Kylmäfuusio

Kylmäfuusio tarkoittaa hypoteettista fuusioreaktion aikaansaamista ilman korkean lämpötilan myötävaikutusta. Fuusiossa energiaa vapautuu samalla kun kaksi atomiydintä yhdistyy (eli fuusioituu) yhdeksi ytimeksi. Normaalisti ydinfuusio vaatii miljoonien celsiusasteiden lämpötilan. Käyttökelpoisimpana fuusiona pidetään lähinnä deuterium- tai tritiumytimien fuusioitumista heliumiksi.

Kylmäfuusiosta puhuttaessa viitataan yleensä kahden kemistin, Stanley Ponsin ja Martin Fleischmannin vuonna 1989 esittämään väitteeseen hyvin yksinkertaisilla laitteilla toteutetusta fuusioreaktiosta. Kylmäfuusiosta ei kuitenkaan ole olemassa ainuttakaan todennettua ja toistettavaa koejärjestelyä.

Kylmäfuusiotutkimusta harjoitetaan silti edelleen pienessä piirissä ympäri maailman.

Varhaiset kokeet 

Thomas Graham osoitti jo 1800-luvulla, että palladium voi sitoa itseensä runsaasti vetyä. Itävaltalaissyntyiset kemistit Friedrich Paneth ja Kurt Peters väittivät 1920-luvun lopulla, että vety muuttuisi spontaanisti heliumiksi, kun se absorboituu huoneenlämpötilassa hienojakoiseen palladiumiin. Myöhemmin he itse peruuttivat väitteensä todettuaan, että heidän havaitsemansa helium oli peräisin ympäröivästä ilmasta.

Vuonna 1927 ruotsalainen kemisti John Tandberg väitti, että hän olisi saanut vedyn fuusioitumaan heliumiksi sähkö­kemiallisessa parissa, jossa elektrodit olivat palladiumia. Havaintonsa perusteella hän haki patenttia keksimälleen menetelmälle, jolla "voitiin tuottaa heliumia ja hyödyllistä reaktio­energiaa".. Sen jälkeen kun deuterium vuonna 1932 oli löydetty, Tandberg jatkoi kokeitaan raskaan veden avulla. Patentti­hakemus kuitenkin hylättiin, koska Paneth ja Peters olivat peruuttaneet väitteensä ja koska myöskään Tandberg ei kyennyt selittämään ilmiön fysikaalista perustetta.

Tandbergin koejärjestelyt raskaan veden avulla olivat hyvin samanlaiset kuin Fleischmannin ja Ponsin. Fleischmann ja Pons eivät kuitenkaan tienneet mitään Tandbergin tutkimuksista.

Termiä "kylmäfuusio" () käytettiin jo vuonna 1956 New York Timesin artikkelissa Luis W. Alwarezin tutkimuksista, jotka koskivat myonien katalysoimaa fuusiota.

Fleischmannin ja Ponsin kylmäfuusio 

Kuuluisimman väitteen kylmäfuusiosta esittivät Stanley Pons ja Martin Fleischmann vuonna 1989. Heidän väitteensä sai osakseen suurta huomiota, mutta pian ydinfyysikot kyseenalaistivat heidän koetuloksensa. Pons ja Fleischmann eivät koskaan luopuneet väitteistään, mutta siirsivät tutkimusprojektinsa Ranskaan, kun väittely kiihtyi.

Martin Fleischmann Southamptonin yliopistosta ja Stanley Pons Utahin yliopistosta esittivät aluksi hypoteesina, että koska deuterium saadaan palladiumiin absorboituneena puristumaan paljon pienempään tilaan, elektrolyysi voisi saada aikaan ydinten fuusion. Tutkiakseen asiaa he suorittivat elektrolyysikokeita käyttämällä palladiumia katodina ja raskasta vettä kalorimetrissa. Sähkövirtaa ylläpidettiin yhtäjaksoisesti useita viikkoja, kun taas raskas vesi vaihdettiin säännöllisin väliajoin. Jonkin verran deuteriumia otaksuttiin kerääntyvän katodille, mutta suurimman osan siitä annettiin kuplia kennosta ulos, jolloin se yhtyi anodilla happeen. Suurimman osan ajasta kenno vastaanotti mittaustarkkuuden rajoissa yhtä paljon tehoa kuin sen laskettiin luovuttavankin, ja sen lämpötila pysyi vakaasti noin +30 °C:ssa. Mutta toisinaan sen lämpötila nousi äkillisesti +50 °C:een ilman, että laitteeseen syötettyä tehoa lisättiin. Nämä korkeamman lämpötilan vaiheet kestivät kaksi päivää tai kauemminkin ja toistuivat useita kertoja, kun sellainen kerran oli tapahtunut. Lopulta korkeamman lämpötilan vaihetta ei missään tietyssä kennossa enää voinut esiintyä.

Fleishmann ja Pons päättelivät kokeensa osoittaneen, että kokeessa vapautui huomattavasti ylimääräistä energiaa, joka ei voinut olla peräisin mistään kemiallisesta reaktiosta, vaan kyseessä täytyi olla ydinreaktio. Kylmäfuusio nousi maailman tietoisuuteen 23. maaliskuuta 1989, kun kemistit Stanley Pons ja Martin Fleischmann Utah'n yliopistosta väittivät saaneensa aikaan fuusioreaktion lähes huoneenlämmössä ja ”lukiotason välineillä”.

Väite herätti paljon huomiota, mutta yksikään toinen tutkija ei pystynyt toistamaan koetta. Kun sitä yritettiin, energiaa ei saatu ulos enempää kuin kokeen suorittamiseen tarvittiin. Fleischmannin ja Ponsin mukaan tämä johtui siitä, että testausympäristö ei ollut täysin yhdenmukainen heidän kokeensa kanssa. Kuitenkaan he eivät halunneet avustaa muiden tutkijaryhmien testeissä todistaakseen hypoteesinsa. Koko väite onkin leimattu uutisankaksi ja huijausyritykseksi. Fleischmannin ja Ponsin laitteiden esittämien ”kiistattomien todisteiden” epäillään olevan aivan luonnollista taustasäteilyä tai peräisin jostakin koetilassa olleesta laitteesta.

Francesco Piantellin kylmäfuusio 

Italialainen professori Francesco Piantelli on tutkinut nikkelin ja vedyn välistä kylmäfuusiota vuodesta 1989 lähtien. Hänelle myönnettiin eurooppalainen patentti menetelmästä energian tuottamiseksi nikkelin ja vedyn välisten ydinreaktioiden avulla 16. tammikuuta 2013.

Andrea Rossin kylmäfuusio 
Italialainen keksijä, tohtori Andrea Rossi, on vuosien ajan kehitellyt nikkelin ja vedyn väliseen kylmäfuusioon perustuvaa reaktoria, jota hän kutsuu nimellä E-Cat (energiakatalysaattori). 20. toukokuuta 2013 julkaistiin "puolueeton tutkimusraportti", joka näyttäisi vahvistavan, että E-Cat on tehokas reaktori, jonka energiatiheys on vähintään kertaluokkaa suurempi kuin kemiallisten energianlähteiden. On lisäksi merkittävää, että raportin mukaan E-Cat toimisi kilowattien (kW) luokkaa olevilla tehoilla. Näin suurilla tehoilla olisi jo käytännön merkitystä esimerkiksi asunnon sisätilojen ja veden lämmityksessä. Industrial Heat LLC (North Carolina, USA) ilmoitti 24.1.2014 lehdistötiedotteessaan, että se on hankkinut patentti- ja lisensointioikeudet Andrea Rossin E-Cat-reaktoriin ja aikoo saada tekniikan laajalti kaupalliseen käyttöön. Vuoden 2016 puolivälissä sopimus kuitenkin purettiin erimielisyyksien takia.

8. lokakuuta 2014 julkaistiin uuden yhtäjaksoisen 32-päiväisen E-Cat-testin raportti , jonka mukaan mittauksissa saatiin samantapaisia tuloksia kuin vuonna 2013. Lisänä siinä oli polttoaineen isotooppien analyysi lähinnä nikkelin (Ni) ja litiumin (Li) osalta ennen ja jälkeen testin. Tulokset viittaavat isotooppien osuuksien suuriin muutoksiin.

Andrea Rossin E-Cat ei ole nykyfysiikan mukaan uskottavaa teknologiaa ja Luganon testiraportti on monien mielestä osoittautunut epäluotettavaksi.

25. elokuuta 2015 yhdysvaltalainen patenttitoimisto USPTO myönsi ensimmäisen patentin (US9115913B1) Andrea Rossin E-Cat-teknologialle.

Mosier-Bossin kylmäfuusio 

Vuonna 2009 kalifornialaisen SPAWAR-tutkimuslaitoksen Pamela Mosier-Boss ja hänen kollegansa kertoivat havainneensa kokeessaan korkeaenergiaisia neutroneita, joiden he uskovat olevan peräisin deuteriumin ja tritiumin fuusiosta.

Muut kylmäfuusion tyypit 

Tämänhetkinen fysiikan tuntemus ei väitä, että fuusioreaktiota ei voitaisi aikaansaada myös muilla keinoin kuin korkeassa lämpötilassa. Keskeisin kysymys onkin, saavutetaanko muilla menetelmillä riittävää hyötysuhdetta reaktion ylläpitämiseen käytetyn energian ja siitä saatavan energian välillä. Tähän mennessä hyötysuhde on ollut huono.

Erityyppisiä kylmäfuusiotekniikoita:

 Myonikatalysoitu fuusio. Deuterium- tai tritium-ytimet saadaan ohjattua lähekkäin korvaamalla ydintä kiertävä elektroni myonilla. Myoni vastaa sähköisiltä ominaisuuksiltaan elektronia (negatiivinen alkeisvaraus), mutta on painavampi ja näin kiertää lähempänä ydintä, jolloin atomin koko pienenee ja fuusioreaktioon osallistuvat ytimet saadaan lähemmäs toisiaan. Ongelmana on kuitenkin myonien tuotanto, johon vaadittava energia laskee hyötysuhdetta niin paljon, että myonikatalysoidun fuusion mahdollisuuksia energiantuotannossa ei pidetä lupaavina ainakaan ilman teknologisia läpimurtoja.

 Pyroelektrinen fuusio. Vuonna 2005 UCLA:n ryhmä raportoi saaneensa aikaan fuusioreaktion pyroelektrisessä kiteessä. Kiteen sisälle synnytettiin erittäin voimakas sähkökenttä (noin 25 GV/m), jolla kiihdytettiin ja törmäytettiin deuteriumydin deuteriumia sisältävään materiaaliin. Koe on tämän jälkeen toistettu onnistuneesti muissa laboratorioissa. Energiantuotantoon siitä ei kuitenkaan ole, sillä prosessi vaatii enemmän energiaa kuin tuottaa.

 Antimaterialla aikaansaatu fuusioreaktio. Tässä menetelmässä käytetään pieni määrä antimateriaa aloittamaan fuusioreaktiopulssi. Menetelmä on kuitenkin kaukana ratkaisusta energiaongelmiin jo antimaterian tuotantokustannusten vuoksi. Aihetta onkin tutkittu lähinnä avaruussovellukset mielessä.

 Kuplafuusio. Vuonna 2002 Purduen yliopiston ydinenergiatekniikan professori Rusi P. Taleyarkhan kertoi saaneensa aikaan kylmäfuusion sonoluminesenssin avulla. Menetelmässä synnytetään ääniaaltojen avulla lyhytikäisiä kuplia nesteeseen. Kuplat romahtavat nopeasti syntymisensä jälkeen synnyttäen hetkellisesti ja paikallisesti erittäin korkean lämpötilan, jossa fuusioreaktio voisi tapahtua. Tiedeyhteisön suhtautuminen kuplafuusioon ei ole yksimielistä, ja koetta toistaneet tutkijat ovat antaneet ristiriitaisia raportteja.

Lähteet

Aiheesta muualla
Muonic Hydrogen WWW Home Page 
UCLA Pyrofusion 
Bubble Fusion at Physics Today  
Kylmäfuusio 

Ydinfysiikka
Ydinvoima