Niedrigenergetische Kernreaktion

Kalte Fusion bezeichnet Verfahren, die eine kontrollierte Kernfusion herbeiführen, ohne die hohen Temperaturen von plasmabasierten Fusionsreaktoren oder ein auf Trägheitseinschluß basierendes System einzusetzen.

Einige der ersten Überlegungen dazu stellten Ende der vierziger Jahre F. C. Frank und A. D. Sacharow an, die aufgrund theoretischer Überlegungen postulierten, dass Myonen Kernfusionen auslösen könnten. L. W. Alvarez, der 1968 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde, entdeckte zehn Jahre später auf Filmen von einer Nebelkammer ungewöhnliche Spuren. Zusammen mit E. Teller kam Alvarez zum Schluss, dass Myonen eine Kernfusion ausgelöst hätten. Spätere Rechnungen bestätigten dies, zeigten aber auch, dass die frei werdende Energie beim Zerfall nicht ausreichte, um weitere Kernfusionen zu ermöglichen.

Während die meisten Wissenschaftler aufgrund theoretischer Überlegungen heute davon ausgehen, dass eine kalte Fusion mit Energiegewinnung nicht möglich ist und sich mit der heißen Kernfusion beschäftigen, gab es 1989 große Medienaufmerksamkeit, als die Forscher M. Fleischmann und S. Pons behaupteten, eine solche auf elektrochemischem Weg praktisch durchgeführt zu haben.

Myonen-katalysierte Fusion

Der Begriff „kalte Fusion“ wurde 1948 von Sacharow für einen Vorschlag geprägt, die Kernfusion durch die Verwendung von Myonen zu erleichtern.

Negative Myonen können mit gewöhnlichem Wasserstoff und Deuterium reagieren, wesentlich besser ist jedoch die Reaktion von Myonen mit Tritium und Deuterium. W. P. Dschelepow am Kernforschungsinstitut in Dubna fand heraus, dass die Anzahl der Fusionen mit steigender Temperatur zunehmen. E. A. Vesman von der Estnischen Akademie der Wissenschaften entwickelte 1967 eine Modellvorstellung zu einer durch Myonen katalysierten Fusion.

Nach der Modellvorstellung kann ein negativ geladenes Myon beispielsweise auf ein Molekül aus einem Deuteriumatom und einem Tritiumatom treffen. Dabei kann es vorkommen, dass das Myon ein Elektron aus den Molekülorbitalen verdrängt und dabei selbst ein neues Orbital um den Atomkern besetzt. Das eingefangene negative Myon hat ein Orbital, das wesentlich dichter am Kern liegt, da nach der Quantentheorie die Bahnradien umgekehrt proportional zur Masse sind. Je größer die Masse des Kerns desto stärker und enger auch die Bindung zwischen Myon und Kern. Daher reagiert ein Myon besser mit einem Tritiumkern als mit einem Deuteriumkern. Wenn ein Myon von einem Atomkern eingefangen wurde, zerfällt das Molekül in Atome. Dabei wird nun ein elektrisch neutrales myonisches Tritiumatom gebildet. Der gesamte Prozess vom Myoneneinfang bis zur Bildung eines myonischen Tritiumatoms soll nach Berechnungen in weniger als einem Tausendstel der Lebenszeit eines Myons ablaufen.

Das myonische Tritiumatom kann sich nun ungehindert in anderen Molekülen einnisten, wobei ein myonisches Molekülion entsteht. Dabei werden die Atomkerne sehr viel enger zusammengezogen – der Kernabstand durch das Myonion ist 200-mal geringer als beim herkömmlichen Molekül. Dabei kann es zu einer Fusion kommen, wodurch kurzzeitig ein Helium-5-Teilchen (2 Protonen, 3 Neutronen) entsteht, dass sofort in ein Heliumatom, ein Myon und ein Neutron zerfällt wobei auch viel Energie frei wird. Haftet sich nun das Myon am Heliumatom an, wird der Fusionsvorgang beendet. Falls das Myon freigesetzt wird, kann es Folgereaktionen auslösen und die Fusion am Laufen halten.

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:

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

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

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 $(1-0{,}006)^N\approx 1-0{,}006 \cdot N$ und damit nur für $N=\frac{1}{0{,}006}\approx167$ 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.

Medienaufmerksamkeit für „kalte Fusion“

Fleischmann und Pons 1989

Populär geworden ist der Begriff „kalte Fusion“ durch einen zunächst als Erfolg berichteten Versuch von Martin Fleischmann und Stanley Pons aus dem Jahre 1989. Für kurze Zeit gab es in der Fachwelt die Hoffnung, dass dies als praktisch unerschöpfliche Energiequelle großtechnisch nutzbar gemacht werden könnte. Diese Hoffnungen wurden jedoch nicht erfüllt. Selbst die geringe ursprünglich berichtete Energieproduktion konnte in anderen Labors auch mit größerem Aufwand und genaueren Messmitteln nicht zuverlässig nachvollzogen werden. Über die innerhalb von wenigen Monaten zunächst aufgebaute Euphorie mit anschließender Enttäuschung wurde wegen des möglichen gesellschaftlichen Gewichts in den allgemeinen Medien breit berichtet.

Elektrochemische Fusion in Palladium

Den ersten Bericht von Fritz Paneth zur Umwandlung von Wasserstoff in Helium in Verbindung mit Palladium gab es bereits 1926. Dort wurde bei der Behandlung von Palladiumpräparaten mit Wasserstoff bei leichtem Erhitzen eine nicht erklärbare Menge an Helium festgestellt.^[1][2] Im darauffolgenden Jahr hatte man jedoch einige Fehlerquellen, wie zum Beispiel die bessere Durchlässigkeit für Helium durch Glas unter Wärmeeinfluss, ausgemacht und führte daraufhin das festgestellte Helium auf „natürliche“ Ursachen zurück.^[3][4]

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 Coulomb-Abstoßung untereinander überwinden und unter Freisetzung von Energie verschmelzen.

Durch die elektrochemische Wasserstofferzeugung (Elektrolyse) ist es möglich, bei Anlegen einer 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 zuständigen Ministeriums (DOE) ein, die die möglichen Auswirkungen auf die nationale Energieversorgung untersuchen sollte.

Hinweise auf eine kalte Fusion wären der Nachweis der dabei entstehenden Helium-Atome, Tritium und Neutronen-oder Gammastrahlen (bestimmter Energie bzw. Frequenz) sowie der Nachweis einer Überschuss-Wärmeproduktion, die nicht durch chemische Prozesse erklärt werden kann.

Versuche anderer Labore, die Ergebnisse zu bestätigen, scheiterten jedoch. Selbst der Nachweis des Effektes durch um Größenordnungen empfindlichere Messmittel war nicht erfolgreich. Selbst Fleischmann und Pons konnten ihre Ergebnisse vor Zeugen nicht wiederholen. Eine Kommission des DOE kam im November 1989 zum Schluss, dass die gegenwärtigen Beweise für die Entdeckung eines neuen kernphysikalischen Prozesses, genannt „cold fusion“, nicht überzeugend seien.^[5]

Status

Nach der Veröffentlichung von Fleischmann/Pons im Jahre 1989 versuchten weltweit viele Forschungsgruppen, die Experimente nachzuvollziehen oder das Phänomen theoretisch zu erklären. Das schlug sich in den folgenden Monaten und Jahren in etwa 50 Artikeln in – dem Peer-Review unterworfenen – Fachzeitschriften nieder^[6]. Nachdem sich herausstellte, dass es nicht gelang, unter kontrollierten Bedingungen und mit verbesserten Messmitteln sicher eine Fusion nachzuweisen, verebbte das Interesse und die weitaus meisten Forschungsgruppen wandten sich anderen Themen zu. Entsprechend sank die Zahl der Veröffentlichungen im Zusammenhang mit cold fusion auf etwa drei pro Monat und zuletzt 2005 auf weniger als einen Artikel pro Monat.

Martin Fleischmann steht bis heute zu den Ergebnissen. Selbst in der letzten Publikation von 2003 werden Energieüberschüsse und „Heat-after-Death“ Effekte bei einem gemeinsam durchgeführten Experiment berichtet^[7]. Neben anderen Publikationen diente diese 2003 als Auslöser für eine erneute Studie des DOE, ob es empfehlenswert wäre, die Erforschung dieser und ähnliche Experimente mit staatlichen Mitteln zu fördern.^[8]. Dazu wurden 18 unabhängige Gutachter damit beauftragt, die bis dahin vorliegenden Berichte von Experimenten einem Peer-Review zu unterziehen. Trotz der seit 1989 weiter fortgeschrittenen Technik der kalorimetrischen Messungen und der durchgeführten Folgeexperimente kommt die Studie zum gleichen Schluss wie jene von 1989: Sie rät von einer gezielten Förderung der Erforschung der beschriebenen Effekte zur Entwicklung einer alternativen Energiequelle ab. Eine Förderung einzelner, gut durchdachter Experimente zur Grundlagenforschung wird dagegen wie schon 1989 befürwortet^[9].

Die Vorstellung, mit kalter Fusion die Energieversorgung der Zukunft zu sichern, scheint weiterhin faszinierend genug, dass Wissenschaftsjournalisten das Thema gelegentlich spekulativ aufbereiten^[10]. In der Fachwelt der Kernchemie wird jedoch die Energiegewinnung durch kalte Fusion als nicht erfolgversprechend angesehen.

Pyrofusion

Seth Putterman von der Universität von Kalifornien und seine Mitarbeiter Naranjo und Gimzewski veröffentlichten in Nature im Jahr 2005 eine Arbeit über pyroelektrisch induzierte Kernverschmelzungen. Sie stellen darin eine vergleichsweise kleine Apparatur „auf dem Labortisch“ vor, die Verschmelzungen von Deuteriumkernen ermöglicht. Um Deuteriumatome zu ionisieren und anschließend auf die für die Fusion benötigte Geschwindigkeit zu beschleunigen, benutzten die Forscher einen pyroelektrischen Kristall als Spannungsquelle – daher der Begriff Pyrofusion. Das Deuterium wird durch den Gradienten des elektrischen Feldes an einer Wolframspitze ionisiert und in Folge beschleunigt.

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 Energie zu gewinnen. Als Neutronenquelle, etwa für Analysezwecke, ist der Aufbau gleichwohl geeignet.

Sonofusion

Verschiedentlich wurde früher die Kernfusion als mögliche Erklärung für das Sonolumineszenz-Phänomen diskutiert, was aber von der überwiegenden Mehrheit der Wissenschaftler ablehnend beurteilt wird. 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 Sonofusion (oftmals, wenn auch nicht ganz treffend, auch als „Bläschenfusion“ bezeichnet) sollen hohe Temperaturen, Drücke, Strahlungs- und Neutronendichten entstehen, 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. Taleyarkhans Vorgehensweise konnte allerdings bislang nicht reproduziert werden, weshalb im März 2007 vom US-Repräsentantenhaus eine Untersuchungskommission zur Klärung des Vorwurfs wissenschaftlichen Fehlverhaltens gebildet wurde. Eine auf Betreiben der US-Marine eingerichtete Kommission von fünf Universitäten kam zu dem Ergebnis, dass Experimente einer anderen Gruppe, die die Ergebnisse zu bestätigen schienen, gefälscht waren,^[11] was die Gruppe allerdings bestreitet.^[12]

Literarische Verarbeitung

• Der Roman „Die Kalte Fusion“^[13] von Johannes Schmidl spielt mit der Möglichkeit eines geglückten Experiments nach dem Muster der Sonofusion.

Literatur

Bücher

• John R. Huizenga: Cold Fusion: The Scientific Fiasco of the Century. Oxford University Press, ISBN 0-198-55817-1.

  deutsche Übersetzung: John R. Huizenga: Kalte Kernfusion. Das Wunder, das nie stattfand. Vieweg+Teubner, 1994, ISBN 3-528-06614-8. 

• Frank Close: Too hot to handle - the race for cold fusion, Princeton University Press 1991, ISBN 0-69-108591-9.

  deutsche Übersetzung: Frank Close: Das heiße Rennen um die kalte Fusion. Birkhäuser, Basel 1992, ISBN 3-7643-2631-X

Zeitschriftenaufsätze

• Johann Rafelski, Steven E. Jones: Myon-katalysierte kalte Kernfusion. In: Spektrum der Wissenschaften. Nr. 9, 1987, S. 124-130.
• A. Kendl: Zehn Jahre danach: Was blieb von der „Kalten Kernfusion? In: Skeptiker 12, 1–2, 1999, S. 32.
• H. Dittmar-Ilgen: Neues zur Sonolumineszenz und Pyrofusion. In: Naturwissenschaftliche Rundschau. Nr. 9, 2006, S. 484.

Weblinks

• Britz's Cold Nuclear Fusion Bibliography: Umfassende Sammlung von wissenschaftlicher Literatur zu kalter Fusion.
• Fusion durch Feldionisation (Pyroelektrische Fusion), pro-physik.de
• Ursprünglicher Bericht des DOE von 1989 über „Cold Fusion“
• Cold Fusion Reviews 2004 und 1989 des DOE mit Reaktionen der Cold Fusion-Forscher
• Physics Today Januar 2005 zum DOE Report 2004

Einzelnachweise

1. ↑ F. Paneth, Kurt Peters: Über die Verwandlung von Wasserstoff in Helium. In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 59, 1926, S. 2039-2048 (doi:10.1002/cber.19260590860). 
2. ↑ The Reported Conversion of Hydrogen into Helium. In: Nature. 118, Nr. 2971, 1926, S. 526-527 (doi:10.1038/118526a0). 
3. ↑ F. Paneth, K. Peters, P. Günther: Über die Verwandlung von Wasserstoff in Helium. In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 60, 1926, S. 808-809 (doi:10.1002/cber.19270600336). 
4. ↑ Fritz Paneth: The Transmutation of Hydrogen into Helium. In: Nature. 119, Nr. 3002, 1927, S. 706-707 (doi:10.1038/119706a0). 
5. ↑ that the present evidence for the discovery of a new nuclear process termed cold fusion is not persuasive, Landis, Huizenga, Norman Ramsey u.a. DOE-Report 1989, Schlussfolgerungen, siehe auch: John R. Huizenga: Cold Fusion: The Scientific Fiasco of the Century. Oxford University Press, 1993, ISBN 0-198-55817-1. 
6. ↑ Statistik der Fachveröffentlichungen im Zusammenhang mit Kalter Fusion zusammengestellt von der Universität Aarhus
7. ↑ S. Szpak, P. A. Mosier-Boss, M. H. Miles, M. Fleischmann: Thermal behavior of polarized Pd/D electrodes prepared by co-deposition. In: Thermochimica Acta. 410, Nr. 1–2, 2004, S. 101–107 (doi:10.1016/S0040-6031(03)00401-5). 
8. ↑ Anhang zur DOE Studie von 2004
9. ↑ Studie des DOE von 2004
10. ↑ Script zu einer Radiosendung des Deutschlandfunks vom 5.Juni 2005
11. ↑ Labortricksereien: Bis die Blase platzt - Physik & Chemie - Wissen - FAZ.NET. www.faz.net. Abgerufen am 25. Juli 2008.
12. ↑ Durchbruch oder Täuschung? - Deutschlandfunk. www.dradio.de. Abgerufen am 30. Juli 2008.
13. ↑ Johannes Schmidl: Die Kalte Fusion. Seifert, 2009, ISBN 978-3-902406-56-9.