Fuzja zimna i gorąca
To w końcu ta zimna fuzja jest czy jej nie ma? - mogłaby zapytać osoba z zewnątrz, ciekawa świata i nauki, ale niezbyt dokładnie wprowadzona w temat. Wszystko chyba przez to, że od czasu rewelacji Martina Fleischmanna i Stanleya Ponsa, którzy 25 lat temu ogłosili, że udało im się wytworzyć energię z syntezy jądrowej w "baterii" wypełnionej ciężką wodą z palladową katodą, przedstawiciele oficjalnej nauki nie orzekli twardo i jednomyślnie, że to humbug. Mimo iż wielu było wątpiących, sporo ośrodków badawczych podjęło i wciąż podejmuje próby zbudowania "zimnego" reaktora.
Doświadczenia obiecujące. Być może
Status "odkrycia" Fleischmanna i Ponsa nie jest do końca wyjaśniony. Podobnie niejasna jest prawda o dość głośnym w ostatnich latach kontynuatorze wątku "zimnej fuzji" - urządzeniu o nazwie Energy Catalyzer (E-Cat). Konstrukcja ta zbudowana została przez wynalazcę Andreę Rossiego (2) przy pomocy zespołu kierowanego przez Sergia Focardiego. Według twórców ma ona działać na zasadzie zimnej fuzji niklu i wodoru z wytworzeniem miedzi oraz z wydzieleniem energii cieplnej zamienianej następnie na energię elektryczną. Podczas każdej minuty działania reaktora o mocy 1 tys. watów (która spada po kilku minutach do 400), 292 gramy wody o temperaturze 20°C zmieniają się w parę o temperaturze 101°C. Urządzenie było kilkakrotnie demonstrowane publiczności, jednak twórcy nie zezwalają na niezależne badania.
Według portalu PhysOrg eksperymenty przeprowadzone od stycznia do kwietnia 2011 r. były błędne i nie pokazują faktycznego dowodu na zimną fuzję. Twórcy nie zezwolili na dodatkowe pomiary. Mimo to firma przedsiębiorczego "wynalazcy" prowadzi od listopada 2011 r. zapisy na zakup urządzeń.
Z drugiej jednak strony w maju 2013 r. grupa niezależnych ekspertów opublikowała w archiwum portalu arXiv raport o przeprowadzonych przez nich testach dwóch typów reaktorów E-Cat HT oraz E-Cat HT2 trwających odpowiednio 96 i 116 godzin. Sprawdzenia reaktora podjęli się jak najbardziej poważni naukowcy - fizycy z Uniwersytetu Bolońskiego Giuseppe Levi i Evelyn Foschi, Torbjörn Hartman z Laboratorium Svedberg, fizyk jądrowy Bo Höistad, Roland Pettersson z Uniwersytetu w Uppsali oraz Hanno Essén z Królewskiego Instytutu Technologicznego w Sztokholmie. Testy przeprowadzali w laboratoriach Rossiego we Włoszech od grudnia 2012 r. do marca 2013 r. Pomiary wykazały produkcję energii cieplnej w ilości wykraczającej co najmniej o jeden rząd wielkości poza możliwości jakichkolwiek znanych chemicznych źródeł energii. Czyżby więc…?
Naukowcy na całym świecie są podzieleni. Większość nie wierzy, że taka reakcja w ogóle jest możliwa. W ciągu dwóch lat nikomu nie udało się jednak wykazać Włochom oszustwa.
Wkrótce międzynarodowy zespół naukowy ma podjąć się kolejnych szczegółowych badań nad E-Cat. Powinny zakończyć się w marcu, a wkrótce potem ukaże się pierwsza praca naukowa z prawdziwego zdarzenia na temat wynalazku Rossiego. W każdym razie amerykańska firma Cherokee Investment Partners chce teraz zainwestować w urządzenie Rossiego i wprowadzić je na rynki chiński i amerykański.
Włoski pomysł na zimną fuzję jest w ostatnich latach najgłośniejszy. Były oczywiście inne próby udowodnienia jej wykonalności. Ogłoszona w 2005 r. przez grupę fizyków z University of California, Los Angeles metoda polega na szybkim podgrzewaniu kryształu o własnościach piroelektrycznych (wytwarza pole elektryczne podczas podgrzewania). W opisanym doświadczeniu podgrzewano z jednej strony kryształ w zakresie temperatur od -34 do 7°C. W wyniku tego między końcami kryształu powstało pole elektryczne o wartości natężenia rzędu 25 GV/m przyspieszające jony deuteru, które zderzały się ze spoczywającymi jonami deuteru. Zmierzona energia jonów dochodziła do 100 keV, co odpowiada osiągnięciu temperatury wystarczającej do zajścia fuzji. Eksperymentatorzy zaobserwowali neutrony o energii 2,45 MeV, będące dowodem fuzji. Skala zjawiska nie jest tak duża, by można je było wykorzystać do celów energetycznych, umożliwia jednak konstrukcję miniaturowego źródła neutronów. W 2006 r. efekt ten potwierdzono na Rensselaer Polytechnic Institute.
Media informowały, iż w maju 2008 r. Yoshiaki Arata (3), profesor fizyki z Uniwersytetu Osaka w Japonii, przeprowadził udany i powtarzalny eksperyment, w którym wykazano, iż po wystawieniu proszku palladowego i tlenku cyrkonu na działanie deuteru pod wysokim ciśnieniem, w układzie dochodzi do powstania dodatkowego ciepła (w stosunku do próby kontrolnej z lekkim wodorem). Jądra atomowe znajdujących się obok siebie atomów miałyby być na tyle blisko, aby stworzyć jądro atomu helu. Wielu naukowców powątpiewa jednak w jądrowe pochodzenie zaobserwowanego ciepła i porównuje to doświadczenie ze słynnym eksperymentem Fleischmanna i Ponsa z 1989 r.
Ujarzmić reakcje termojądrowe
Obecnie coraz więcej ośrodków naukowych, w tym NASA, donoszą o swoich eksperymentach z zimną fuzją. Kłopot polega na tym, że nikt nie potrafi wytłumaczyć mechanizmu reakcji zimnej fuzji, a powtarzane eksperymenty raz się udają, a raz nie.
"Zwykłe" reakcje termojądrowe wymagają bardzo wysokich energii (np. ogromnych temperatur lub zderzania cząstek). Jądra atomów są naładowane dodatnio i, aby się połączyły, muszą pokonać siły elektrostatyczne opisywane przez prawo Coulomba. Niezbędnym warunkiem do tego jest prędkość (energia kinetyczna) jąder. Wysoką energię jąder uzyskuje się w bardzo wysokich temperaturach lub rozpędzając jądra w akceleratorach cząstek. Do takiej reakcji dochodzi w gwiazdach lub podczas wybuchu bomby wodorowej. W obu tych przypadkach reakcje zachodzące w ogromnych temperaturach (nie przypadkiem więc zwanych "termo" jądrowymi) nie są przez nas kontrolowane. Od dekad trwają jednak wysiłki zmierzające do przeprowadzenia tego procesu w opanowanych i kontrolowanych warunkach, na podobieństwo ujarzmionej energii rozbicia atomu.
W wyniku reakcji egzotermicznej wydzielona zostaje energia. W pojedynczym cyklu tworzenia jednego jądra helu z czterech protonów emitowane jest 26,7 MeV w postaci energii kinetycznej produktów reakcji i promieniowania gamma (4). Ta zostaje rozproszona na otaczających atomach i przekształca się w energię cieplną. Energię wydzielającą się podczas reakcji można wyznaczyć bez przeprowadzania reakcji na podstawie deficytu masy, czyli różnicy mas składników i produktów reakcji.
Cykl wodorowy, o którym najczęściej mówimy w kontekście syntezy termojądrowej, nie jest jedynym typem fuzji. W bardziej masywnych, gorętszych gwiazdach niż Słońce zachodzi synteza węglowo-azotowo-tlenowa, w której powstaje prawie tyle samo energii co w cyklu wodorowym. Znane są też fuzje cięższych pierwiastków, w olbrzymach i nadolbrzymach, zaś w wybuchu supernowych powstają nawet jądra cięższe od niklu.
Fuzje jądrowe znane nauce są, jak widać, różne, jednak zawsze chodzi w nich o wielkie energie i temperatury rzędu milionów stopni Kelvina. Natomiast zimna fuzja opiera się na procesach nauce nieznanych, a przynajmniej nieopisanych dokładnie i niesprawdzonych. Właśnie o sprawdzenie i to wielokrotne, aż do uzyskania stuprocentowej powtarzalności, sceptykom chodzi najbardziej.
Badacze z kalifornijskiego Lawrence Livermore National Laboratory poinformowali w lutym tego roku, że podczas próby fuzji termojądrowej po raz pierwszy udało im się wytworzyć więcej energii z reakcji, niż wynosił wkład w zasilanie paliwa. Nie oznacza to wprawdzie, że zaczniemy teraz budować elektrownie termojądrowe, ale z pewnością jest to ważny przełom, o którym doniosło czasopismo "Nature". Drobina paliwa składającego się z izotopów wodoru, deuteru i trytu, wytworzyła 17 tys. dżuli energii. To więcej niż pobrała, choć - co niestety znacznie pogarsza bilans - do paliwa trafił zaledwie jeden procent całej zużywanej w eksperymencie energii. I ta informacja z pewnością znacznie powściąga rodzący się entuzjazm.
W kalifornijskim laboratorium zwanym też National Ignition Facility pracuje laser o mocy 350 trylionów watów (5). Jego zadaniem jest rozpalenie izotopów wodoru do temperatury reakcji termojądrowej. Superlaser jest tak naprawdę wiązką 192 promieni laserowych, przyspieszanych w akceleratorach.
Jeśli myślimy o kontrolowanej fuzji termojądrowej, jednym z problemów do rozwiązania jest panowanie nad wytworzoną supergorącą plazmą (6). Naukowcy pracujący w Narodowym Laboratorium Sandia przeprowadzili eksperymenty ze znanymi od XIX w. cewkami Helmholza, które wytwarzają pole magnetyczne podczas przepływu prądu. Gdy utworzyli dodatkowe pole magnetyczne obok głównego, okazało się, że znacznie wolniej tworzą się stany niestabilności, które są jedną z głównych przeszkód na drodze utrzymania reakcji syntezy termojądrowej.
Niestabilności tego rodzaju, znane jako efekty Rayleigha-Taylora, podczas prób "schwytania" rozgrzanej do gigantycznych temperatur plazmy w urządzeniach typu tokamak (do przeprowadzania kontrolowanej reakcji termojądrowej), prowadziły dotychczas nieuchronnie do utraty stabilności pola i w efekcie do "rozlania się" plazmy. Naukowcy z Sandia zaobserwowali, że utworzenie dodatkowego pola w cewkach niweluje te niestabilności. Naukowcy, pisząc o swoim odkryciu w czasopiśmie "Physical Review Letters", przyznają, że nie do końca rozumieją zjawisko, ale mają nadzieję, że dalsze studia pozwolą im opracować technologię umożliwiającą stabilność plazmy, a w efekcie utrzymanie reakcji termojądrowej przez czas znacznie dłuższy niż obecnie.
Nauka podwójnie bezradna
Nauka, jak na razie, jest podwójnie bezradna w kwestii syntezy termojądrowej i perspektyw korzystania z niej jako dającego się opanować źródła energii. Z jednej strony niezbyt jasno wypowiada się o zimnej fuzji, przez co nie wiemy, czy wiązać z nią jakieś nadzieje, czy odłożyć do gabinetu osobliwości. Z drugiej - od dziesięcioleci nie umie opanować żywiołu gorącej syntezy. Może jednak ta bezradność jest tylko pozorna i już wkrótce będziemy mieć rozpracowane oba tematy? Mamy zatem do wyboru nie wiadomo co - czyli fuzję "zimną", oraz "gorącą", którą z kolei nie wiadomo, jak przeprowadzić, aby przyniosła pokojowy pożytek.
