allerdings bislang nirgends reproduziert werden, weshalb im März 2007 vom US-Repräsentantenhaus eine Untersuchungskommission zur Klärung des Vorwurfs wissenschaftlichen Fehlverhaltens gebildet wurde.

Status

Die Forschung an Verfahren der Kalten Fusion läuft aktuell weiter. Die energiepolitisch sehr interessante Frage, ob daraus auf mittlere Sicht eine weitere Alternative zu den bisher bekannten Energiequellen entstehen kann, wird jedoch weiterhin kritisch gesehen.

Im Jahre 2004 hat das US-Energieministerium 18 renommierte Wissenschaftler zu einer Konferenz (en:2004 DoE panel on cold fusion) geladen, um diese Frage zu erörtern. Im Ergebnis waren die Teilnehmer über die Frage „Is there compelling evidence for power that cannot be attributed to ordinary chemical or solid states sources?“ zu gleichen Teilen gespalten. Einvernehmlich wurde aber vorgeschlagen, die Eigenschaften von „deuterated metals“ und der von ihnen ausgestoßenen Teilchen unter Einsatz modernerer Verfahren und Instrumente weiter zu untersuchen.

Literatur

• M. Fleischmann, S. Pons, M. Hawkins: Electrochemically induced nuclear fusion of deuterium, J. Electroanal. Chem., 1989, Vol. 261, p. 301 (Errata in Vol. 263): 1. Veröffentlichung zur Energieproduktion bei Elektrolyse
• John R. Huizenga, „Cold Fusion: The Scientific Fiasco of the Century“, Oxford University Press, ISBN 0198558171

Deutsch: „Kalte Fusion: Das Wunder, das nie stattfand“ Vieweg, ISBN 3528066148

• H. Dittmar-Ilgen: Neues zur Sonolumineszenz und Pyrofusion; Naturwissenschaftliche Rundschau 9/2006, S. 484
• P. L. Hagelstein und S. R. Chubb (Hrsg.): Condensed Matter Nuclear Science: Proceedings of The 10th International Conference On Cold Fusion, World Scientific Publishing Company, Singapur, 2006, ISBN-10: 9812565647, ISBN-13: 978-9812565648
• J. P. Biberian (Hrsg.): Condensed Matter Nuclear Science: Proceedings of The 11th International Conference On Cold Fusion, World Scientific Publishing Company, Singapur, 2006, ISBN-10: 9812566406, ISBN-13: 978-9812566409
• A. Takahashi, K. I. Ota und Y. Iwamura (Hrsg.): Condensed Matter Nuclear Science: Proceedings of The 12th International Conference On Cold Fusion, World Scientific Publishing Company, Singapur, 2006, ISBN-10: 9812569014, ISBN-13: 978-981-256-901-1
• Program and Abstracts of Condensed Matter Nuclear Science: Proceedings of The 13th International Conference On Cold Fusion

Andere Bedeutungen

ColdFusion ist auch eine Technologie zur Erstellung von Web-Applikationen.

Weblinks

• LENR-CANR Low Energy Nuclear Reactions - Chemically Assisted Nuclear Reactions, Informationen und Links zur KF-Forschung (überwiegend pro-KF) und Online-Datenbank mit über 500 Volltext-Aufsätzen aus der begutachteten wissenschaftlichen Literatur und Konferenzbänden
• Kalte Fusion: Diskussion der Experimente von Steven Jones und Mitarbeitern (Neutronen-Emissionen, Frakto-Fusion)
• Fusion durch Feldionisation (Pyroelektrische Fusion), pro-physik.de
• „Sonnenfeuer im Wasserglas. Die umstrittene kalte Fusion bekommt eine zweite Chance“, Deutschlandradio, 5. Juni 2005
• „Die Kernfusion, die keine ist“, Telepolis, 2. April 2007