A HIDEGFÚZIÓ TÖRTÉNETE DIÓHÉJBAN

A HIDEGFÚZIÓ TÖRTÉNETE DIÓHÉJBAN

1989. március 23-án, a Utah állambeli Salt Lake City-ben fekvő utahi egyetem két elektrokémikusa sajtóértekezletet hívott össze. A 62 éves Martin Fleischman és a 46 éves Stanley Pons bejelentették, hogy elektrokémiai módszerrel fúziót tudtak elérni. Állításuk sze­rint körülbelül ötször annyi hőt termelt a készülék, mint amennyi elektromos energiát a rendszer működtetésébe kellett fektetni.

Az 1. ábrán látszik az az egyszerű elektrokémiai készülék, ami az ef­fektus létrehozására alkalmas. A készülék lelke lényegében rendkí­vül egyszerű, két elektróda. Az anód, azaz a pozitív elektród egy spirál alakú vékony platinaszál, feladata mindössze annyi, hogy el­lenálljon az ott kiváló oxigén maró hatásának. Sokkal fontosabb a negatív elektród, azaz a katód szerepe, hiszen ez készült palládium­ból. Ez a leglényegesebb alkatrész, ennek fizikai és kémiai összeté­tele határ 151b16b ozza meg, hogy sikeres lehet-e a hidegfúziós kísérlet.

A Pons-Fleischman cellába palládiumtömböket használtak, néha 1 cm vastagságú rudakat, melyek egyáltalán nem olcsóak. Lénye­ges még a palládiumban található különböző szennyezőanyagok el­oszlása, a palládium kristályszerkezete, és éppen ezért az előzetes mechanikai és hőkezelés minősége. Ezzel a nagyon nehezen meg­határozható szerkezetű cellával lehet elérni hidegfúziót. Az ő ese­tükben nehézvíz szolgált elektrolitként, ebbe azonban, hogy veze­tőképes is legyen, a lítiumnak egy vegyületét használták, lítium­oxid-deuterid (LiOD) nevű anyagot kellett feloldani. Ezen kívül csak hőmérőre volt szükség, valamint egy ellenálláshuzalra, ami körülbelül 90°C-osra melegítette fel ezt az elektrolitot, ahol már a diffúziós folyamatok jobban, gyorsabban zajlanak le. Az egész ké­szüléket egy nagy víztartályba kell helyezni azért, hogy a termelt és leadott hő mennyiségét pontosan lehessen mérni.

Ez a látszólag egyszerű készülék a két kutató szerint tehát ötször annyi hőt, azaz energiát adott le, mint amennyit az elektrolízis lét­rehozásához a rendszerbe be kellett vezetni. Az energia egy részét természetesen nehéz hidrogéngáz és oxigén bontására használták fel. Ez lényegében veszteség. Veszteség az elektrolit ohmikus el­lenállása is, ettől sem lehet megszabadulni. A nyereség viszont a fúzióval keletkezett hő, és sugárzás. Itt jelentkezett az első neural­gikus kérdés, hogy vajon mennyi neutron termelődik, termelődik-e egyáltalán. A megszokott melegfúziós folyamatokban ugyanis mindig képződik neutron és nagy mennyiségű gamma sugárzás, ami ezt a folyamatot közvetlenül életveszélyessé teszi, csak megfe­lelő sugárvédelem esetén szabad élőlényeknek az ilyen készüléke­ket megközelíteni. A Pons-Fleischman-féle elektrokémiai hidegfú­ziós készülékeknél azonban ez nem volt jellemző, mind a neutron, mind a gammasugárzás mértéke alacsony maradt. Az elképzelések szerint a katódba, azaz a palládiumba bediffundáló nehézhidrogén néhány nap vagy néhány hét alatt átitatja a fém kristályrácsát, és így az egymáshoz közel kerülő, a fémben levő elektronok által elektromosan teljesen semlegesített anyagban létrejöhet a fúziós reakció a nehézhidrogén-atommagok között.

A bejelentés megelőzte a tudományos folyóiratokban történő publikálást. Máig is vitatják, hogy helyes, bölcs lépés volt-e ez.

VII/I. ábra: A Pons-Fleischmann hidegfúziós cella rajza. Lényegében egy nehéz vizes elektrolitban zajló egyszerű vízbontásos kísérlet zajlik a cellákban.

Fleischman és Pons öt éve dolgozott már ezen a kísérleten, öt év kínlódása, csalódása és sikerei után jelentették be eredményüket, ugyanekkor indult meg a szabadalmi bejelentés hosszú eljárása is. A bejelentés maga féloldalas volt, hiszen rengeteg gyakorlati adat, előkészítési, eljárási paraméter megadása szükséges ahhoz, hogy egy ilyen kísérletet, mely csak látszólag egyszerű, biztonsággal le­hessen reprodukálni. A bejelentést igen nagy érdeklődés kísérte, a világ számos kutatóintézetében több csoport kezdte el a reproduk­ciós kísérletet úgy, hogy előzetesen .sem elektrokémiai, sem réteg­fizikai, sem fúziós háttérrel nem rendelkeztek. Ez természetesen magában hordozta a gyors bukás szükségszerűségét, és emiatt a keserű csalódásét is.

A bejelentés időpontjában ugyanis még ma­guk a felfedezők sem ismerték pontosan a nehézhidrogénnel való telítettség fontosságát, és azt, hogy hogyan lehetne ezt pontosan mérni. Jóval később derült csak ki, hogy a fém ellenállása meg­változik a telítettség fúggvényeként, és a cella elektrokémiai poten­ciálja is így változik, tehát mintegy akkumulátorként kezd el mű­ködni.

Ezek a látszólagos apróságok mind-mind fontos gyakorlati paraméterek voltak, és pontos beállításuk elengedhetetlen volt ah­hoz, hogy a kísérlet egyáltalán a pozitív eredmény esélyével indul­hasson. A kísérletezők, ekkor ezt még nem tudták, így döntő több­ségbe kerültek azok, akik nem értek el eredményt, így azonnal ki­alakult egy nagy ellentábor, akik szerint Pons és Fleischman egy­szerűen kóklerek és csalók. Pedig mindkét kutató az elektroké­miában elismert szakember volt, Fleischman az Angol Tudomá­nyos Akadémia tagja, többszáz publikációt tartalmazó lista bizo­nyította az elektrokémiában való jártasságát.

Hasonló eredményei voltak fiatalabb kollegájának, Ponsnak is, így néhányan nem csa­lásnak minősítették eredményeiket, hanem egyszerűen csak téve­désnek, szédelgésnek. Felsorolni is hosszú lenne, hogy hányan és milyen okból támadták a két kutatót, így igen gyorsan a tudomá­nyos kóklerkedés mintapéldájaként kezdték említeni a hidegfúziót.

Akadtak persze olyanok is, akik sikeresen megismételték ezt a kísérletet, talán négy-öt kutató az egész földgolyón, köztük japánok és amerikaiak. Eleinte szinte mindenki az eredeti receptet követte, azaz nehézvíz-elektrolit oldatban palládiumrúd-katóddal ismételték meg a kísérletet. Később azonban többfajta variációja is kialakult ennek az alapelvnek, néhányan folyékony sóoldattal kísérleteztek, voltak, akik nehézhidrogén-gázkisüléssel értek el eredményeket, hiszen így is be lehetett juttatni palládiumkatódba a nehézhidro­gént. Valójában az igazi áttörést egy kívülálló megjelenése hozta, nevezetesen James Patterson ipari vegyész.

Patterson egész életében rétegfizikai eljárásokat használt, nagy felületű katalizátorokat. Mivel gyakran dolgozott platina- és pallá­dium-katalizátorral, jól ismerte ezeknek az anyagoknak a sajátsá­gait és a palládium kényes természetét. Tudta, hogy a palládium könnyen repedezik, könnyen kiszökik belőle a hidrogén, ezért az általa ismert rutinos megoldást használta. Csak vékony, ezredmil­liméter vastagság alatti palládiumréteget alkalmazott, és azt is be­vonta nikkellel. Mindezt piciny, 1 mm átmérőjű golyócskák töme­gén alkalmazta, így rendkívül nagy felületű rétegeket hozott létre. Ez a "szendvics szerkezet" a gyakorlat szempontjából sokkal jobb­nak, előnyösebbnek bizonyult, mint a tömör rúd. A külső, vékony nikkelréteg lehetővé tette, hogy a könnyű- vagy nehézhidrogén be­hatoljon a palládiumba, de azt már nem engedte, hogy az esetleg hídrogénnel telített, és emiatt elridegedett, fölrepedező palládium­ból kiszökjön a hidrogén. A nikkel mindig egységes bevonatot al­kotott a golyócskák körül ha megfelelően készítették el a nikkel­fürdőt és így könnyen, gyorsan, megbízhatóan fel lehetett tölteni a vékony palládiumrétegeket hidrogénnel. Patterson másik döntő újdonsága az volt, hogy észrevette: nemcsak nehézvízzel, hanem könnyűvízzel is működik a reakció, tehát szinte közönséges csap­vízzel is létrehozható a fúzió, ami óriási nagy előny a Pons­Fleischman drágább, nehézvizes eljárásához képest. A sok kis go­lyócskából álló, igen nagy felületű katód újabb jelentős előnyt biz­tosított. Mindig kialakultak azok a torz kristályrácsok a különböző rétegek felületén, melyekben közel kerülhetett egymáshoz nemcsak a nehézhidrogén, de most már a hidrogén is. Ezen az igen nagy fe­lületen olyan sok alkalmas, torz rács jöhetett ki véletlenszerű elosz­lásban, ami az egyébként sokkal kisebb valószínűségű proton-pro­ton reakciót is létre tudta hozni. Patterson számos kísérletet vég­zett, és egyre jobb és jobb eredményei lettek. A végén már körül­belül 1 kW-os többletenergiát is elő tudott állítani, igaz csak ala­csony hőmérsékletkülönbségeken.

Az ő eljárásában is számos gya­korlati trükk, a rétegfizikában és saját praxisában kialakított "kony­harecept kellett ahhoz, hogy igazán jó eredmények jelenjenek meg a kísérletek során. Éppen ezért egyedül ő tudta kísérletileg bizo­nyítani eljárásának hasznosságát, és ezt számos szabadalomban meg is kapta. Patterson azonban a kívülállók között is kívülálló volt, s mint ipari kémikus nem sokat publikált tudományos folyóiratokban.

Még egy fontos, felismerés született idő közben, ez olasz kuta­tók érdeme: észrevették, hogy a hidegfúziós folyamat sokkal erő­sebb, markánsabb folyamat tranziens elektrolízis esetén, azaz ami­kor változtatják a cella feszültségét. Ezt alacsony frekvenciás, nagy feszültségű impulzusokkal érték el. Ennek az az értelme, hogy a reakció során a torz rácsokban felgyülemlett reakciótermékeket, azaz például a héliumot "kisöpörjék a jó helyekről, azaz a torz rá­csokból, ahol egyáltalán létrejöhetnek a reakciók. Ha ugyanis ezt nem teszik, a jó helyeken "megülnek" a reakciótermékek, nem en­gedik be a friss üzema- nyagot, azaz a protonokat vagy deutériumo­kat, és ezért az összes jó hely telítődik, így gyakorlatilag leáll a re­akció. Ahhoz, hogy a hidegfúziós reakció folyamatos legyen, ál­landóan megtörténjen, az kell, hogy a reakciótermékeket eltávolít­sák. Ez viszont csak úgy lehetséges, ha állandóan koncentrációs különbségeket, gradienseket állítanak elő, ez viszont csak tranziens folyamatok során lehetséges. Így elérhető például, hogy az anyag egyik oldalán más lesz a hidrogénkoncentráció, mint a másik ol­dalon, ezért állandóan egy irányba fog vándorolni a hidrogén. Erre valójában csak a vékony rétegek alkalmasak igazán, így többek kö­zött a Patterson-féle eljárás.

Mára már nagyjából kirajzolódik, hogy milyen szükséges felté­telek teszik lehetővé a sikeres eljárást, ám a sikeres reakcióhoz szükséges torz kristályrács alakja ma is bizonytalan, és nehezen megfogható, és még nehezebben gyártható le nagy tömegben. Ha ez az eljárás megkaphatta volna azt az anyagi támogatást, amit a forró fúzió egyébként élvez, akkor valószínűleg meg lehetett volna oldani a modern anyagvizsgálati eljárások segítségével ezt a nehéz gyakorlati kérdést is. Így azonban, hogy törpe kisebbség lett a ku­tatói közösségben a hidegfúzióval foglalkozó mintegy 2-300 kutató (és ők sem szeretik az iparból jött gyakorlati szakembereket), így nem jött létre az a minimális szakembertömeg, a kritikus tömeg, akik a gyakorlatban is használható, tömeggyártásra alkalmas tech­nológiát ki tudták volna dolgozni. A mai napig is csak néhány száz kutató, főleg elméleti és kísérleti emberek dolgoznak a témán, emi­att az áttörés, ha nem is reménytelen, de rendkívül lassú lesz.

Bár durván másfél évente tartanak nemzetközi konferenciákat, erről a sajtó már nem tudósít, vagy ha valamit írnak, akkor is csak negatív felhanggal. Mindaddig így is marad ez, amíg a gyakorlatban hasz­nálható, tömeggyártásra érett készülékek el nem kezdenek terjedni. Mindez annak ellenére történt, hogy számos új eredmény született, egyre több homályos kérdés tisztázódik ezen a téren. Nagyon sok kínai, orosz, indiai és főleg olasz egyetemen foglalkoznak a témá­val néha állami pénzekből, de ezek mennyisége máig sem elegendő az összes gyakorlati kérdés megoldásához. A magántőke pedig óvatos ilyen esetekben, hiszen a laboratóriumi jó eredmények még nem biztosítják azt, hogy a tömeges gyártás megoldható lesz, és több éves gazdaságos, megbízható működés garantálható a hideg­fúziós szerkezeteknél. További gond, hogy úgy néz ki, csak ala­csony hőmérsékletű hőforrásként működhet ez az eljárás, míg az iparban akár 1000°C feletti hőforrások is szükségesek, például energiatermelésre.

Az utóbbi két évben egy új, fontos eredmény is született ezen a té­ren. Kiderült, hogy nemcsak hidrogén vagy nehézhidrogén esetén fi­gyelhető meg magátalakulás, hanem például vaselektródok esetén a vas alakul át más anyagokká. Így tehát az alacsony energián létrejö­vő anyagátalakulás az emberiség régi álma, az alkimisták célja meg­valósulni látszik, ám ez is a hitetlenség vastag betonfalába ütközik.

Ez a hatás kétségtelen, hogy nem illik a jelenlegi gondolkodá­sokba, elvárásokba. Sokszor fizettünk már a tudomány történeté­ben nagy árat azért, mert a természet valahogy másként viselkedett, mint amit elvártak. Közismert az, hogy az uránmaghasadás felfe­dezése azért váratott éveket magára, mert a témával foglalkozó kutatók az uránnál nehezebb elemeket várták a neutronbombázás után. Enrico Fermit senki sem vádolhatja azzal, hogy nem jó kuta­tó, de mégis évekig vakvágányon járt kísérleteivel, pontosan az előbb említett okok miatt. A német Lise Meitner, Hahn és Strass­man jöttek rá végül, hogy az uránbombázás után nem transzurán elemek, hanem az uránnál könnyebb hasadási termékek keletkez­nek. Ez az eset is tipikus példája annak, hogy az emberi elvárások nem mindig esnek egybe a természet törvényszerűségeivel.

A hidegfúzió történetéhez tartozik még egy különös eset, a televí­zió feltalálójának, Farnswort-nak (akinek a nevét már említettük) a története. Miután feltalálta az elektronikus televíziót és évekig küz­dött ennek megvalósításáért, részben technikailag, részben a szaba­dalom megvédéséért, a hidegfúzió kezdte el foglalkoztatni. Állítólag el is készítette ezt a készüléket, és sikeresen demonstrálta is, ám a tá­mogató cégek, miután megkapta a szükséges szabadalmakat, egymás után meghátráltak, visszavonták támogatásukat. Így az ipari gyártás­ra már nem került sor, és az egész eljárás a feledés homályába me­rült.

Újabb eset, amikor egy találmány nem érte el a szükséges inger­küszöböt, ezért nem terjedhetett el. Érdemes talán még ehhez a törté­nethez hozzáfűzni, hogy az előítéletek, az erős falkaszellem mennyi­re jellemző a fizikában. Julian Schwinger, Nobel-díjas elméleti fizi­kus (azon kevés fizikusok egyike, akinek gyakorlati érzéke is volt) azért lépett ki az Amerikai Fizikai Társaságból, mert úgy érezte, tel­jes módon mellőzik a fizikában szükséges nyitottságot a hidegfúzió kapcsán, és pusztán előítéletek, csoportérdekek határozzák meg az ellenfelek lépéseit.

Ilyen előítéletekkel teli vitában azonban egy No­bel-díjas véleménye sem számít sokat, és a mai napig a hidegfúziós találmányokra, Patterson kivételével, az Egyesült Államokban nem adnak szabadalmat. Így lényegében tiltott találmánynak minősül a hidegfúziós készülékek sora, pedig több tucat, talán több száz szaba­dalom vár megadásra ebben a témában.