Värmer Cold Fusion upp?

Femton år efter att de första kontroversiella påståendena slog upp rubrikerna vägrar kall fusion att dö. En liten grupp inbitna förespråkare hävdar att experiment nu ger konsekventa resultat. Fysiska etablissemanget fortsätter att håna, men vissa forskare som har tittat noga på fältet är övertygade om att något verkligt händer. Och nu har det amerikanska energidepartementet beslutat att de senaste resultaten motiverar en ny titt på kall fusion.

Fusion av kärnorna av väteatomer driver solen och lovar nästan obegränsad energi på jorden. Men fusion är utomordentligt svår att tämja eftersom kärnor kraftigt stöter bort varandra. Den enorma värmen och trycket inuti solen kan överväldiga denna repulsion, och termonukleära bomber kan uppnå dessa villkor, flyktigt, på jorden. Men att bygga en fusionsreaktor som kan omvandla den enorma värmen till användbar energi har inneburit en enorm utmaning. Efter årtionden av forskning kan de villkor som behövs för fusion fortfarande uppnås endast kort, och dessa experimentella fusionsreaktioner producerar mindre energi än vad som behövs för att antända dem.

Fysiker blev chockade när två elektrokemister vid University of Utah, Stanley Pons och Martin Fleischmann, 1989 hävdade att de hade uppnått kärnfusion vid rumstemperatur. Deras experiment packade deuterium - den stabila tunga isotopen av väte - i palladiumelektroder. Efter många timmars drift rapporterade de att mer värme genererades än en rent kemisk reaktion kunde ha producerat. Först såg det ut som att Pons och Fleischman kunde ha kommit på ett revolutionerande enkelt sätt att utnyttja fusionsenergi, och laboratorier runt om i världen skyndade sig att prova experimentet själva. Det enkla experimentet visade sig dock vara praktiskt taget omöjligt att reproducera, och inom några veckor skrev de flesta fysiker av kall fusion som ett misstag - ett experimentellt resultat som stred mot fysikens kända lagar.

Ändå lockade potentialen av gränslös energi ett gäng blivande revolutionärer som fortsatte att arbeta med problemet. Ofta hittade de ingenting. Men ibland verkade deras experiment producera mer energi än de förväntade sig från kemiska reaktioner; vid andra tillfällen upptäckte de spår av potentiella fusionsreaktionsprodukter, vilket tyder på att några tidigare okända fysiska effekter kan vara på väg.

Bevisen för ny fysik har byggts upp i flera år, säger Peter Hagelstein, docent i elektroteknik och datavetenskap vid MIT, som ledde den tionde internationella konferensen om kall fusion i Cambridge i augusti förra året. Experiment utförda under korrekt kontrollerade förhållanden producerar på ett tillförlitligt sätt mer värme än standardteorin förutspår. Kärnkraftsprodukter dyker upp i ungefär rätt mängder för att stå för denna överskottsvärme. Mönster har dykt upp som förklarar tidigare anomalier. När Hagelstein såg hur pusselbitarna passade ihop vid mötet i augusti uppmanade han energidepartementet att ompröva ett område som hade kastats ur ortodox vetenskap strax efter dess födelse.

Under de senaste 15 åren har entusiaster skapat cirka 3 000 manuskript om kall fusion, men mycket få har någonsin publicerats i vetenskapliga tidskrifter. Många resultat avdunstade under extern undersökning, och promotorer drev gratis energisystem som lät mer som evig rörelse än fysik. De flesta av dessa manuskript är inte till hjälp, säger Hagelstein, en teoretiker med breda intressen för optik, energi och kärnfysik. Men ett 50-tal visar intressanta, reproducerbara effekter. Värmeeffekten har replikerats många gånger, Hagelstein. Det fungerar bara när deuterium laddas i palladiumceller, och aldrig när normalt väte används istället för den tunga isotopen. Exakta mätningar med värmemätinstrument har besvarat kritiken av de ursprungliga experimenten. Överskottsvärme har uppmätts bortom vad Hagelstein anser vara rimligt tvivel.

Experiment som producerar överskottsvärme har också gett helium-4, en potentiell produkt av fusionen av två deuteriumkärnor, i mängder som korrelerar med överskottsvärmen. Teorin förutspår att fusionsreaktionen skulle generera 24 miljoner elektronvolt (MeV) energi per helium-4 kärna. En analys av Michael McKubre från SRI International upptäckte energi på 31 MeV - en matchning inom den experimentella osäkerheten på plus eller minus 13 MeV. Skeptiker hade tvivlat på att reaktionen var möjlig, men Hagelstein säger att McKubres analys av experimenten, som rapporterades vid förra årets kall fusionsmöte, visar att fusion av två deuterium för att ge helium-4 inte är så nötaktig som den från början verkade.

McKubre har också funnit att den till synes inkonsekvens i experimentell värmeproduktion uppstod från skillnader i mängden deuterium som packats in i palladiumelektroden. Närhelst antalet deuteriumatomer som laddats in i metallen matchade eller översteg antalet palladiumatomer, genererades överskottsvärme. Palladium laddat med något mindre deuterium gav inkonsekventa resultat, och om deuteriumnivån minskades med en stor mängd, producerades ingen överskottsvärme alls. Deuteriumbelastningen var svår att kontrollera och begränsad av metallens styrka. Tyvärr är palladiumstyrkan svår att förutsäga eller kontrollera, och förbättras inte genom rening; faktiskt, det renaste palladiumet sprack vid lägre belastningar, och den högsta styrkan sågs endast i en oren sats.

De växande bevisen har övertygat fusionsfysikern George Miley från University of Illinois i Urbana-Champaign om att det finns viktiga fysiska fenomen. Skeptiker ändrar sig inte, men han tror att tidigare neutrala observatörer blir mer mottagliga för möjligheten att ett verkligt fenomen inträffar i dessa experiment. Men även om forskare om kall fusion har gått från att tro att de luktar rök till att känna värme, är det fortfarande inte klart vad som verkligen händer. Detta fält leds experimentellt. Vi måste få teorierna fram till var de börjar hjälpa till att leda experimenten, säger Miley.

Utmaningen för teoretiker som Hagelstein är att fylla gapet mellan traditionell kärnkraftsteori och kalla fusionsexperiment. Han misstänker att svårigheten ligger i en mycket kraftfull approximation som ligger till grund för 70 år av kärnfysik - att all kärnväxelverkan sker mellan två partiklar i ett vakuum. Han tror att antagandet bryts ner i kall fusion, där de interagerande partiklarna är tätt packade i ett metallgitter. Hans idé är att deuteriumkärnorna utbyter vibrationsenergi, eller fononer, med de omgivande palladiumatomerna. Det utbytet skulle kunna förstärka nukleära interaktioner som annars skulle vara försvinnande små, så att reaktionerna kan ske med de hastigheter som antyds av experiment med kall fusion. Hagelsteins teori är fortfarande under utveckling, men når en punkt där han kan börja göra testbara förutsägelser - ett viktigt steg mot att göra kall fusion till en trovärdig vetenskap. Med tiden kommer vi förhoppningsvis att få mer av pusslet, säger han.

En positiv granskning av energidepartementet skulle öppna dörren till välbehövligt forskningsstöd, men stora frågor kvarstår även om fysikens verklighet kan fastställas. Är den kalla fusionseffekten stark nog att användas för praktisk energiproduktion? Om det är det, är det inte troligt att det kommer att konkurrera direkt med hot fusion, säger Miley, som arbetar på båda. Kallfusion fungerar i liten skala, så den kan hitta ett hem i små distribuerade kraftenheter. Hot fusions naturliga hem är inne i solen; om det kan kontrolleras på vår planet, skulle det finnas inne i stora reaktorer som matar in kraft i nätet.

Men de målen är långt borta. För nu hoppas det lilla samhället av forskare med kall fusion att det är på tröskeln till validering efter 15 års kamp.

Dölj