Kernfusion mit Bläschen

Wissenschaftlerstreit über ein Experiment, bei dem mit Schalldruck in einer Flüssigkeit Bläschen erzeugt werden, die eine nukleare Verschmelzung bewirken sollen

In einem vorab online von Science veröffentlichten Artikel berichten Wissenschaftler vom Oak Ridge National Laboratory und vom Rensselaer Polytechnic Institute von einem erstaunlichen Experiment. Das Team um Rusi Taleyarkhan glaubt, durch die aus implodierenden Bläschen entstehende Hitze eine Kernfusion bewirkt zu haben. Dabei habe sich in der Flüssigkeit, die das Isotop Deuterium enthielt, ein größerer Anteil von Tritium-Verbindungen gefunden, die durch Verschmelzung von zwei Deuterium-Kernen entstehen. Doch selbst Kollegen am Oak Ridge National Laboratory bezweifeln dies, und Science-Chefredakteur Kennedy räsoniert in einem Editorial, ob man einen solchen Bericht überhaupt hätte publizieren sollen. Dabei muss er natürlich beim Ja landen, wenn es um die Quote geht.

Aufnahme einer typischen Plasmaentladung im ASDEX-Upgrade. Bild: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

Kernverschmelzung findet nur in einem Plasma bei extrem hohen Temperaturen und Drücken statt. Dabei wird Energie freigesetzt. Bei einer Wasserstoffbombe wird der notwendige Druck durch die Zündung einer kleineren Bombe geschaffen, wodurch der Reaktionsprozess startet. Für die Erzeugung von Energie in einem Kernfusionskraftwerk, beispielsweise in dem des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik in Garching, wird das Plasma, das etwa aus Deuterium- und Tritium-Tröpfen besteht, mit Laser oder Teilchenstrahlen beschossen und so komprimiert und aufgeheizt. Mit kleinen Explosionen verschmelzen die Deuterium- und Tritium-Kerne zu einem Helium-4-Kern und setzen dabei ein Neutron frei, das den Großteil der durch die Fusion entstandenen Energie enthält. Nötig sind dazu aber große Laser oder starke Magnetfelder, mit einem kleinen Behälter auf einem Laborschreibtisch ist dies bislang aber noch nicht gelungen.

Das aber wollen Rusi Taleyarkhan und Kollegen, wie sie in "Evidence for Nuclear Emissions During Acoustic Cavitation" (Science 295/2002) berichten, erreicht haben. Zugrunde liegt dem Experiment mit der "Bläschenfusion" das Phänomen der akustischen Kavitation, also durch Schallwellen in Flüssigkeiten erzeugten Bläschen, die sich ausdehnen und zusammenziehen. Unter bestimmten Bedingungen geben diese Bläschen, die sehr heiß werden und großen Druck erzeugen, beim Zusammenfallen Licht ab, was man Sonoluminszenz nennt. Die Wissenschaftler sind davon ausgegangen, dass diese Temperaturen und Drücke groß genug sind, um eine Kernfusion auszulösen (genauer zum Experiment und den physikalischen Hintergründen: Kernfusion in einer Gasblase).

versuchsanordnung. Bild: C. Slayden/Science

Um diese Hypothese zu überprüfen füllten sie in einen Zylinder Aceton. Die Wasserstoffatome wurden allerdings durch das schwerere Deuterium ersetzt, das ein zusätzliches Neutron besitzt. Dann setzten sie die Flüssigkeit Schallwellen aus und beschossen sie gleichzeitig mit Neutronen, die die Aceton-Moleküle mit zusätzlicher Energie aufluden. Aus dem dadurch entstehenden Dampf bildeten sich Bläschen, die bis zu einem Millimeter groß wurden - größer als gewöhnlich: "Sie wuchsen zu Mammuts heran. Man kann sie wirklich sehen", sagte Taleyarkhan. Die bei der Implosion dieser Bläschen schließlich entstehende Hitze soll Deuterium-Atome zur Verschmelzung gebracht haben. Angeblich sollen nicht nur Helium-3-Kerne entstanden sein, sondern wurden auch bis zu einer Million Neutronen in der Sekunde mit einer Energie von 2,45 MeV abgegeben.

Bei Kontrollexperimenten mit Aceton ohne Deuterium, ohne akustische Wellen oder mit einer anderen Temperatur hätten sich weder eine Zunahme des Tritium-Anteils noch Neutronen erkennen lassen. Allerdings lässt die geringe, angeblich statistisch relevante Zunahme an Tritium nicht notwendig auf eine Kernfusion schließen. Dafür sprechen für die Wissenschaftler aber hydrodynamische Simulationen, die den beobachteten Daten entsprechen und aus denen sich hohe Temperaturen von bis zu 10 Millionen Grad Celsius ergeben würden, wie sie für eine Kernfusion notwendig wären.

Viele Kollegen bezweifeln nicht nur die Ergebnisse, Wissenschaftler von Oak Ridge haben, nachdem bekannt wurde, dass der Bericht bei Science eingereicht wird, das Experiment mit der Hilfe von Taleyarkhan auch wiederholt. Dabei konnten sie die Abgabe der Neutronen mit einem anderen Detektor und einem anderen Zählverfahren nicht nachweisen. Der Grund dafür ist noch unbekannt. Gefordert werden weitere Messungen. "Es gibt keinen Hinweis auf einen Austritt von Neutronen, der durch Fusion bedingt ist", dämpft Michael Saltmarsh, der zusammen mit Dan Shapira das Experiment wiederholt hat, die Hoffnungen. Nach den berechneten Tritium-Werten müssten beispielsweise die abgegebene Menge an Neutronen um das Zehnfache größer sein, gemessen wurde aber nur eine Zunahme von 1 Prozent. Die zusätzlichen Neutronen könnten etwa von den Neutronen abstammen, mit denen die Flüssigkeit beschossen wurde. Taleyarkhan et. al. haben in einer Entgegnung versucht, die Daten und den Bericht von Shapira und Saltmarsh zu widerlegen. Diese hätten vornehmlich den eingesetzten Detektor falsch bewertet. Überdies, so kritisieren sie, sei deren Bericht, ohne durch den Prozess des Peer Review zu laufen, weit herum gereicht worden, so dass manche an der Gültigkeit ihrer Ergebnisse zweifeln würden, bevor noch ihr Bericht erschienen ist. Dieses Verhalten sei "sehr unprofessionell".

Zwischen den Wissenschaftlern hat sich eine rege Diskussion ergeben, doch schon zuvor hatten offenbar Mitarbeiter von Oak Ridge versucht, den Artikel von Taleyarkhan wieder zurückzuziehen oder zumindest erst später erscheinen zu lassen, da man Bedenken hatte. Andere Wissenschaftler schrieben an Science und forderten, dass auch der Bericht über das zweite Experiment mit veröffentlicht werden müsste. Sie erinnerten an den Vorfall, als Wissenschaftler 1989 glaubten, eine Möglichkeit der "kalten Fusion" entdeckt zu haben. Das rief viel Aufsehen hervor, stellte sich dann aber als Flop heraus. Robert Park von der American Physical Association kritisierte ebenfalls die Veröffentlichung:

Die von Taleyarkhan möglicherweise entdeckte Kernfusion hat überigens nichts mit der kalten Fusion zu tun, die einen ganzen anderen Mechanismus voraussetzt als die entsprechenden Drücke und Temperaturen, die bekannterweise Kernfusion bewirken, auch wenn dies bislang nur in anderen Größenordnungen möglich ist.

Donald Kennedy, der Chefredakteur von Science, zieht sich angesichts der Kritik auf die Position zurück, dass eine Veröffentlichung für Science lediglich von Wissenschaftlern überprüft (peer review) werde, was nicht bedeute, dass jede Behauptung tatsächlich auf wiederholbaren Bedingungen beruhen müsse. Man wollte sich auf jeden Fall nichts entgehen lassen. Die Aufmerksamkeit war schon vor der Veröffentlichung in den Wissenschaftlerkreisen groß und dürfte jetzt ziemlich sicher zu einem Medienerfolg führen, der Science weltweit Aufmerksamkeit, wenn auch nicht notwendigerweise Anerkennung von der scientific community verschaffen wird.

Nach Kennedy wurde den Wissenschaftlern nur nahe gelegt, dass sie in ihrem Science-Artikel auch auf die Tests verweisen sollen, die ihre Ergebnisse widerlegen. Das ist auch geschehen. Warum man aber, nachdem man sowieso weitere Kommentare und ergänzende Texte mit veröffentlicht hat, nicht auch ausnahmsweise in einem solchen Fall den Bericht von Shapira und Saltmarsh mit aufgenommen hat, begründet der Chefredakteur nicht, sondern versichert nur, dass er sich sicher sei, dass die Veröffentlichung die richtige Entscheidung gewesen sei. Die Frage "To Publish or Not to Publish", die er als Titel des Editorials gewählt hat, dürfte also neben der wissenschaftlichen Bedeutung des beschriebenen Experiments noch für weiteren Zündstoff sorgen.

Und auch wenn tatsächlich auf dem Schreibtisch auf diese Weise eine Kernfusion bewirkt werden kann, ist noch keineswegs sicher, dass diese irgendeine praktische Bedeutung haben wird.

http://www.heise.de/tp/artikel/12/12014/1.html