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. Ein häufig gebrauchtes Synonym für die kalte Fusion ist LENR (low energy nuclear reactions), also Kernreaktionen bei niedriger Energie.

Erste Überlegungen zur Fusion bei niedrigen Temperaturen gab es in den 1940er Jahren in der Sowjetunion (Myonen-katalysierte Fusion). Bekannt wurde der Begriff kalte Fusion (englisch cold fusion) durch ein 1989 von den Chemikern Stanley Pons und Martin Fleischmann vorgestelltes Experiment. Sie behaupteten, eine kalte Fusion auf elektrochemischem Weg an einer Palladium-Elektrode durchgeführt zu haben.^[1] Ihre Ergebnisse ließen sich jedoch nicht durch unabhängige Dritte bestätigen.^[2] Als Konsequenz gehen die meisten Wissenschaftler davon aus, dass eine Kernreaktion mit Energiefreisetzung auf diese Weise nicht eingeleitet werden kann.^[3] Es findet jedoch weiterhin Forschung zu verschiedenen Aspekten der kalten Fusion bzw. von LENR statt.^[4]

Vorgeschlagene Funktionsmechanismen

Myonen-katalysierte Fusion

Überlegungen dazu stellten Ende der 1940er Jahre Frederick Charles Frank^[5] und Andrei Sacharow^[6] 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“.^[7] Luis W. Alvarez,^[8] der 1968 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde, entdeckte 1956 auf Blasenkammer-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 die Modellvorstellung 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 des Myons ist. Da ein Myon im Vergleich zu einem Elektron eine wesentlich höhere Masse besitzt, liegt sein Orbital wesentlich dichter am Atomkern als bei einem Elektron. Da in die reduzierte Masse zusätzlich auch die Masse des Atomkerns eingeht, führt eine höhere Masse des Atomkerns ebenfalls zu einem dichter liegenden Orbital des gebundenen Teilchens. Trifft nun ein negativ geladenes Myon auf ein DT-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 Ladung des Tritiumkerns durch das Myon werden dabei die Atomkerne rund 200-mal enger gebunden als bei dem ursprünglichen Molekül. Daher kann es vergleichsweise leicht zur Kernverschmelzung (Fusion) kommen, durch die aus dem myonischen DT-Molekül ein myonisches Helium-5-Atom entsteht. Dieses zerfällt mit einer Wahrscheinlichkeit von 99,4 % in ein Helium-4-Atom, ein Myon und ein Neutron, wobei Energie freigesetzt wird:

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

Das freigesetzte Myon kann nach dieser Reaktion die gleiche Reaktion erneut auslösen und somit einen Fusionsprozess kettenreaktionsartig am Laufen halten. Das Myon wirkt dabei ähnlich wie ein chemischer Katalysator. Mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,6 % bleibt das Myon aber auch am Helium-4-Atom haften (engl. sticking) und steht dann für weitere Fusionsvorgänge nicht mehr zur Verfügung:

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

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

$ \mu ^{-}\rightarrow e^{-}+{\overline {\nu }}_{e}+\nu _{\mu } $

Für die Herstellung eines Myons mit einem Teilchenbeschleuniger werden rund 3 GeV benötigt. Eine Netto-Energiegewinnung durch den Einschuss der erzeugten Myonen in ein Deuterium-Tritium-Gasgemisch erschien zunächst möglich.^[9] Dass dies trotzdem nicht der Fall ist, liegt an dem oben beschriebenen zweiten Folgeprozess, bei dem das Myon haften bleibt und damit keine weiteren Fusionsreaktionen 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 ist $ {\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, also weniger, als zur Herstellung eines neuen Myons nötig ist. Daher lässt sich mit diesem Prozess im statistischen Mittel keine Nutzenergie gewinnen, insbesondere wenn die zusätzliche elektrische Energie berücksichtigt wird, die zur Herstellung und zum Grundbetrieb des Teilchenbeschleunigers erforderlich ist.

W. P. Dschelepow fand am Kernforschungsinstitut in Dubna heraus, dass die Anzahl der durch Myonen katalysierten Fusionen mit steigender Temperatur zunimmt. Dies würde allerdings dem Prinzip der Kalten Fusion widersprechen.

Metall-katalytische Fusion

Palladium besitzt die höchste Absorptionsfähigkeit aller Elemente für Wasserstoff; es kann bei Raumtemperatur das 900-fache seines eigenen Volumens binden. Zudem hat Palladium katalytische Eigenschaften. Viele Versuche zur kalten Fusion nutzen daher Palladium.

Paneth (1926)

Der erste Bericht zur Umwandlung von Wasserstoff in Helium in Verbindung mit Palladium stammt aus dem Jahr 1926 von Fritz Paneth. Bei der Erwärmung von mit Wasserstoff behandelten Palladiumpräparaten stellte er eine nicht erklärbare Menge an Helium fest.^[10][11] Im darauf folgenden Jahr hatte man jedoch einige Fehlerquellen erkannt. Ein Beispiel ist die bei erhöhter Temperatur bessere Durchlässigkeit von Glas für Helium. In einer Veröffentlichung von 1927 deutete Paneth zusammen mit weiteren Autoren das Helium daher als Folge dieser Ursachen.^[12][13]

"Kalte Fusion" nach Fleischmann und Pons

Schematische Versuchsanordnung für die elektrochemische kalte Fusion

Der Begriff „kalte Fusion“ ist durch einen 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 Sensation aufgenommen, denn danach wäre auf einfache Weise Energie aus schwerem Wasser freizusetzen. Für kurze Zeit gab es in der Fachwelt die Hoffnung, dass dies als praktisch unerschöpfliche Energiequelle großtechnisch nutzbar gemacht werden könnte.^[14]

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. 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.

Schon am 1. Mai 1989 wiesen die Physiker Steven Koonin, Nathan Lewis, und Charles Barnes vom Caltech auf einer Sitzung der amerikanischen physikalischen Gesellschaft Fehler der Fleischmann-Pons-Experimente nach und widerlegten deren Ergebnisse.^[15] Auch anderen Laboratorien gelang es nicht, die Fleischmann-Pons-Ergebnisse zu bestätigen, auch nicht mit um Größenordnungen empfindlicheren Messapparaturen^[16]. Fleischmann und Pons selber konnten ihre Ergebnisse vor Zeugen nicht wiederholen.

Inzwischen hatten weltweite Forschungen eingesetzt. So wurde z.B. im Juli 1989 von einer indischen Forschergruppe des BARC (P. K. Iyengar und M. Srinivasan) und im Oktober 1989 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.^[17]

Die amerikanische Regierung setzte eine Kommission des Energieministeriums (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 Hinweise auf die Entdeckung eines neuen kernphysikalischen Prozesses, genannt „Kalte Fusion“, nicht überzeugend seien.^[18]

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

Eine erneute Veröffentlichung von Fleischmann^[19] trug dazu bei, dass sich das DOE in den Jahren nach 2003 nochmals der Sache annahm. Trotz der seit 1989 weiter fortgeschrittenen Technik der kalorimetrischen Messung und den durchgeführten Folgeexperimenten kommt das DOE zum gleichen Schluss wie 1989 und rät von einer gezielten Förderung der Erforschung der beschriebenen Effekte zur Entwicklung einer alternativen Energiequelle ab.^[20]

Laufende wissenschaftliche Arbeit

Einige Forschergruppen weltweit führen bis heute bzw. neu wissenschaftliche Untersuchungen in dem Themenbereich "Kalte Fusion" bzw. LENR durch. Wissenschaftsjournalisten bereiten das Thema gelegentlich auf oder berichten über Wissenschaftler, die Potenziale in der Kalten Fusion sehen.^[21][22][23] Die Amerikanische Physikalische Gesellschaft lässt regelmäßig Symposia zu LENR zu; die Amerikanische Chemische Gesellschaft tat dies nach 1989 im Jahre 2007 erstmals wieder.^[24] Im März 2012 wurde auf einer Konferenz der American Nuclear Society (ANS)^[25] über LENR berichtet. Die US-Militärbehörde SPAWAR (Space and Naval Warfare Systems Command) führt seit 1989 Experimente durch und hat mehrmals in begutachteten Zeitschriften von ihren Arbeiten berichtet.^[26]

Die Universität von Missouri erhielt 2012 von einer privaten Stiftung Forschungsgelder in Höhe von 5,5 Millionen USD, um die Entstehung überschüssiger Wärme bei Wechselwirkungen zwischen Wasserstoff und Palladium, Nickel oder Platin zu erforschen.^[27][28]

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 das starke elektrische Feld an einer Wolframspitze ionisiert und die Ionen beschleunigt. Der erzeugte Neutronenfluss lag beim 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 bisher 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 durch Schallwellen ausgelöster Kavitation eine kontrollierte Fusion herbeizuführen.^[29] Bei diesem Sonofusion oder auch Bläschenfusion genannten Vorgang sollen hohe Temperaturen, Drücke, Strahlungs- und Neutronendichten entstehen, die eine Kernfusion ermöglichen.

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.^[30] Im August 2008 wurde Taleyarkhan von der Universität Purdue wegen unwissenschaftlichen Verhaltens (scientific misconduct) die Professur entzogen.^[31] Er bleibt zwar weiterhin Mitglied der Fakultät, jedoch unter der Bezeichnung special graduate faculty und ohne das Recht, Doktoranden zu betreuen. Die Affaire wurde unter dem Namen bubblegate bekannt.^[32]

In Deutschland wurde die Sonofusion vom Kerntechniker Prof. Günter Lohnert, Universität Stuttgart, propagiert.^[33] Lohnert hat zudem als Herausgeber der Zeitschrift Nuclear Engineering and Design (NED) nach nur kurzer Prüfung ohne andere Gutachter hinzuzuziehen die vorgenannte, mittlerweile als gefälscht bewertete Arbeit, welche die Sonofusion zu bestätigen schien, akzeptiert.^[34][35] Lohnert gab während des US-Untersuchungsverfahrens zur Sonofusion Taleyarkhan 2007 und 2008 die Möglichkeit, seine Position in NED darzulegen. Lohnert wurde 2009 als aktiver Herausgeber von NED abgelöst.

Kommerzielle Verwertungsversuche

Umstrittene Nickel-Wasserstoff-Reaktion

Anfang 2011 behauptete der italienische 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 exotherme Reaktion in einem Gerät erzeugen könne, welches unter dem Namen "E-Cat" bekannt ist.^[36][37] Allen 15 Ansprüchen eines Patentantrags von 2008 wurden vom Europäischen Patentamt in einem Prüfbericht 2010 die Eigenschaft einer Erfindung (inventive step) abgesprochen.^[38][39] Unabhängige Bestätigungen des Experiments liegen bisher nicht vor. Die bei solchen Fusionsreaktionen eigentlich zu erwartende Gammastrahlung wurde nicht beobachtet. Die für den Herbst 2011 in Griechenland angekündigte Präsentation eines funktionsfähigen Reaktors wurde abgesagt.^[40] Eine gründliche Untersuchung des Geräts erlaubt Rossi nicht. Mehrere Gutachter sahen daher von einer abschließenden Beurteilung ab.^[41] Der LENR-Blogger Krivit hat Belege dafür zusammengetragen, dass Rossi systematisch das Gerät manipuliert, um den Eindruck einer nennenswerten Energieproduktion zu erwecken.^[42]

Am 16. Januar 2013 erteilte das Europäische Patentamt dem Erfinder Francesco Piantelli ein Patent mit dem Patentanspruch auf ein "Verfahren zum Erzeugen von Energie durch Kernreaktionen zwischen Wasserstoff und einem Metall".^[43]

Literarische und filmische Verarbeitung

• Der Roman Die Kalte Fusion^[44] 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 Energiemonopol zu verlieren.
• Die Fusion mittels Palladium wird in dem Thriller Die Quelle^[45] von Uwe Schomburg 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 978-0-8412-6966-8.
• Jan Marwan, Steven Krivit (Hrsg.): Low-Energy Nuclear Reactions and New Energy Technologies Sourcebook. Volume 2, Oxford University Press, 2010, ISBN 978-0-8412-2454-4.

Zeitschriftenaufsätze

• Johann Rafelski, Steven E. Jones: Myon-katalysierte kalte Kernfusion. In: Spektrum der Wissenschaft. 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

• www.dieterbritz.dk – Wissenschaftliche Literatur zu kalter Fusion.
• Fusion durch Feldionisation (Pyroelektrische Fusion). In: pro-physik.de
• 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
• www.lenr-canr.org - Website zu Förderung kalter Fusion.
• La fusion froide est mort, vive LENR! - Nicht zu technische Erklärung von LENR
• Das heisse Eisen der kalten Fusion

Einzelnachweise