Czy Cold Fusion nagrzewa się?

Piętnaście lat po tym, jak pierwsze kontrowersyjne twierdzenia trafiły na pierwsze strony gazet, zimna fuzja nie chce umrzeć. Niewielka kadra zagorzałych zwolenników argumentuje, że eksperymenty dają teraz spójne wyniki. Fizycy nadal szydzą, ale niektórzy naukowcy, którzy uważnie obserwowali to pole, są przekonani, że dzieje się coś prawdziwego. A teraz Departament Energii USA zdecydował, że ostatnie wyniki uzasadniają świeże spojrzenie na zimną fuzję.

Fuzja jąder atomów wodoru zasila Słońce i obiecuje prawie nieograniczoną energię na Ziemi. Ale fuzja jest niezwykle trudna do okiełznania, ponieważ jądra silnie się odpychają. Ogromne ciepło i ciśnienie wewnątrz Słońca mogą przytłoczyć to odpychanie, a bomby termojądrowe mogą przelotnie osiągnąć te warunki na Ziemi. Jednak zbudowanie reaktora termojądrowego, który może przekształcić to ogromne ciepło w użyteczną energię, stanowi ogromne wyzwanie. Po dziesięcioleciach badań warunki potrzebne do fuzji wciąż można osiągnąć tylko na krótko, a te eksperymentalne reakcje fuzji wytwarzają mniej energii niż jest to potrzebne do ich zapłonu.

Fizycy byli zszokowani, gdy dwóch elektrochemików z University of Utah, Stanley Pons i Martin Fleischmann, stwierdzili w 1989 r., że osiągnęli fuzję jądrową w temperaturze pokojowej. W ich eksperymencie umieszczono deuter – stabilny ciężki izotop wodoru – w elektrody palladowe. Po wielu godzinach pracy poinformowali, że wytworzyło się więcej ciepła, niż mogłaby wytworzyć czysto chemiczna reakcja. Na początku wyglądało na to, że Pons i Fleischman mogli wymyślić rewolucyjnie łatwy sposób na wykorzystanie energii termojądrowej, a laboratoria na całym świecie pospieszyły, by samemu przeprowadzić eksperyment. Prosto wyglądający eksperyment okazał się jednak praktycznie niemożliwy do odtworzenia iw ciągu kilku tygodni większość fizyków uznała zimną fuzję za pomyłkę – wynik eksperymentalny, który był sprzeczny ze znanymi prawami fizyki.

Jednak potencjał nieograniczonej energii zwabił grupę niedoszłych rewolucjonistów, którzy nadal pracowali nad tym problemem. Często nic nie znaleźli. Czasami jednak ich eksperymenty wydawały się wytwarzać więcej energii, niż oczekiwali z reakcji chemicznych; innym razem wykryli ślady potencjalnych produktów reakcji fuzji, co sugeruje, że mogą działać pewne wcześniej nieznane efekty fizyczne.

Dowody na nową fizykę gromadzą się od lat, mówi Peter Hagelstein, profesor nadzwyczajny elektrotechniki i informatyki na MIT, który przewodniczył dziesiątej Międzynarodowej Konferencji na temat Cold Fusion w Cambridge w sierpniu zeszłego roku. Eksperymenty przeprowadzone w odpowiednio kontrolowanych warunkach niezawodnie wytwarzają więcej ciepła niż przewiduje standardowa teoria. Produkty jądrowe pojawiają się w odpowiednich ilościach, aby uwzględnić ten nadmiar ciepła. Pojawiły się wzorce, które wyjaśniają poprzednie anomalie. Kiedy Hagelstein zobaczył, jak elementy układanki pasują do siebie na sierpniowym spotkaniu, wezwał Departament Energii do ponownego rozważenia dziedziny, która została wyrzucona z ortodoksyjnej nauki wkrótce po jej narodzinach.

W ciągu ostatnich 15 lat entuzjaści stworzyli około 3000 rękopisów na temat zimnej fuzji, ale bardzo niewiele zostało opublikowanych w czasopismach naukowych. Wiele wyników wyparowało pod wpływem zewnętrznych badań, a promotorzy forsowali schematy darmowej energii, które brzmiały bardziej jak ciągły ruch niż fizyka. Większość z tych rękopisów nie jest pomocna, mówi Hagelstein, teoretyk o szerokich zainteresowaniach w dziedzinie optyki, energii i fizyki jądrowej. Ale około 50 pokazuje interesujące, powtarzalne efekty. Efekt ciepła był wielokrotnie powtarzany, Hagelstein. Działa tylko wtedy, gdy deuter jest ładowany do komórek palladu i nigdy, gdy zamiast ciężkiego izotopu używany jest normalny wodór. Dokładne pomiary przyrządami do pomiaru ciepła odpowiedziały na krytykę oryginalnych eksperymentów. Nadmiar ciepła został zmierzony poza to, co Hagelstein uważa za jakiekolwiek uzasadnione wątpliwości.

Eksperymenty, które wytwarzają nadmiar ciepła, również dały hel-4, jeden potencjalny produkt fuzji dwóch jąder deuteru, w ilościach skorelowanych z nadmiarem ciepła. Teoria przewiduje, że reakcja syntezy jądrowej powinna generować 24 miliony elektronowoltów (MeV) energii na jądro helu-4. Analiza przeprowadzona przez Michaela McKubre z SRI International wykryła energię 31 MeV, co odpowiada eksperymentalnej niepewności plus lub minus 13 MeV. Sceptycy wątpili, że reakcja była możliwa, ale Hagelstein mówi, że analiza eksperymentów przeprowadzona przez McKubre'a, ogłoszona na zeszłorocznym spotkaniu dotyczącym zimnej fuzji, pokazuje, że fuzja dwóch deuterów w celu uzyskania helu-4 nie jest tak orzechowa, jak początkowo się wydawało.

McKubre odkrył również, że pozorna niespójność w eksperymentalnej produkcji ciepła wynika z różnic w ilości deuteru upakowanego w elektrodzie palladowej. Za każdym razem, gdy liczba atomów deuteru załadowanych do metalu odpowiadała lub przekraczała liczbę atomów palladu, generowany był nadmiar ciepła. Pallad obciążony nieco mniejszą ilością deuteru dawał niespójne wyniki, a jeśli poziom deuteru został znacznie obniżony, to w ogóle nie powstawał nadmiar ciepła. Ładowanie deuteru było trudne do kontrolowania i ograniczone wytrzymałością metalu. Niestety, siła palladu jest trudna do przewidzenia lub kontrolowania i nie jest poprawiana przez oczyszczenie; w rzeczywistości najczystszy pallad pękał przy niższych obciążeniach, a najwyższą wytrzymałość zaobserwowano tylko w jednej zanieczyszczonej partii.

Coraz więcej dowodów przekonało fizyka syntezy jądrowej George'a Mileya z Uniwersytetu Illinois w Urbana-Champaign, że zachodzą ważne zjawiska fizyczne. Sceptycy nie zmieniają zdania, ale uważa, że ​​wcześniej neutralni obserwatorzy stają się bardziej otwarci na możliwość, że w tych eksperymentach zachodzi prawdziwe zjawisko. Jednak podczas gdy badacze zimnej fuzji przeszli od myślenia, że ​​czują dym do odczuwania ciepła, nadal nie jest jasne, co się naprawdę dzieje. Pole to prowadzone jest eksperymentalnie. Musimy doprowadzić teorie do miejsca, w którym zaczną pomagać w prowadzeniu eksperymentów, mówi Miley.

Wyzwaniem dla teoretyków takich jak Hagelstein jest wypełnienie luki między tradycyjną teorią jądrową a eksperymentami zimnej fuzji. Podejrzewa, że ​​trudność tkwi w bardzo silnym przybliżeniu u podstaw 70 lat fizyki jądrowej – że wszystkie oddziaływania jądrowe zachodzą między dwiema cząsteczkami w próżni. Uważa, że ​​założenie załamuje się w zimnej fuzji, w której oddziałujące cząstki są ciasno upakowane w metalowej sieci. Jego pomysł polega na tym, że jądra deuteru wymieniają energię wibracyjną, czyli fonony, z otaczającymi atomami palladu. Ta wymiana mogłaby wzmocnić interakcje jądrowe, które w innym przypadku byłyby znikomo małe, tak że reakcje mogą zachodzić z szybkością sugerowaną przez eksperymenty z zimną fuzją. Teoria Hagelsteina jest wciąż w fazie rozwoju, ale zbliża się do punktu, w którym może zacząć tworzyć sprawdzalne prognozy – co jest ważnym krokiem w kierunku uczynienia z zimnej fuzji wiarygodnej nauki. Miejmy nadzieję, że z czasem rozwiążemy więcej zagadek, mówi.

Pozytywny przegląd Departamentu Energii otworzyłby drzwi do bardzo potrzebnego wsparcia badawczego, ale ważne pytania pozostają, nawet jeśli można ustalić rzeczywistość fizyki. Czy efekt zimnej fuzji jest wystarczająco silny, aby można go było wykorzystać do praktycznej produkcji energii? Jeśli tak, prawdopodobnie nie będzie konkurować bezpośrednio z gorącą fuzją, mówi Miley, która pracuje nad obiema metodami. Zimna fuzja działa na małą skalę, więc może znaleźć swoje miejsce w małych rozproszonych jednostkach energetycznych. Naturalnym domem gorącej fuzji jest słońce; gdyby można było nim sterować na naszej planecie, znajdowałby się w dużych reaktorach zasilających sieć.

Ale do tych celów jeszcze daleko. Na razie mała społeczność badaczy zimnej fuzji ma nadzieję, że po 15 latach zmagań jest u progu walidacji.

ukryć