Kalte Fusion

Begriff, Ziel und wissenschaftlicher Status

Als kalte Fusion bezeichnet man Verfahren, die eine kontrollierte, als Energiequelle nutzbare Kernfusion von Wasserstoff-Isotopen ohne thermonukleare Reaktion ermöglichen sollen. Anders als bei Kernfusionsreaktoren oder der Trägheitsfusion wird dabei kein Plasma mit hoher Temperatur und Dichte benötigt. Ein häufig verwendetes Synonym ist LENR („low energy nuclear reactions“, also Kernreaktionen bei niedriger Energie).

Der Begriff wurde vor allem durch ein Experiment der Chemiker Martin Fleischmann und Stanley Pons bekannt, die am 23. März 1989 eine Fusion bei 300 K (27 °C) an einer Palladium-Elektrode behaupteten. Die Aussicht auf eine praktisch unerschöpfliche Energiequelle führte zunächst zu großer Aufmerksamkeit. Unabhängige Laboratorien konnten die Ergebnisse jedoch nicht bestätigen. Eine Kommission des US-Energieministeriums (DOE) bewertete die Hinweise im November 1989 als nicht überzeugend; später kam das DOE trotz verbesserter Messtechnik zum gleichen Ergebnis und riet von einer gezielten Förderung zur Entwicklung einer alternativen Energiequelle ab. Die meisten Wissenschaftler gehen daher davon aus, dass auf diese Weise keine Kernreaktion mit nennenswerter Energiefreisetzung eingeleitet werden kann. 2023 schrieb die Forschungsbehörde ARPA-E dennoch 10 Millionen Dollar für LENR-Forschung aus.

Myonen als mögliche Katalysatoren

Bei der myonen-katalysierten Fusion soll ein negativ geladenes Myon als Katalysator wirken. Myonen sind wesentlich schwerer als Elektronen. Deshalb liegt ihr Orbital, also ihre gebundene Teilchenbahn, viel dichter am Atomkern. Trifft ein Myon auf ein Deuterium-Tritium-Molekül (DT), kann es ein Elektron verdrängen und ein myonisches Molekül bilden. Die Atomkerne sind darin rund 200-mal enger gebunden, sodass eine Fusion leichter möglich wird.

Dabei entsteht zunächst ein myonisches Helium-5-Atom. Mit einer Wahrscheinlichkeit von 99,4 % zerfällt es zu Helium-4, einem Myon und einem Neutron:

DμT → ⁴He + n + μ + 17,6 MeV

Das freigesetzte Myon kann weitere Fusionen auslösen. Mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,6 % bleibt es jedoch am Helium-4 haften („sticking“) und steht nicht mehr zur Verfügung:

DμT → ⁴Heμ + n + 17,6 MeV

Der Zyklus dauert etwa 10⁻⁹ s. Wegen der Lebensdauer eines Myons von etwa 2,2 μs sind prinzipiell ungefähr 2000 Reaktionen möglich. Das Myon zerfällt anschließend nach μ⁻ → e⁻ + ν̄ₑ + νμ. Für die Herstellung eines Myons mit einem Teilchenbeschleuniger werden rund 3 GeV benötigt. Wegen des Haftens am Helium beträgt die durchschnittliche Zahl der katalysierten Fusionen jedoch nur N = Σₖ₌₀²⁰⁰⁰(0,994)ᵏ ≈ 166,7. Dadurch entstehen lediglich 2,9 GeV Fusionsenergie, also weniger als für die Herstellung eines neuen Myons erforderlich ist. Eine Netto-Energiegewinnung ist daher nicht möglich, insbesondere unter Einbeziehung des Energiebedarfs des Beschleunigers.

Palladium, Paneth und Fleischmann-Pons

Viele Versuche zur metall-katalytischen Fusion verwenden Palladium. Das Metall besitzt die höchste Absorptionsfähigkeit aller Elemente für Wasserstoff und kann bei Raumtemperatur das 900-Fache seines eigenen Volumens binden. Außerdem hat Palladium katalytische Eigenschaften.

1926 berichtete Fritz Paneth, beim Erwärmen wasserstoffbehandelter Palladiumpräparate eine nicht erklärbare Menge Helium gefunden zu haben. 1927 wurden jedoch Fehlerquellen erkannt, unter anderem die bei erhöhter Temperatur größere Durchlässigkeit von Glas für Helium. Paneth und weitere Autoren deuteten das Helium deshalb als Folge dieser Ursachen.

Beim Experiment von Fleischmann und Pons sollte die Verschmelzung von Protium, Deuterium und Tritium während der Elektrolyse eines Elektrolyten an der Oberfläche einer Palladium-Kathode stattfinden. Als mögliche Hinweise galten Helium, Tritium, Neutronen- oder Gammastrahlung bestimmter Energie sowie Überschusswärme, die nicht chemisch erklärbar wäre. Bereits am 1. Mai 1989 wiesen Steven Koonin, Nathan Lewis und Charles Barnes vom Caltech auf Fehler hin. Andere Laboratorien konnten die Ergebnisse auch mit wesentlich empfindlicheren Messgeräten nicht bestätigen; Fleischmann und Pons konnten sie vor Zeugen selbst nicht wiederholen. Einzelne Gruppen berichteten zwar später über Tritium oder Überschusswärme, doch die DOE-Untersuchungen bestätigten die ursprüngliche Bewertung nicht.

Weitere umstrittene Ansätze

Bei der Sonofusion oder Bläschenfusion soll durch Schallwellen ausgelöste Kavitation eine Fusion ermöglichen. Rusi P. Taleyarkhan berichtete 2002, in den kollabierenden Bläschen könnten hohe Temperaturen, Drücke sowie Strahlungs- und Neutronendichten entstehen. Eine Untersuchungskommission bewertete bestätigend wirkende Experimente einer anderen Gruppe als gefälscht. Taleyarkhan wurde 2008 wegen wissenschaftlichen Fehlverhaltens von der Purdue University als Professor abgesetzt; die Affäre wurde „bubblegate“ genannt.

Anfang 2011 behaupteten Andrea Rossi und Sergio Focardi, in einem „E-Cat“ genannten Gerät Nickel und Wasserstoff zu Kupfer verschmelzen und eine länger anhaltende exotherme Reaktion erzeugen zu können. Unabhängige Bestätigungen fehlen. Erwartete Gammastrahlung wurde nicht beobachtet, und eine gründliche Untersuchung des Geräts war nicht möglich. Das Europäische Patentamt lehnte die Anmeldung unter anderem wegen fehlender Vereinbarkeit mit allgemein anerkannten physikalischen Gesetzen und mangelnder Erfindungshöhe ab. Angekündigte Präsentationen und ein kommerzieller 1-MW-Reaktor führten zu keinem bestätigten Funktionsnachweis. Ein Rechtsstreit zwischen Rossi und Industrial Heat endete ebenfalls ohne anerkannten Beleg für eine Energieproduktion.

Forschungsstand und tatsächlich nutzbare Anwendung

Einige Forschergruppen untersuchen bis heute kalte Fusion beziehungsweise LENR. Dazu gehören unter anderem SPAWAR, ENEA, SRI International und Forschungsgruppen an der Universität von Missouri. Die Universität von Missouri erhielt 2012 5,5 Millionen USD, um mögliche Überschusswärme bei Wechselwirkungen von Wasserstoff mit Palladium, Nickel oder Platin zu untersuchen. An der Universität Göteborg erforschte Leif Holmlid laserinduzierte myonen-katalysierte Fusion in hochdichtem Deuterium und berichtete 2015 über schwere neutrale Teilchen mit Energien über 10 MeV u⁻¹. Eine von Google finanzierte Forschergruppe fand 2019 keine Hinweise auf kalte Fusion, empfahl wegen nicht erreichter günstiger Bedingungen aber weitere Untersuchungen.

Ein tatsächlich funktionierendes, jedoch nicht zur Energiegewinnung geeignetes Verfahren ist die Pyrofusion. Naranjo, Gimzewski und Putterman nutzten 2005 einen pyroelektrischen Kristall als Spannungsquelle. Das starke elektrische Feld ionisiert Deuterium an einer Wolframspitze und beschleunigt die Ionen. Der Neutronenfluss war 400-mal größer als die natürliche Neutronenstrahlung. Als mögliche Reaktion gilt D + D → ³He (820 keV) + n (2,45 MeV). Mit Tritium ist D + T → ⁴He (3,518 MeV) + n (14,07 MeV) möglich. Wegen der geringen Teilchenströme reicht die Leistung nicht für praktische Energieerzeugung; als Neutronenquelle für Analysezwecke sind die Anordnungen jedoch geeignet.

Darstellung in Literatur und Film

Die Idee der kalten Fusion wurde in mehreren fiktionalen Werken verwendet. Die Sonofusion erscheint im Action-Thriller Außer Kontrolle (1996), der im Fernsehen auch unter dem Titel Die Kettenreaktion lief. The Saint – Der Mann ohne Namen (1997) handelt unter anderem vom Diebstahl einer Formel für kalte Fusion. Johannes Schmidls Roman Die Kalte Fusion (2009) spielt mit einem erfolgreichen Experiment nach dem Muster der Sonofusion. Die Fusion mittels Palladium wird in Uwe Schomburgs Thriller Die Quelle (2011) beschrieben. In der Fernsehserie Fallout (2024–) gelingt es, kalte Fusion praktisch zu nutzen.