Zur Theorie der kalten Fusion

13.04.2004

Teil 3: Wurde die kalte Fusion abgelehnt, weil sie der herrschenden Lehrmeinung widerspricht?

In den letzten 15 Jahren sind derart viele experimentelle Daten vorgelegt worden, die darauf hindeuten, dass Kernreaktionen auch bei niedriger Energie stattfinden können, dass das US-Energieministerium eine Untersuchung versprochen hat. Diese Experimente und die Reaktion der Wissenschaft darauf sind Inhalt der ersten beiden Teile dieser Serie: Kalte Fusion wieder heiß und Die unerzählte Geschichte der kalten Fusion. Der vorliegende Teil fragt nach Gründen für die Ablehnung der Wissenschaft. Dem Forscher Edmund Storms zufolge liegen diese zu acht Prozent in Unzulänglichkeiten der Experimente und zu 90 Prozent in einem Konflikt der Beobachtungen mit der konventionellen Modellvorstellung.

Teil 2: Die unerzählte Geschichte der kalten Fusion

Der US-Bundesstaat Utah ist die Heimat der modernen Erforschung der kalten Fusion. An der Brigham Young University (BYU) begann diese bereits 1982. Die beiden Chemiker Dr. Martin Fleischmann und Dr. Stanley Pons haben 1984 an der University of Utah (UU) mit ihren Experimenten zur Spaltung schweren Wassers (mit Deuterium statt normalem Wasserstoff) durch Anlegung einer Spannung (Elektrolyse) begonnen.[1] Sie wollten überprüfen, ob sich dabei mehr Energie heraus holen lasse als rein gesteckt wurde, was sich durch die Entstehung von Überschusswärme äußern sollte. Als ihnen über die Jahre klar wurde, dass dies möglich ist, beschloss die Universität, dieses Verfahren patentieren zu lassen und dieses auf einer Pressekonferenz mitzuteilen. Patentanträge wurden am 21. März 1989 gestellt. Die Pressekonferenz fand zwei Tage später statt. Fleischmann zufolge waren "wirklich die Patentanträge" der Grund für die Pressekonferenz. Die Forschungsergebnisse sind erst am 10. April 1989 im Journal of Electroanalytical Chemistry veröffentlicht worden.[2]

Nach der Konferenz reagierte nicht nur die weltweite Presse schlagartig und schrieb von der "Lösung des Energieproblems". Da Fleischmann und Pons Kathoden aus dem wertvollen Palladium verwendet hatten, reagierte der Preis des Metalls in der Folge auf jede wissenschaftliche Äußerung wie der Ölpreis auf politische Äußerungen. Der Email-Austausch zweier Doktoranden am Massachusetts Institute of Technology (MIT), der interessanterweise online dokumentiert ist, lässt Einblicke in ein hysterisches Jahr 1989 zu.

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Jeff und Rich verfolgten die Nachrichten über die Debatte der kalten Fusion ganz genau, denn sie hatten Geld in Palladium angelegt. Am 17. April bat Jeff Rich um eine Übersetzung einer Meldung des italienischen Fernsehsenders RAI 1, italienische Wissenschaftler hätten die Fusion bei Raumtemperatur bestätigt. "Offenbar haben die Titan und Deuteriumgas benutzt und KEINE Elektrolyse", schrieb Jeff, "und übrigens, Du hast heute $5 gewonnen." Rich antwortete am selben Tag:

Die sagen die Idee für das Experiment kam aus der Frage 'ist wirklich Elektrizität nötig, um eine Interaktion zwischen Deuterium und einem Metall wie Palladium oder Titan zu realisieren?'... Warum Titan?

Tatsächlich hat ein Team vom Italienischen Nationallabor für Neue Technologien, Energie und die Umwelt (ENEA) zu besagtem Zeitpunkt ebenfalls auf einer Pressekonferenz über die Entdeckung von Fusionsprozessen bei Raumtemperatur berichtet, nachzulesen im Rückblick des beteiligten Plasmaforschers Prof. Franco Scaramuzzi.[3]

Chemiker gegen Physiker

Längst waren weltweit Versuche im Gange, das Fleischmann/Pons-Experiment zu wiederholen, eine gebotene Aufgabe der Wissenschaft, wenn - wie in diesem Fall - die vorgelegten Daten der etablierten Theorie widersprechen. Auch am MIT an der Ostküste wurde dieses versucht. Prof. Ronald Ballinger, Mitglied des 19-köpfigen MIT-Teams, sagte am 26. April 1989 während einer Anhörung des Ausschusses für Wissenschaft, Weltraum und Technologie des US-Repräsentantenhauses, er und seine Physiker-Kollegen seien "sehr frustriert" über die kommerzielle Art und Weise, wie die Chemiker in Utah mit ihren Forschungsergebnissen umgingen. Diese bedürften "großer Aufmerksamkeit" und wären - wenn wahr - ein "Durchbruch" mit "größter Bedeutung für die zukünftige Energieproduktion". Man selber und andere Teams hätten die Ergebnisse jedoch nicht reproduzieren können, "mit Ausnahme vielleicht der Ergebnisse aus Stanford, Europa und der UdSSR", die Ballinger jedoch nicht beurteilen könne. Die Fusionsbehauptung müsse als "nicht verifiziert" gelten, da Fleischmann/Pons Fusionsprodukte nicht in erwarteten Mengen gemessen oder berichtet hätten.[4]

Artikel im Boston Herald vom 1. Mai 1989

Für weiteren Vertrauensverlust sorgte ein Artikel auf Seite 1 des Boston Herald vom 1. Mai. Darin sagt Prof. Ronald Parker, damals Direktor des MIT-Plasma Fusion Center (heute PSFC), die Arbeit von Fleischmann/Pons sei "wissenschaftlicher Schund" und "vielleicht Betrug".[5] Am selben Tag fand eine Konferenz der Amerikanischen Physikalischen Gesellschaft (APS) statt. Palladium-Spekulant Jeff schrieb seinem Freund Rich am darauffolgenden Donnerstag:

Schlechte Nachricht: Ich bin sicher, Du hast von der APS-Konferenz am Montag gehört, wo mehrere Physiker behaupteten, die kalte Fusion widerlegt zu haben, und viele andere Skepsis ausdrückten... Gute Nachricht: Wir haben das vorausgesehen, weil ich letzten Donnerstag eine Rede von Dr. Ballinger gesehen habe... Mehr schlechte Nachrichten: Wir haben trotzdem $60 verloren... Mehr gute Nachrichten: Am Montag wird es eine Konferenz der ACS (Amerikanische Chemische Gesellschaft) geben. Ich habe gehört, dass dort mindestens ein halbes Dutzend Bestätigungen angekündigt werden. Stanford bleibt bei seiner bereits angekündigten Bestätigung und Texas A&M hat mitgeteilt, dass eine zweite Gruppe positive Resultate produziert hat. Wir hoffen auf einen Vorteil durch diese erwarteten guten Nachrichten (und für den derzeitigen niedrigen Palladium-Preis).

Meinungsumschwung in Wissenschaft und Öffentlichkeit

Obwohl einige Labore berichteten, den Fleischmann/Pons-Effekt reproduziert zu haben, wandelte sich wissenschaftliches wie öffentliches Interesse alsbald in Ablehnung. Das vom Chefredakteur des Wissenschaftsjournals Nature, John Maddox, schon im Juli 1989 prognostizierte "Ende der kalten Fusion"[6] goss der Abschlussbericht des Untersuchungsausschusses des US-Energieministeriums, ins Leben gerufen vom damaligen Präsidenten George Bush, im November 1989 in Zement[7]:

Manche Labore unterstützen, üblicherweise stoßweise, die Behauptung aus Utah einer Produktion von Überschusswärme, aber die meisten Labore berichten von negativen Resultaten. Die, die Überschusswärme behaupten, finden keine entsprechenden Mengen von Fusionsprodukten so wie Neutronen und Tritium, was die deutlichste Signatur von Fusion wäre. Manche Labore berichten von Tritium. In diesen Fällen werden jedoch keine sekundären oder andere primäre Teilchen gefunden, so dass die bekannten Deuterium-Fusionsreaktionen als Quelle des Tritiums ausgeschlossen werden können. Der Ausschuss schließt daher, dass experimentelle Resultate von Überschusswärme (...) bis heute keine überzeugenden Belege darstellen, dass brauchbare Energiequellen aus dem Phänomen mit Namen kalte Fusion resultieren. Zusätzlich schließt der Ausschuss, dass berichtete Experimente bis heute keine überzeugenden Belege darstellen, dass die berichtete anomale Wärmeentstehung mit einer Kernreaktion in Verbindung steht.

Isabella Milch, die Pressesprecherin des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP) berichtet rückblickend, die Aufmerksamkeit für kalte Fusion sei auch am IPP anfangs "sehr, sehr groß" gewesen. Die Forschungsrichtung habe sich in dieser Zeit "in gewissem Sinne" aber "ihren Ruf verdorben", weil zu viele Erfolgsmeldungen sich als unhaltbar erwiesen hätten. So auch eigene Versuche des IPP. "Wenn tatsächlich kalte Fusion in einem Experiment erreicht worden sein sollte, dann muss sich dies eindrucksvoller manifestieren. Erst dann ist auch mit einem erneuten Interesse der restlichen Fusionsforscher zu rechnen", so Milch.

Der Wissenschaftstheoretiker Prof. Henry Bauer sieht den Hauptgrund für den "Widerstand" in einer "disziplinären Dissonanz". Kalte Fusion sei hauptsächlich physikalische Chemie gewesen. Die vorgeschlagene Erklärung gehöre aber zu einer gänzlich anderen Disziplin: zur Kernphysik. Versuche der Physiker, das Experiment in ein paar Wochen zu wiederholen, hätten Elektrochemiker sofort als "inkompetent" erkannt. Umgekehrt hätten Fleischmann und Pons unter Zeitdruck versucht, die von der Physik erwarteten Fusionsprodukte zu messen, was wiederum inkompetente Versuche gewesen seien. Daraus sei in der Wissenschaft ein Widerstand erwachsen nach dem Motto: "Kernfusion kann nicht stattfinden, außer bei mehreren Millionen Grad und enorm hohen Drücken."

Wenn Theorie die Faktenlage bestimmt

Die New York Times drückte den Grund für die Ablehnung kürzlich mit den Worten aus, "weil kalte Fusion, falls real, nicht mit derzeitigen Theorien erklärt werden kann, überzeugten die ungereimten Resultate die meisten Wissenschaftler, das sie überhaupt nicht stattgefunden hatte."[8] Der Satz ist jedoch zumindest in einer Hinsicht falsch: Kalte Fusion ist mit derzeitigen Theorien erklärbar. Sie sind nur nicht anerkannt.

Dr. Edmund Storms und Dr. Michael McKubre haben sich nicht von Theorien abhalten lassen, empirisch an die kalte Fusion heranzugehen. Storms hat 34 Jahre lang am Los Alamos National Laboratory gearbeitet. McKubre ist Direktor des Energy Research Center am Stanford Research Institute (SRI International). Das Wired-Magazin zählt beide zu den Wired 25 des Jahres 1998, weil sie "ihre Karriere riskieren" um die Realisierbarkeit der kalten Fusion zu beweisen.

Edmund Storms vor einem Wärmemengenmesser in seinem Privatlabor in Santa Fe

McKubre hat sich 1989 durch Äußerungen bekannter Physiker ermutigt gefühlt, kalte Fusion zu erforschen. Edward Teller, der Erfinder der Wasserstoffbombe, habe ihm gesagt, er glaube nicht, dass kalte Fusion real sei. Wenn aber doch, könnte er es mit einer sehr kleinen Änderung der physikalischen Gesetze erklären.[9]

Ein Theoretiker der kalten Fusion war Julian Schwinger. Schwinger erhielt 1965 gemeinsam mit Sin-Itiro Tomonaga und Richard Feynman den Physik-Nobelpreis für die Begründung der modernen relativistischen Quantenfeldtheorie. 1989 ist er aus Protest, wie die Amerikanische Physikalische Gesellschaft mit dem neuen Phänomen umging, aus der APS ausgetreten.

Experimente haben in den Folgejahren eine Datenmenge hervorgebracht, die die Anforderung an eine Theorie klar umreißt. Demnach gibt es heute zwei Gruppen von Daten:

a Hinweise auf Kernfusion: Entstehung von Wärme, Messungen von Tritium (dem schwersten Wasserstoff-Isotop) sowie Helium-4, das mit der Wärmemenge korrespondiert. Außerdem geringe Mengen von Neutronen und Gammastrahlung.

b Hinweise auf Kernspaltung: Messung von Helium-4 und Transmutation (Umwandlung) von Elementen.[10]

Auf dem Weg zu einer Theorie der kalten Fusion gibt es drei Wege, wie die behauptete Fusion von Deuteriumkernen stattfinden kann:

(1) Deuterium + Deuterium > Tritium + Proton
(2) Deuterium + Deuterium > Helium-3 + Neutron
(3) Deuterium + Deuterium > Helium-4 + Gammastrahlung

Die Wege (1) und (2) sind die hauptsächlich zu erwartenden Reaktionen und werden mit gleicher Wahrscheinlichkeit erwartet. Der Einwand der etablierten theoretischen Physik lautet nun: Wenn die in den erstmals von Fleischmann und Pons durchgeführten Experimenten entstandene Wärme tatsächlich von einem Fusionsprozess herrührt, müssten Tritium und Neutronen in entsprechenden Mengen nachweisbar sein, was nicht der Fall ist.[11]

Zur Beantwortung der Frage, woher bei der kalten Fusion die Wärme rührt, nahm Schwinger den Umweg über das Phänomen der Sonolumineszenz Dabei wird eine Flüssigkeit mit Schallwellen zu Bildung von Gasblasen angeregt (Kavitation). In dem Moment, in dem diese Gasblasen wieder in sich zusammenstürzen (implodieren), wird Energie in Form eines Lichtblitzes frei. Es gibt also einen Mechanismus, bei dem kinetische Energie einer makroskopischen Einheit (Schallwelle) in eine mikroskopische Einheit (Atom) übertragen wird. Hinsichtlich der kalten Fusion stellte Schwinger die Frage, ob umgekehrt nicht auch Energie einer mikroskopischen Einheit in kinetische Energie einer makroskopischen Einheit übertragen werden könnte?[12]

Die Coulomb-Schwelle getunnelt

Was bedeutet das nun? Im klassischen Elektrolyse-Experiment zur kalten Fusion werden positiv geladenen Deuteriumkerne (Deuteronen) von der negativ geladenen Palladium-Kathode angezogen. Ein Teil der Deuteronen rekombiniert an der Kathode wieder zu Deuteriumgas, welches dort aufsteigt. Der andere Teil wird jedoch in das Palladium hineingezogen und besetzt dort Zwischengitterplätze des Palladium-Kristallgitters. Dort, erläutert Storms, fänden sich zwei oder mehrere Deuteronen "gelegentlich" in der Lage, sich zu Helium-4 zu verwandeln. Schwingers Theorie besagt nichts anderes, als dass die Gammastrahlung, die gemäß Weg (3) zu erwarten ist, vom Palladiumgitter aufgenommen wird. Die entstandene Wärme rühre entsprechend von der Energieaufnahme der Elektrode.

Es bleibt die Frage, woher die Deuteronen im Palladiumgitter die Energie erhalten, die es ihnen ermöglicht, die Coulomb-Schwelle zu überwinden. Das ist die Energiebarriere, die erst überwunden werden muss, damit zwei Teilchen gleicher Ladung sich so weit annähern können, dass es zur Fusion kommen kann. Hier setzt die Theorie des MIT-Forschers Prof. Peter Hagelstein an. Sie besagt, dass Energie zwischen Palladium-Atomen und Deuteronen über die Eigenschwingung des Kristallgitters ausgetauscht werde. Schwinger hatte die gleiche Idee und fühlte sich sofort an den Mössbauer-Effekt erinnert. Dieser beschreibt eine solche spontane Energieübertragung zwischen zwei Atomkernen.[13]

Kleine Energiepakete, die in einer stromdurchflossenen Flüssigkeit immer vorhanden sind, könnten bis zu 12 Billionen mal pro Sekunde ausgetauscht werden, besagt Hagelsteins Theorie. Nach mehreren Minuten könnten Kerne energetisch angeregt genug sein, dass die Coulomb-Schwelle überwindbar und eine Kernreaktion ermöglicht werde. Als Ergebnis dieser Kettenreaktion wäre unter anderem mit der Entstehung von Helium-4, bei genügend hoher Energie auch mit Kernspaltung zu rechnen.[14] Wie Edmund Storms erklärt, könnten die Kerne auch durch Wellenanregung per Laser oder Schallwelle zusätzlich energetisiert werden, um die Reaktion zu beschleunigen.[15]

Hagelsteins Theorie erklärt das Ausbleiben von Fusionsprodukten der Wege (1) und (2) in erwarteten Mengen dadurch, dass Weg (3) bevorzugt wird. Das Zustandekommen der Messergebnisse der Gruppen (a) und (b) wird nicht nur qualitativ erklärt, sondern auch quantitativ. Auch findet eine Erklärung, warum sich in der Praxis Kernreaktionseffekte angeblich erst nach mehreren Tagen einstellen. Essentiell beruht Hagelsteins Theorie auf dem sogenannten Tunnel-Effekt demzufolge die Deuteronen - besser: ihre Wellenfunktionen - mit gewisser Wahrscheinlichkeit jenseits der Coulomb-Schwelle liegen.[16]

"Unerwartet und ungewöhnlich"

Storms gibt zu, dass auch Hagelsteins Theorie Aspekte enthalte, die "normale" Wissenschaftler sich die Haare raufen lasse. Dieses gelte auch für andere Theorien auf dem Gebiet.[17] Zur Zeit sei es sehr schwer zu sagen, welche Theorie besser sei als andere. Der Forscher tippt, dass die finale Theorie Aspekte verschiedener Theorien beinhalten werde, "zusammen mit einer Idee, die bislang noch nicht vorgeschlagen worden ist." Dass in der Richtung der "Kernphysik der verdichteten Materie", zu der die Erforscher der kalten Fusion ihre Arbeit zählen, mit Überraschungen zu rechnen ist, zeigen auch Experimente der Technischen Universität Berlin. Schon länger war bekannt, dass Elektronen die Coulomb-Schwelle senken, weil die negativ geladenen Teilchen die positive Kernladung teilweise abschirmen.

Um weitere Tests zur Elektronenabschirmung zu machen, hat Dr. Armin Huke für seine Doktorarbeit Deuteronen in Metallgitter gepackt und diese mit weiteren Deuteronen beschossen. Obwohl die Deuteronen nicht genug Energie hatten, um die Coulomb-Schwelle von selber zu überwinden, maß Huke Fusionsprodukte. Dabei trat bei manchen Metallen ein Effekt auf, der laut McKubre den "definitorischen Unterschied" zwischen kalter und konventionell verstandener Fusion ausmache: Die Reaktionswege (1) und (2) traten nicht gleich häufig auf. Vollkommen "unerwartet und außergewöhnlich" wurde der Neutronenweg unterdrückt. Wie Hagelstein erklärt der Berliner Forscher seine Ergebnisse mit dem Tunnel-Effekt.[18]

Huke und die Berliner Gruppe sind nicht Teil der angeblich so "eingeschworenen Gemeinde" der kalten Fusions-Forscher und machen doch verwandte empirische Arbeit. Für Michael McKubre hat aus theoretischer Sicht "nie ein wirklicher Grund" bestanden, "kalte" Fusion anzuzweifeln. Dennoch war Theorie bislang zu 90 Prozent Grund der wissenschaftlichen Ablehnung, wenn man Edmund Storms glaubt. Wenn Unzulänglichkeiten der Experimente weitere acht Prozent ausmachen, so bleiben zwei Prozent. Dieser Ablehnungsgrund sei der, dass kalte Fusion "Konkurrenz für andere Energiequellen" darstelle.

Im folgenden Teil geht es demnächst um "die restlichen zwei Prozent" und die Frage: Was wäre, wenn kalte Fusion echt ist? Dieser Schwerpunkt auf die Theorie der kalten Fusion ist auch deshalb gesetzt worden, weil im Forum viel darüber diskutiert worden ist. Mittlerweile ist der Artikel in Physics Today über die versprochene Untersuchung des US-Energieministeriums erschienen.


Artikelserie "Kalte Fusion" von Haiko Lietz

Teil 1: Kalte Fusion wieder heiß
Teil 2: Die unerzählte Geschichte der kalten Fusion
Teil 4: Der Kampf gegen die kalte Fusion
Teil 5: Die Rückkehr der kalten Fusion?
Teil 6: US-Energieministerium empfiehlt weitere Erforschung der kalten Fusion
Teil 7: Lobbying für die Kalte Fusion
Teil 8: Kalte Fusion und die Zukunft
Teil 9: Kalte Fusion in der Black Box?
Teil 10: Kalte Fusion als Technologie
Teil 11: Kalte Fusion als Game Changer
Teil 12: Kalte Fusion auf dem Weg zum Markt

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