Kalte Fusion

Kalte Fusion

Als Kalte Fusion bezeichnet man Verfahren, die eine als Energiequelle nutzbare, kontrollierte Kernfusion von Wasserstoff-Isotopen herbeiführen sollen, ohne dass ein Plasma mit hoher Temperatur und Dichte hergestellt werden muss wie bei einem Kernfusionsreaktor oder bei der Trägheitsfusion.

Erste Überlegungen zur Fusion bei niedrigen Temperaturen gab es in den 1940er Jahren in der Sowjetunion (Myonen-katalysierte Fusion).

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. Fleischmann und Pons zogen 1989 große Medienaufmerksamkeit auf sich, als sie behaupteten, eine kalte Fusion auf elektrochemischem Weg durchgeführt zu haben.[1] Ihre Ergebnisse ließen sich jedoch nicht durch unabhängige Dritte wiederholen.[2]. Als Konsequenz gehen die meisten Wissenschaftler davon aus, dass eine Kernreaktion mit Energiefreisetzung auf diese Weise nicht möglich ist.[3]

Inhaltsverzeichnis

Myonen-katalysierte Fusion

Überlegungen dazu stellten Ende der 1940er Jahre F. C. Frank und Andrei Sacharow an, die aufgrund theoretischer Ansätze postulierten, dass Myonen die Einleitung von Fusions-Kernreaktionen in der Art eines Katalysators erleichtern könnten. Sacharow prägte 1948 dafür auch den Begriff „kalte Fusion“. Luis W. Alvarez, der 1968 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde, entdeckte zehn Jahre später auf Nebelkammer-Aufnahmen ungewöhnliche Spuren. Zusammen mit Edward Teller kam er zu dem Schluss, dass Myonen Kernfusionen ausgelöst hätten.

E. A. Vesman von der estnischen Akademie der Wissenschaften entwickelte dazu 1967 eine Modellvorstellung zu einer durch Myonen katalysierten Fusion. Dieses Modell benutzt ein Ergebnis aus der Atomphysik, wonach der Bahnradius eines Myons um einen Atomkern umgekehrt proportional zur reduzierten Masse des Atomkerns und dem Myon ist. Da ein Myon im Vergleich zu einem Elektron eine wesentlich höhere Masse besitzt, liegt dessen Orbital wesentlich dichter am Atomkern als bei einem Elektron. Da in die reduzierte Masse zusätzlich aber auch die Masse des Atomkerns eingeht, führt eine höhere Masse des Atomkerns ebenfalls zu einem dichter liegenden Orbital des gebundenen Teilchens. Deswegen reagiert ein Myon besser mit einem Tritiumkern als mit einem Deuteriumkern. Trifft nun ein negativ geladenes Myon auf ein Molekül aus einem Deuterium- und einem Tritiumatom, kann es vorkommen, dass das Myon ein Elektron aus den Molekülorbitalen verdrängt und ein neues Molekülorbital bildet. Durch die enge Abschirmung der elektrisch positiven Ladung des Tritiumkerns durch das Myon werden dabei die Atomkerne rund 200-mal enger gebunden als bei dem ursprünglichen Molekül. Dabei kann es dann vergleichsweise leicht zu einer Fusion kommen, wodurch kurzzeitig ein Helium-5-Teilchen (2 Protonen, 3 Neutronen) entsteht. Diese Helium-5-Teilchen zerfallen mit einer Wahrscheinlichkeit von 99,4 % in ein Heliumatom, ein Myon und ein Neutron, wobei Energie freigesetzt wird:

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

Das freigesetzte Myon kann nach dieser Reaktion die gleiche Reaktion erneut auslösen und somit einen Fusionsprozess am Laufen halten. Das Myon wirkt dabei ähnlich wie ein chemischer Katalysator. Mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,6 % haftet das Myon aber auch am Heliumatom an (engl. sticking) und steht dann für weitere Fusionsvorgänge nicht mehr zur Verfügung:

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

Der gesamte Zyklus vom Myoneneinfang bis zur Fusion geschieht in einer Zeitskala von etwa 10−9 s. Die kurze Lebensdauer des Myons von etwa 2,2 µs begrenzt damit die Zahl der katalysierten Fusionsreaktionen prinzipiell etwa auf 2000. Danach zerfällt das Myon wieder gemäß:

\mu^{-}\rightarrow e^{-}+\overline{\nu_{e}}+\nu_{\mu}

Da für die Herstellung eines Myons in Teilchenbeschleunigern etwas über 3 GeV benötigt werden, erscheint eine Energiegewinnung durch den Einschuss der erzeugten Myonen in ein Deuterium-Tritium-Gasgemisch als möglich. Dass dies trotzdem nicht der Fall ist, liegt an dem oben beschriebenen zweiten Folgeprozess, bei dem das Myon eingefangen wird und damit keine weiteren Fusionsreaktionen während seiner Lebensdauer katalysieren kann. Aufgrund des zweiten Prozesses reduziert sich, gemäß den Gesetzen der Wahrscheinlichkeitsrechnung, die durchschnittliche Anzahl der katalysierten Fusionen auf N=\sum_{k=0}^{2000} (0{,}994)^k. Das Ergebnis dieser geometrischen Reihe kann geschlossen angegeben werden und lautet \tfrac{1-0{,}994^{2001}}{1-0{,}994}\approx\tfrac{1}{1-0{,}994}\approx 166{,}7. Bei dieser geringeren Anzahl an Fusionen werden nurmehr 2,9 GeV Fusionsenergie erzeugt. Da zur Herstellung eines Myons aber bereits über 3 GeV benötigt werden, kann mit diesem Prozess im statistischen Mittel keine Energie erzeugt werden. Zusätzlich fällt die freiwerdende Energie auch in Form von Wärme an, deren Umwandlung in elektrische Energie mit unvermeidlichen Verlusten verbunden ist. Es besteht daher prinzipiell keine Aussicht, auf dieser Basis mit Hilfe eines Fusionsreaktors im großtechnischen Maßstab Stromerzeugung zu verwirklichen.

W. P. Dschelepow fand am Kernforschungsinstitut in Dubna heraus, dass die Anzahl der durch Myonen katalysierten Fusionen mit steigender Temperatur zunimmt.

Fusion in Palladium

Palladium besitzt die höchste Absorptionsfähigkeit aller Elemente für Wasserstoff; es kann bei Raumtemperatur das 900-fache seines eigenen Volumens binden (siehe Palladium) und bietet somit die beste Voraussetzung für solche Versuche mit Wasserstoff.

Paneth (1926)

Den ersten Bericht zur Umwandlung von Wasserstoff in Helium in Verbindung mit Palladium gab es bereits 1926 von Fritz Paneth. Bei der Behandlung von Palladiumpräparaten mit Wasserstoff wurde bei leichtem Erhitzen eine nichterklärbare Menge an Helium festgestellt.[4][5] Im darauf folgenden 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.[6][7]

Fleischmann und Pons (1989)

Schematische Versuchsanordnung für die elektrochemische kalte Fusion

Der Begriff „kalte Fusion“ ist durch diesen zunächst als Erfolg berichteten Versuch von Fleischmann und Pons populär geworden. Am 23. März 1989 berichteten Martin Fleischmann und Stanley Pons im Rahmen einer Pressekonferenz von Experimenten, bei denen sie kalte Fusion beobachtet hätten. Diese Berichte wurden als sensationelle Entdeckung aufgenommen. Denn danach wäre auf einfache Weise Energie aus Wasser freizusetzen. Für kurze Zeit gab es in der Fachwelt die Hoffnung, dass dies als praktisch unerschöpfliche Energiequelle großtechnisch nutzbar gemacht werden könnte.

Bei diesem Experiment soll die Verschmelzung der Wasserstoff-Isotope Protium, Deuterium und Tritium während der Elektrolyse eines Elektrolyten an der Oberfläche einer Palladium-Kathode stattgefunden haben. Der Ansatz beruht darauf, dass der bei der Elektrolyse entstandene Wasserstoff in das Metallgitter des Palladiums diffundiert. Erstens werden dabei die Elektronen des Wasserstoffs durch die Umgebung des Metalls delokalisiert und damit in einem größeren Raumbereich um das ursprüngliche Atom verteilt (vgl. Leitungsband). Dadurch vermindert sich die Coulomb-Abstoßung der äußeren Elektronenhülle, welche die erste Barriere für die Fusion darstellt. Zweitens wird bei der elektrochemischen Wasserstofferzeugung (Elektrolyse) beim Anlegen der Zellenspannung ein sehr hoher Wasserstoffpartialdruck an der Elektrodenoberfläche erzeugt; die Konzentration an Wasserstoff ist dort somit erhöht. Befinden sich dadurch zwei Wasserstoffatome im selben Zwischenraum des Metallgitters, so ist ihr Abstand zueinander für eine vergleichsweise lange Zeit deutlich geringer als im freien Gas oder in heißem Plasma. Diese Umstände könnten die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass die Kerne ihre gegenseitige Abstoßung überwinden und unter Freisetzung von Energie verschmelzen.

Als Hinweise auf eine kalte Fusion gelten 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.

Innerhalb von sechs Wochen, am 1. Mai 1989, präsentierten die Caltech Physiker Steven Koonin, Nathan Lewis, und Charles Barnes auf einer Sitzung der amerikanischen physikalische Gesellschaft ihre Ergebnisse und konnten auf beeindruckende Weise Fehler der Fleischmann-Pons Experimente nachweisen und deren Ergebnisse widerlegen.[8]

Auch andere Laboratorien gelang es nicht die Fleischmann-Pons Ergebnisse zu bestätigen. Selbst der Nachweis des Effektes durch um Größenordnungen empfindlichere Messapparaturen war nicht erfolgreich. Auch Fleischmann und Pons konnten ihre Ergebnisse vor Zeugen nicht wiederholen.

Die amerikanische Regierung setzte eine Kommission des zuständigen Ministeriums (Department of Energy (DOE)) ein, um die möglichen Auswirkungen auf die nationale Energieversorgung untersuchen zu lassen. Die Kommission des DOE kam im November 1989 zum Schluss, dass die gegenwärtigen Beweise für die Entdeckung eines neuen kernphysikalischen Prozesses, genannt „Kalte Fusion“, nicht überzeugend seien.[9]

Über die innerhalb von wenigen Monaten zunächst aufgebaute Euphorie mit anschließender Enttäuschung wurde wegen des möglichen gesellschaftlichen Gewichtes in den allgemeinen Medien breit berichtet.

Nach der Veröffentlichung von Fleischmann und Pons versuchten weltweit viele Forschungsgruppen, die Experimente nachzuvollziehen oder das Phänomen theoretisch zu erklären. Das schlug sich in den folgenden Monaten und Jahren in bis zu 50 Artikeln in – dem Peer-Review unterworfenen – Fachzeitschriften nieder. In dieser Zeit gab es auch Veröffentlichungen über weitere Erfolge. So wurde z.B. im Juli 1989 von einer indischen Forschergruppe des BARC (P. K. Iyengar and M. Srinivasan) und im Oktober 89 von einer US-amerikanischen Gruppe (Bockris et al.) über die Entstehung von Tritium berichtet. Im Dezember 1990 veröffentlichte der emeritierte Professor Richard Oriani der Universität Minnesota noch über Überschusswärme bei der kalten Fusion[10], aber die Glaubwürdigkeit und das Interesse der Öffentlichkeit waren bereits abgeebbt. Die weitaus meisten Forschungsgruppen wandten sich damit wieder anderen Themen zu. Entsprechend stark sank die Zahl der Veröffentlichungen im Zusammenhang mit der cold fusion.

Status

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.[11] Diese Publikation von 2003 löste neben anderen eine erneute Studie des DOE aus, ob es empfehlenswert wäre, die Erforschung dieser und ähnliche Experimente mit staatlichen Mitteln zu fördern. 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 Messung und der durchgeführten Folgeexperimente kommt die Studie zum gleichen Schluss wie jene von 1989 und 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 wie schon 1989 befürwortet. Der Abschlussbericht der Studie gab weiter an, dass die Meinungen der Gutachter verteilt waren: "Evaluations by the reviewers ranged from: 1) evidence for excess power is compelling, to 2) there is no convincing evidence that excess power is produced when integrated over the life of an experiment. The reviewers were split approximately evenly on this topic. ... Most reviewers, including those who accepted the evidence and those who did not, stated that the effects are not repeatable, the magnitude of the effect has not increased in over a decade of work, and that many of the reported experiments were not well documented."[12]

Wissenschaftsjournalisten bereiten das Thema gelegentlich auf.[13] In der Fachwelt der Kernchemie wird jedoch die Energiegewinnung durch kalte Fusion als nicht erfolgversprechend angesehen.

Spätere Versuche zur kalten Fusion durch Fleischmann und Pons werden bis heute verfolgt und häufig als Niedrigenergie-Kernreaktionen (engl. low energy nuclear reactions, LENR) oder teilweise auch als chemisch unterstützte Kernreaktionen (engl. chemically assisted nuclear reactions, CANR) bezeichnet. Beispielsweise behauptete Anfang 2011 der Biodiesel-Unternehmer Andrea Rossi zusammen mit dem Physiker Sergio Focardi, dass er Nickel und Wasserstoff zu Kupfer verschmelzen und damit eine sich über längere Zeit selbst aufrechterhaltende thermische Leistung von 10 kW bei nur einigen hundert Watt anfangs eingespeister Wärmeleistung erzeugen könne. [14] Unabhängige Bestätigungen des Experiments liegen bisher nicht vor. Die bei solchen Fusionsreaktionen eigentlich zu erwartende Gammastrahlung wurde nicht beobachtet. Rossis bereits länger laufende Forschungen haben bis 2011 kaum Fachrezeption erfahren.

Pyrofusion

Hauptartikel: 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 Deuteriumkerne zu Helium, wobei ein freies Neutron entsteht:

D + D → 3He (820 keV) + n (2,45 MeV)

Wegen der prinzipbedingt auf geringe Teilchenströme begrenzten Leistung besteht keine Aussicht, auf diese Weise Energie für praktische Zwecke freisetzen zu können. Als Neutronenquelle, etwa für Analysezwecke, ist der Aufbau gleichwohl geeignet.

Sonofusion

Sonofusion-Gerät, verwendet von Rusi Taleyarkhan.

Der US-Wissenschaftler Rusi P. Taleyarkhan vom Oak Ridge National Laboratory berichtete im März 2002 im Magazin Science über die Möglichkeit, mit Hilfe von durch Schallwellen ausgelöster Kavitation eine kontrollierte Fusion herbeizuführen.[15] Bei diesem Sonofusion oder auch Bläschenfusion genannten Vorgang sollen hohe Temperaturen, Drücke, Strahlungs- und Neutronendichten entstehen, die eine Kernfusion ermöglichen. Taleyarkhans Ergebnisse wurden allerdings bislang nicht komplett unabhängig reproduziert.

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.[16] Im August 2008 wurde Taleyarkhan von der Universität Purdue wegen unwissenschaftlichen Verhaltens (scientific misconduct) die Professur entzogen.[17] Er bleibt zwar weiterhin Mitglied der Fakultät, jedoch unter der Bezeichnung special graduate faculty und ohne das Recht, Doktoranden zu betreuen.

Literarische und filmische Verarbeitung

  • Der Roman Die Kalte Fusion[18] von Johannes Schmidl spielt mit der Möglichkeit eines geglückten Experiments nach dem Muster der Sonofusion. Im Film Außer Kontrolle von Andrew Davis wird die Sonofusionsidee filmisch umgesetzt.
  • Im Film The Saint – Der Mann ohne Namen referiert eine Forscherin über die kalte Fusion.
  • Im Spielfilm I.Q. – Liebe ist relativ, der in den fünfziger Jahren spielt, benutzt der fiktive Albert Einstein die Theorie, um das Interesse seiner Nichte an einem Nicht-Wissenschaftler zu wecken. Der Einstein im Film ist sich aber bewusst, dass die kalte Fusion „ein Schwindel“ ist.
  • Die fiktive technische Anwendung der myonen-katalysierten Fusion beschreibt Arthur C. Clarke in seinem Roman 2061 – Odyssee III.
  • In seinem Buch Ausgebrannt von Andreas Eschbach beschreibt eine Nebenfigur die kalte Fusion als bestmögliche Energiequelle, die jedoch ihrer Ansicht nach von Energiekonzernen wie Shell abgelehnt wird, um nicht das Ölmonopol zu verlieren.
  • Die fiktive technische Anwendung der myonen-katalysierten Fusion wird auch in der SF-Roman-Serie Perry Rhodan beschrieben.

Literatur

Bücher

  • John R. Huizenga: Cold Fusion. The Scientific Fiasco of the Century. Oxford University Press, Oxford 1993, ISBN 0-19-855817-1 .
  • John R. Huizenga: Kalte Kernfusion. Das Wunder, das nie stattfand. Vieweg+Teubner, Braunschweig 1994, ISBN 3-528-06614-8 (deutsche Ausgabe).
  • Frank Close: Too hot to handle – the race for cold fusion. Princeton University Press, Princeton 1991, ISBN 0-691-08591-9.
  • Frank Close: Das heiße Rennen um die kalte Fusion. Birkhäuser, Basel 1992, ISBN 3-7643-2631-X (deutsche Ausgabe).
  • Jan Marwan, Steven Krivit (Hrsg.): Low-Energy Nuclear Reactions Sourcebook American Chemical Society, 2008, ISBN 0-8412-6966-1
  • Jan Marwan, Steven Krivit (Hrsg.): Low-Energy Nuclear Reactions and New Energy Technologies Sourcebook Volume 2 Oxford University Press, 2010, ISBN 0-8412-2454-4

Zeitschriftenaufsätze

  • Johann Rafelski, Steven E. Jones: Myon-katalysierte kalte Kernfusion. In: Spektrum der Wissenschaften. Nr.9, ISSN 0170-2971, 1987, S. 124–130.
  • A. Kendl: Zehn Jahre danach. Was blieb von der „Kalten Kernfusion? In: Skeptiker. 12, ISSN 0936-9244, 1999, 1–2, S. 32.
  • H. Dittmar-Ilgen: Neues zur Sonolumineszenz und Pyrofusion. In: Naturwissenschaftliche Rundschau. Nr. 9 ISSN 0028-1050, 2006, S. 484.

Weblinks

Einzelnachweise

  1. Martin Fleischmann, Stanley Pons, Marvin Hawkins: Electrochemically induced nuclear fusion of deuterium. In: Journal of Electroanalytical Chemistry. Bd 261, Nr. 2, ISSN 1572-6657, 1989, S. 301–308, doi:10.1016/0022-0728(89)80006-3; Erratum in: Journal of Electroanalytical Chemistry. Bd 263, Nr. 1, ISSN 1572-6657, 1989, S. 187–188, doi:10.1016/0022-0728(89)80141-X
  2. John R. Huizenga: Cold Fusion: The Scientific Fiasco of the Century. Oxford University Press, Oxford 1993, ISBN 0-19-855817-1.
  3. Undead Science -- Science Studies and the After Life of Cold Science, Bart Simon. Ein soziologisches Fachbuch über das Phänomen, dass die kalte Fusion von der Mehrheit der Forscher verworfen wurde, eine Minderheit dessen ungeachtet jedoch weiter an dem Thema forscht.
  4. F. Paneth, Kurt Peters: Über die Verwandlung von Wasserstoff in Helium. In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 59, Berlin 1926, ISSN 0365-9488, S. 2039–2048, doi:10.1002/cber.19260590860.
  5. The Reported Conversion of Hydrogen into Helium. In: Nature. 118, Nr. 2971, London 1926, ISSN 0028-0836, S. 526–527, doi:10.1038/118526a0.
  6. F. Paneth, K. Peters, P. Günther: Über die Verwandlung von Wasserstoff in Helium. In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 60, Berlin 1926, ISSN 0365-9488, S. 808–809, doi:10.1002/cber.19270600336.
  7. Fritz Paneth: The Transmutation of Hydrogen into Helium. In: Nature. 119, Nr. 3002, London 1927, ISSN 0028-0836, S. 706–707, doi:10.1038/119706a0.
  8. Whatever Happened to Cold Fusion? by David Goodstein. Abgerufen am 27. Juni 2011.
  9. that the present evidence for the discovery of a new nuclear process termed cold fusion is not persuasive. DOE-Report 1989. DOE Report 1989. Abgerufen am 31. Mai 2011.
  10. S Krivit: Low energy nuclear reaction research - Global scenario. In: Current Science. 94, Nr. 7, 2008.
  11. 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, Amsterdam 2004, ISSN 0040-6031, S. 101–107, doi:10.1016/S0040-6031(03)00401-5.
  12. Studie des DOE von 2004
  13. Script zu einer Radiosendung des Deutschlandfunks vom 5.Juni 2005
  14. Haiko Lietz: Kalte Fusion in der Black Box? Telepolis, 23. März 2011, abgerufen am 25. März 2011.
  15. R. P. Taleyarkhan, C. D. West, J. S. Cho, R. T. Lahey, R. I. Nigmatulin, R. C. Block: Evidence for Nuclear Emissions During Acoustic Cavitation. In: Science. 295, Nr. 5561, New York 2002, ISSN 0036-8075, S. 1868–1873, doi:10.1126/science.1067589.
  16. Labortricksereien – Bis die Blase platzt. In: faz.net. Abgerufen am 25. Juli 2008.
  17. Peter Gwynne: Bubble-fusion researcher loses professorship. In: Physics World. (englisch)
  18. Johannes Schmidl: Die Kalte Fusion. Seifert, Wien 2009, ISBN 3-902406-56-9.

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