Zostań w domu, zamów taniej!
Nie wychodź z domu i zamów online swoje ulubione pisma 20% taniej. Skorzystaj z kodu rabatowego: czytajwdomu

Energia, która czeka na wydobycie z atomowych struktur

Energia, która czeka na wydobycie z atomowych struktur
Fizyka orzekła wprawdzie, że sławetnej "zimnej fuzji", w sensie ścisłym, nie ma. Jednak z kolejnych, w tym całkiem niedawnych eksperymentów wynika, że "coś tam ciekawego, na poziomie atomowym, się dzieje". I nawet jest z tego nadwyżka energii. Tylko co to jest?

Kilka miesięcy temu przez media przemknęła informacja o udanych eksperymentach NASA z fuzją w sieci krystalicznej w tym eksperymencie - stosunkowo mało znanego pierwiastka metalicznego o nazwie erb. Pod wysokim ciśnieniem do sieci tej wtłoczony został izotop wodoru, deuter. Sieć metaliczna zaczęła pękać. Powstaje środowisko sprzyjające pokonaniu elektrostatycznych barier kulombowskich pomiędzy jądrami deuteru. Czyli jesteśmy u progu syntezy tych jąder.

Potrzeba jednak jeszcze czegoś, a konkretnie jeszcze trochę energii. W eksperymencie przeprowadzono bombardowanie przyspieszonymi w akceleratorze elektronami wytrącającymi z bariery wolframowej fotony, kierowane następnie ku jądrom deuteru. Pod wpływem wysokoenergetycznych uderzeń fotonów jądra deuteru dzielą się na protony i neutrony, które w łańcuchowej reakcji uderzają kolejne jądra, które znów zyskują energię. Wszystko to w celu przełamania elektrostatycznych barier pomiędzy jądrami.

To wciąż za mało, by nastąpiła fuzja. W tym momencie zaczyna się magia sieci krystalicznej metalu, w której są przecież jeszcze elektrony, które tworzą warstwy neutralizujące odpychanie pomiędzy dodatnimi jądrami deuteru. To ostatecznie pozwala się zbliżyć do siebie normalnie odpychającym się jądrom i prowadzić do syntezy. Gdy łączą się dwa deuterony, powstaje albo proton i tryt, albo hel-3 i neutron. W tym drugim przypadku neutron może uderzyć w inny deuteron, rozpędzić go i podtrzymać reakcję.

Wyniki tych badań opublikowane zostały latem ubiegłego roku w czasopiśmie "Physical Review C". Autorzy zarzekają się, że to, co udało im się osiągnąć, nie jest "zimną fuzją". Jest to, jak piszą, jak najbardziej gorąca fuzja, ale, przynajmniej w fazie początkowej, zachodzi w niższej temperaturze i przy niższym ciśnieniu niż np. w znanych tokamakach. Jednak, jak relacjonowali naukowcy, próbki po eksperymentach były bardzo rozgrzane. Zatem byłaby to fuzja "zimna" w tym sensie, że przebiegająca w o wiele niższej temperaturze niż miliony stopni w reaktorach eksperymentalnych z magnetycznymi pułapkami na plazmę.

Fuzja niepotwierdzona - efekt pozostał

23 marca 1989 r. Stanley Pons i Martin Fleischmann (1) opublikowali głośny komunikat, że udało im się osiągnąć fuzję jądrową w próbówce z wodą o temperaturze pokojowej. Szaleństwo medialne, które potem zapanowało, było w pewnym stopniu wywołane nastrojami po katastrofie statku Exxon Valdez i w Czarnobylu. Świat bardzo liczył na alternatywne źródła energii. Niestety, inni naukowcy nie zdołali powtórzyć wyników Ponsa i Fleischmanna. Pojawiły się pytania, jak doszli do swoich wyników, skoro nikomu innemu się nie udało. Autorzy eksperymentu nie umieli odpowiedzieć w sposób, który by zadowalał naukowców.

1. Stanley Pons i Martin Fleischmann

Teoretycznie reguły fuzji termojądrowej są stosunkowo proste. Jest to proces, w którym jądra atomowe, zbudowane z protonów i neutronów, pokonują swoje naturalne elektrostatyczne odpychanie wynikające z prawa Coulomba, aby połączyć się w cięższe pierwiastki i uwolnić energię w tym procesie. Jądra trzeba "zmusić" do zbliżenia się do siebie na tyle blisko, aby oddziaływania silne pokonała siły elektrostatyczne. Jest to możliwe, o czym świadczy przykład naszego Słońca i innych gwiazd, gdzie synteza termojądrowa jest głównym mechanizmem generującym energię. Jednak, aby fuzja przebiegała tak jak wewnątrz Słońca, potrzebne jest ekstremalne gorąco i ciśnienie. Udało nam się te warunki stworzyć w bombach wodorowych, wykorzystując reakcję rozszczepienia jądrowego, czyli potężne źródło energii do inicjowania reakcji fuzji termojądrowej. Jednak energii wyzwalanej w wybuchach termonuklearnych nie kontrolujemy, a nie o to chodzi, przynajmniej tym, którzy myślą o syntezie jako alternatywie dla tradycyjnych paliw w energetyce.

Podejście Ponsa i Fleishmanna polegało na tym, aby wziąć trochę paliwa, takiego jak atomy deuteru, wprowadzić je do sieci metalowych atomów palladu (opisane na początku eksperymenty NASA nie są zasadniczo różne) za pomocą prądu elektrycznego. Sieć metaliczna ciasno upakowuje atomy paliwa, więc niektóre z nich są pobudzane do łączenia się. Przynajmniej taka była teoria. Naukowcy myśleli, że wykryli pewne produkty syntezy jądrowej i pospieszyli się z publikacją wyników. Trzeba było tę publikację wycofać, gdy okazało się, że ich wyniki nie mogą być wiarygodnie odtworzone.

Co więcej, nie wykryto żadnych produktów syntezy jądrowej. Reakcja deuter + deuter daje trzy możliwe wyniki: atomy wodoru i trytu, gdy neutron przenosi się z jednego z atomów deuteru do drugiego, neutrony i atomy helu-3, czyli skutek procesu, w którym proton i elektron przemieszczają się z jednego atomu do drugiego i w końcu hel-4 i promieniowanie gamma, co oznacza, że dwa atomy deuteru połączyły się i uwolniły pewne promieniowanie. Inni bada nie byli w stanie wykryć żadnego z produktów ubocznych tych reakcji fuzji ani promieniowania gamma. Nadwyżka energii, która według autorów słynnej pracy została wytworzona w eksperymencie, została później nazwana efektem Fleishmanna-Ponsa (FPE), ale powszechnie uznano to za błąd doświadczalny.

Dla jasności - fuzji nie odtworzono, ale wielu naukowców odtworzyło efekt FPE. W dodatku twierdzenie, że w tych reakcjach obserwuje się produkcję energii, nigdy nie zostało odrzucone przez naukowców, którzy badali zjawisko, choć dystansowali się od nieco kontrowersyjnego pojęcia "zimna fuzja".

W reakcjach tych, obecnie nazywanych niskoenergetycznymi reakcjami jądrowymi (LENR), obserwowana produkcja energii to np. 150 watów ze 100 watów włożonych. Jest to wynik wyższy, niż wynikałoby z wyjaśnienia czysto chemicznego. Uznaje się je zatem za reakcji jądrowe specyficznego, w dodatku nie do końca jeszcze poznanego typu.

Amerykański Departament Obrony wciąż zainteresowany

Znane są badania przeprowadzone w 2010 r. przez Edmunda Stormsa z laboratorium w Los Alamos, które wykazały produkcję nadwyżki cieplnej, przemiany pierwiastkowe i produkcję trytu, ale brak było innych produktów syntezy jądrowej, takich jak np. hel-4.

Główną siłą w Stanach Zjednoczonych, która stoi za ciągłym zainteresowaniem LENR, jest amerykański Departament Obrony, a w szczególności marynarka wojenna, która obecnie polega na dużych, drogich i niebezpiecznych reaktorach jądrowych jako źródle zasilania okrętów podwodnych i lotniskowców. W doświadczeniach przeprowadzanych w Centrum Wojny Kosmicznej i Morskiej (SPAWAR) w San Diego w Kalifornii wykazało powstawanie produktów syntezy jądrowej w eksperymentach z użyciem tej samej siatki palladowej, który była używana przez Ponsa i Fleischmanna.

Zastosowano w nich także specjalny rodzaj tworzywa sztucznego o nazwie CR-39, który może być używany do przechwytywania wyrzucanych cząstek subatomowych. Badacze przepuścili prąd elektryczny przez roztwór deuteru zawierający siatkę palladową z katodą złoto-niklową i wytworzyli reakcję. Analizując strukturę CR-39 za pomocą mikroskopu, ujrzeli "potrójne ślad" wskazujące na uwalnianie neutronów w reakcji (2).

2. Ślady zarejestrowane w tworzywie w eksperymentach SPAWAR

Pojawiła się teoria wychwytywania elektronów, która miałaby zachodzić wtedy, gdy oddziaływanie słabe prowadzi do przyciągania elektronu do jądra atomowego, łącząc elektron z protonem w celu utworzenia neutronu i neutrina. Zauważmy, że są to reakcje jądrowe, nie chemiczne. W przeprowadzonych eksperymentach, podobnie jak w reakcjach syntezy dochodziło do przeobrażania atomów niestabilnego izotopu węgla 11C w bardziej stabilny izotop boru 11B. Ponieważ wychwytywanie elektronów polega na przekształceniu niestabilnych izotopów w izotopy stabilne, naturalnie wiąże się to z jakąś formą uwalniania energii.

W swoich eksperymentach zespół SPAWAR wykazał emisję "miękkich" promieni rentgenowskich, które pochodzić miały z procesu wychwytywania elektronów. Wychwytywanie elektronów jest odwrotnością rozpadu neutronów, w którym neutron rozpada się spontanicznie na elektron, proton i neutrino. Eksperymenty te sugerują, że atomy deuteru przechwytują elektrony, aby przekształcić proton w neutron, co prowadzi do powstawania jąder z dwoma neutronami. Ponieważ dwa neutrony nie są w stanie zapewnić stabilności, jądro takie rozpada się, tworząc wolne neutrony, z których część jest wyrzucana z sieci metalicznej. Oprócz produkcji neutronów, w niektórych eksperymentach dochodzi do gwałtownej emisji ciepła, co było zauważalne w eksperymentach Ponsa i Fleischmanna. Uczestnik projektu SPAWAR, Stanisław Szpak, obliczył zysk energetyczny jednego z takich eksperymentów na 10 eV na jeden atom palladu. Efekty termiczne powodowały uszkodzenia instalacji.

Storms, na przykład, sugeruje, że nadmiar produkcji energii wymaga palladu wolnego od dużych pęknięć wewnętrznych i z gęstą regularną siatką metaliczną. Oznaczałoby to, że problem z odtwarzalnością wynika stąd, iż nadwyżka energii nie może być osiągnięty przy użyciu zwykłego palladu. Musi być to sieć odpowiednio przygotowana. Jego zdaniem osiąga się to przez "aktywowanie" palladu w procesie, który zakłada m.in. podgrzanie go do 900 stopni Celsjusza i powolne chłodzenie. Istotne są też rozmiary powstających w procesie szczelin oraz intensywność "pompowania" sieci deuterem.

Są to jednak już kwestie bardziej techniczne niż naukowe. Wydaje się, że jeśli uchwycimy i dobrze opiszemy zachodzące reakcje, zidentyfikujemy korzyść energetyczną, to uda się nam przygotować odpowiednie materiały i warunki do efektywnego przeprowadzania reakcji, która może nie jest "zimna", i być może nie jest wcale fuzją, ale energię produkuje w sposób wydajny w zadowalającym stopniu. NASA np. chciałaby zastosować tego rodzaju źródła energii w statkach kosmicznych (3).

3. Wizualizacja hipotetycznego napędu fuzyjnego NASA

Mirosław Usidus