Dienstag, Juni 24, 2014

Cold Fusion Fatamorgane oder Fakt

Cold Fusion (LENR) als wissenschaftliches Problem

Im Jahr 1989 gab es neben den Revolutionen in Osteuropa eine Beobachtung von Pones und Fleischmann, die weit über das Datum hinausreichen könnte. An einer Palladium Kathode entstand überschüssige Energie bei der vermuteten Verschmelzung von Deuterium. Diese Beobachtung wurde am 23. März 1989 in einer Pressekonferenz bekanntgegeben. 

Warum ist diese Beobachtung von so großer Bedeutung

Spätestens seit den Abwürfen der Atombomben ist jedermann bekannt, dass die Kernenergie extrem große Energie freisetzten kann aber auch zerstörerisch wirken kann. Im Rahmen "Atoms for Peace" wurde mit dem Bau von Kernreaktoren erfolgreich versucht, aus Uran Energie in großer Menge zu produzieren. Letztendlich hat diese Technologie erhebliche Nebenwirkungen, insbesondere entstehen langlebige, radioaktive Substanzen (Endlagerproblem), der Reaktor kann schmelzen (Super-GAU) und die Technologie ist prinzipiell für die Entwicklung von Kernwaffen geeignet (Proliferation). Daher wurde der Ausbau der Kernenergie in Form von Kernspaltung weltweit praktisch eingestellt.

Der Wendelstein Fusionsreaktor in Garching, an dem ich in meiner Jugend auch einige Kabel gezogen habe.
Die Energie der Atomkerne kann aber auch durch verschmelzen von Wasserstoff, genauer gesagt Deuterium, einem Isotop von Wasserstoff, erfolgen. Das Abfallprodukt ist Helium, ein völlig harmloses Gas. Diesen Weg versucht man seit über fünfzig Jahren in der Kernfusion zu gehen, leider bisher ohne sichtbaren Erfolg. Die wesentlichen Probleme liegen dabei in der extrem hohen Temperatur, mehrere 10 Millionen Grad Celsius, den aufwendigen Reaktorbau mit erheblichen Problemen durch Neutronen und damit Radioaktivität sowie Probleme die Energie, wenn sie denn entsteht, abzuführen.

Der absolute Königsweg wäre ein Katalysator, der zwei Deuteriumatome zu Helium verschmilzt, dabei Wärmeenergie abgibt, aber keine radioaktive Strahlung emittiert. Genau das wäre Kalte Kernfusion, die perfekte Energiequelle. Da Deuterium in sehr großere Menge in normalem Wasser vorkommt, gibt es nach menschlichen Maßstäben keinerlei Resourcenproblem, kein Abfallproblem, keine Größenbeschränkung der Reaktoren, diese könnten von wenigen Watt bis Gigawatt reichen, mithin die perfekte Energiequelle!
Mit einer derartigen Energiequelle wären alle klassischen Energiequellen, von Kohle über Öl aber auch Wind- und Solarenergie nicht mehr notwendig. Inklusive der Infrastruktur wie Stromnetze, Tankstellen, Speicher und ähnliches. 

Das Beobachtungsproblem

Die moderne Wissenschaft arbeitet nach einem einfachen Prinzip, jemand macht eine Entdeckung, veröffentlicht diese Entdeckung, andere bauen das Experiment nach und bestätigen oder wiederlegen die Beobachtung. Im Fall der kalten Kernfusion ist der Ablauf leider schwieriger. Das liegt zum einem daran, dass die Wissenschaftler Pones und Fleischmann zunächst nicht den klassischen Weg der Publikation gegangen sind, da ihnen die Meldung zu wichtig erschien, haben sie den Weg der Pressekonferenz gewählt. Das hat nicht bei wenigen den Geschmack des Unseriösen hinterlassen.

In der zweiten Phase, dem Überprüfen des Experiments gab es dann weitgehend einstimmig die Meinung, der Vorgang ist so nicht reproduzierbar. Es fehlt an der, zumindest damals, erwarteten Neutronenstrahlung und insbesondere der Wärmeentwicklung. Innerhalb weniger Monate war das Thema damit erledigt und könnte eigentlich im Archiv der Wissenschaftsgeschichte verschwinden.

Als besonders problematisch muss man bewerten, dass das Department of Energy (DOE) noch im Herbst 1989 in einem Bericht [1] eine weitere starke Förderung der Untersuchungen nicht empfiehlt, insbesondere, da keine radioaktive Strahlung gefunden wurde. Obwohl offensichtlich mehrere Experimente eine Wärmeentwicklung hatten, konnten die dazu passenden Reaktionsprodukte, insbesondere Neutronen und Gammastrahlen, nicht gefunden werden.

Es liegt damit ein tückisches Problem der Wissenschaft vor, einerseits kann man niemals ein Experiment widerlegen, nur indem man es nicht selbst reproduzieren kann, sondern nur zeigen, dass man es nicht reproduzieren kann. Das entspricht, in einer Abwandlung, dem Popperschen Prinzip, dass man eine Theorie zwar falsifizieren aber nicht verifizieren kann.

Warum Kalte Kernfusion unmöglich sein sollte

Die Kernphysik und die Festkörperphysik, beide basierend auf der Quantenmechanik, sind weit entwickelte Theorien der Physik. 
Für die Beurteilung der kalten Kernfusion spielen dabei folgende Tatsachen eine wichtige Rolle.
  1. Atomkerne sind positiv geladen und stoßen sich daher ab. Für eine Fusion muss diese Abstoßung überwunden werden, dazu ist eine Energie notwendig, die einer Temperatur von etwa 100 Millionen Grad entspricht. 
  2. Bei einer Fusion von Deuterium zu Helium entsteht eine Energie von 27 MeV, die als Gammastrahlung frei werden sollte. Eine derartige Strahlung wurde nie beobachtet.
  3. Chemische Katalysatoren können die Energiebarriere absenken, allerdings liegen die Änderungen im Bereich der chemischen Bindungskräfte, diese sind millionenfach kleiner als die Kernkräfte.
Das Verhalten der Materie, insbesonderes in Kristallen, ist alles andere als einfach zu verstehen. Immer wieder tauchen Effekte auf, mit denen Physiker nicht gerechnet haben. Als zwei Beispiele seinen der Mößbauer-Effekt und die Entdeckung der Hochtemperatur Supraleiter genannt. Beim Mößbauer-Effekt gibt der Atomkern bei einem Gammazerfall den Impuls direkt an das Kristallgitter ab, erwartet hätte man, dass der Atomkern davon fliegt. Überraschenderweise konnte Rudolf Mößbauer, der Entdecker des Effekts, eine theoretische Beschreibung finden, die den Effekt erklärt. 
Hochtemperatur Supraleiter sind weit oberhalb der Temperatur, die theoretisch das Limit der bekannten BCS-Theorie erlaubt, ohne elektrischen Widerstand. Der genaue Grund ist immer noch nicht vollständig geklärt.

Beobachtete Fakten

Heliumentwicklung

Bemerkenswerterweise beginnt die Beobachtung der Kalten Fusion bereits im Jahre 1926! Die deutschen Wissenschaftler Fritz Paneth und Kurt Peters berichten über die Verwandlung von Wasserstoff unter Zuhilfenahme eines Palladium-Katalysators zu Helium [3]. Dabei gehen sie sehr genau auf mögliche Fehlerquellen ein und berechnen auch die Wärmeentwicklung. Zudem untersuchen sie, ob es zu radioaktiver Strahlung kommt, die jedoch nicht erfolgreich nachgewiesen wird. Es sei angemerkt, dass dies noch vor der Etablierung der Quantenmechanik geschah. Aufgrund der geringen Heliummenge, 10E-7 cm³, wird eine wirtschaftliche Umsetzung zur Helium-Produktion nicht weiter verfolgt. Dieser Artikel ist insofern unverfänglich, da er offensichtlich keine Interessen, außer reiner wissenschaftlicher Berichterstattung, enthält.

Wärmeentwicklung

Lässt man das Experiment von Pones und Fleischmann zunächst unberücksichtigt, so finden sich in der Literatur zahlreiche Hinweise, dass es an Palladium-Kathoden zusammen mit Deuterium eine ungewöhnliche Wärmeentwicklung gibt, ich zitiere aus dem Bericht der Europäischen Kommission:
"The main task was to demonstrate, on the basis of signals well above the measurement uncertainties and with a cross check, the existence of the excess of heat production during electrochemical loading of deuterium in palladium cathodes. The target was achieved and the existence of the effect is no longer in doubt." [2] Hervorhebung vom Autor.
Diese Aussage ist schon sehr bemerkenswert, insbesondere scheint klar zu sein, dass es definitiv eine Wärmeentwicklung gibt. Der Grund für die Wärmeentwicklung kann aber aufgrund der Wärmemenge nur nuklearen Ursprungs sein.

Materialauswurf

Das Auftreten von Materialauswürfen in Palladium, das mit Deuterium geladen wird, ist eine weitere, merkwürdige Beobachtung [4]. Untersucht man unter dem Elektronenmikroskop eine Palladium-Kathode, wie es Jacques Ruer durchgeführt hat, an der es zu ungewöhnlicher Wärmeentwicklung kam, sieht man eindeutig kleine Krater. Siehe Bild.
Mikrokrater auf einer Palladiumoberfläche nach Kalter Kernfusion [4]
Wie diese Krater genau entstehen ist unklar, eine Abschätzung in seinem Artikel geht aber von punktuell hohen Temperaturen, bis zu 20.000°C aus. Es fällt sehr schwer, sich einen Effekt vorzustellen, der durch einfache chemische Reaktion eine derartige Energiedichte hat. 

Neutronen

Die Beobachtung von Neutronen ist ein notorisch schwieriges Problem, da Neutronen neutral sind und daher keine Ionisierung verursachen. Will man daher Neutronen beobachten, muss man eine Kernreaktion der Neutronen beobachten. Beispielsweise ein Kohlenstoff-12 Kern, der nach Einfang eines Neutrons in drei Alfa-Teilchen zerfällt. Dafür gibt es spezielle Detektorsubstanzen, etwa CR-39. 
Nachweis von Neutronen bei der Kalten Kernfusion, Quelle: P.A. Mosier Boss [5]
P.A. Mosier-Boss hat einen CR-39 Detektor an einer Palladium Kathode montiert und nach zwei Wochen mehrere Neutronen mit einer Energie oberhalb von 9,6 MeV beobachtet. Das kann man in der obigen Grafik erkennen: Man sieht immer einen Punkt, aus dem drei "Ausbuchtungen" hervorgehen, das sind die drei Alfa-Teilchen. Die beiden linken Spalten kommen aus einem Experiment mit Kalter Kernfusion, die rechten zwei Spalten zeigen die gleiche Detektorsubstanz, die in einem Beschleuniger Neutronen gemessen hat. Offensichtlich ist kein Unterschied zu erkennen, damit gibt es Neutronen bei der Kalten Kernfusion. Allerdings ist der Neutronenfluss extrem gering, es muss sich um einen Nebenzweig der Reaktion handeln.

Probleme für die Physik

Folgt man den bisherigen Beobachtungen, und es fällt mir sehr schwer, all diese Experimente mit dem schlichten Wort "Betrug" abzutun, so gibt es offensichtlich ein Phänomen, das aktuell nicht verstanden wird.
 Dies ist in der Physik keineswegs ungewöhnlich, wie bereits angedeutet, auch die Hochtemperatur Supraleitung (HTSC), oder die genaue Arbeitsweise einer Lithiumbatterie sind nicht vollständig verstanden. Bemerkenswert ist der überraschende Widerstand der Wissenschaftler gegenüber dieser Entdeckung. Warum werden von nature und Science keine Paper angenommen, die sich mit der Kalten Kernfusion beschäftigen und positive Resultate liefern? Negative Resultate werden regelmäßig angenommen.
Für ein Forschungsprogramm wäre es wichtig, die zentrale Frage, wie läuft die Reaktion genau ab, zu klären. Mit den heutigen technischen Ressourcen, man war in der Lage das Higgs Teilchen nachzuweisen, fällt es mir sehr schwer zu glauben, dass dies nicht rasch gelingen könnte wenn man nur will. 
Es gibt inzwischen einige gute theoretische Ansätze, etwa von Peter Hagelstein am MIT, der versucht die Energieübergabe von 27 MeV an das Kristallgitter zu klären. Wer sich dafür interessiert, kann das MIT Colloquium Cold Fusion/LENR IAP im Internet ansehen (Man beachte die Rednerliste).

Konsequenzen

Bei der Durchsicht der Rohstoffpreise ist mir aufgefallen, dass der Palladiumpreis seit einiger Zeit unabhängig vom Gold- und Platinpreis ansteigt. Als Erklärung war ich auf die Kalte Kernfusion gestoßen. Siehe Blogbeitrag.
Als sehr skeptischer Wissenschaftler habe ich dann einige mir zugängliche Papers zum Thema gelesen und bin inzwischen überzeugt, das das Phänomen der Low Temperatur Nuklear Reaction (LTNR) existiert. 
Dies bedeutet aber, dass die Energieversorgung möglicherweise in Kürze eine völlig andere Richtung nehmen kann, als alle bisher geglaubt haben. 
Ich will an dieser Stelle bewusst keine zu große Euphorie streuen, da viele Aspekte unklar sind:
Kann man preiswerte Palladiumreaktoren bauen?
Wird der Katalysator so rasch zerstört, Kraterbildung, dass ein Einsatz letztendlich unwirtschaftlich ist?
Gibt es Unternehmen, die bewusst die Entwicklung der Kalten Fusion bremsen?

Offensichtlich gibt es einen massiven Forschungsbedarf, da viele Fragen offen sind und der potentielle Nutzen beim Gelingen fast unermesslich wäre.

Hinweis:
Wer gegenteiliger Meinung ist, kann den Beitrag des öffentlich finanzierten Deutschlandfunks lesen. Sie finden den Artikel hier. Dort werden erstaunlicherweise im Jahr 2014 im wesentlichen nur Informationen aus dem Jahr 1989 zitiert, warum man nicht auf den aktuellen Forschungsstand eingeht, bleibt für mich ein Rätsel.

Quellen: 

[2] Europäische Kommission, Materials for Emerging Energy Technologies, 2012, Seite 23.
[3] Fritz Paneth and Kurt Peters (1926). "Über die Verwandlung von Wasserstoff in Helium". Naturwissenschaften 14 (43): 956–962.
[4] Jacques Ruer, Simulation of Crater Formation on LENR Cathodes Surfaces, J. Condensed Matter Nucl. Sci. 12 (2013) 54–68

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