Yves Forestier/Getty Images
Koude fusie energie licht

Kan fusie bij kamertemperatuur gratis energie opleveren?

Fusie zoals in de zon kan ons oneindig veel energie geven. Meestal is daar een extreem hoge temperatuur voor nodig, maar wetenschappers zijn er wellicht in geslaagd atomen bij kamertemperatuur te laten fuseren.

De opstelling van glazen buizen, kolven en draden zag eruit alsof je die thuis aan de keukentafel in elkaar zou kunnen knutselen. Maar toen de onderzoekers een zwakke stroom aanzetten, kwam er warmte vrij – en meer energie dan werd toegevoerd.

De elektrochemici Martin Fleischmann en Stanley Pons, die het experiment in 1989 hebben uitgevoerd, waren ervan overtuigd dat ze de fusieprocessen van de zon hadden weten na te bootsen, maar dan op kamertemperatuur.

De wereld stond op zijn kop, want als dat waar zou zijn, zou energie bijna gratis geproduceerd kunnen worden. Maar het enthousiasme maakte plaats voor scepsis toen andere wetenschappers tevergeefs probeerden koude fusie na te bootsen. Tot op heden is het onduidelijk wat er aan de hand was in het lab van het duo – maar misschien waren ze toch iets op het spoor.

Experimenten met steun van onder meer Google duiden erop dat het mogelijk is om warmte te creëren met de methode van Fleischmann en Pons. Wereldwijd zijn onderzoeksteams de experimenten nu aan het verfijnen, dus op een dag kunnen we misschien al onze energieproblemen oplossen zonder onze portemonnee, het klimaat of het milieu te belasten.

Fusie vereist 15 miljoen °C

De hitte die de zon op ons afstraalt, is het resultaat van een soort eeuwige beweging – een perpetuum mobile.

De temperatuur in de experimentele opstelling steeg 20 °C, maar kwam de warmte wel van kernfusie?

In de kern van de ster smelten waterstofkernen onder enorme hitte samen tot helium. De extreme temperatuur van 15 miljoen °C is nodig om het fusieproces op gang te houden, zodat er steeds nieuwe kernen fuseren.

Al tientallen jaren doen onderzoekers hun best om de fusieprocessen van de zon na te bootsen in grote proefreactoren, zoals de Wendelstein 7-X in Greifswald, Duitsland. Er is echter nog een lange weg te gaan voordat we een energieoverschot kunnen oogsten uit fusieprocessen, en daarom zou het ronduit revolutionair zijn als Martin Fleischmann en Stanley Pons dit in 1989 daadwerkelijk bereikt blijken te hebben bij kamertemperatuur.

Koude fusie - energiecrisis

Fusie-experimenten in reactoren als de Duitse Wendelstein 7-X hebben nog lang geen overschot aan energie opgeleverd.

© Stefan Sauer/AP/Ritzau Scanpix

Maar de natuurkunde zou ook het begrip fusie opnieuw moeten bekijken om te verklaren hoe twee atomen fuseren zonder extreme hitte. En dat levert een wetenschappelijk probleem op voor de experimenten van Fleischmann en Pons.

De twee elektrochemici formuleerden niet hoe fusie in hun proefopstelling kon plaatsvinden. En zonder een theorie is het erg moeilijk om te testen waar de energie eigenlijk vandaan kwam, en dus is het onmogelijk om uit te sluiten dat de warmte die de onderzoekers gemeten hebben te wijten was aan vergissing en toeval – of aan een andere onvoorziene chemische reactie.

Koude fusie - twee mannen in de pers
© Doug Pizac/AP/Ritzau Scanpix

Cv: Fleischmann en Pons

De proefopstelling van Fleischmann en Pons was vrij eenvoudig. Ze gebruikten elektrolyse, een fysisch-chemisch proces dat met behulp van elektriciteit water splitst in zijn twee bestanddelen, zuurstof en waterstof.

In hun experimenten gebruikten de onderzoekers zwaar water (D2O), waarin de zuurstofatomen gekoppeld zijn aan zware waterstof – ook wel deuterium (D) genoemd – die zich van gewone waterstof onderscheidt doordat het een neutron in zijn kern heeft.

Rond de ene elektrode – de zogeheten platina-anode – werd zuurstof gevormd, en rond de andere – de palladiumkathode – ontstond deuterium.

De deuteriumatomen zouden anders, net als gewone waterstofatomen, paren vormen en gas worden, maar volgens de onderzoekers klonterde een deel van deze atomen in de palladiumkathode zo sterk samen dat ze spontaan fuseerden.

Koude fusie - energiecrisis Pons Fleischmann

De proefopstelling van Fleischmann en Pons bestond slechts uit enkele glazen buizen en kolven. Fusie werd echter niet bewezen.

© Philippe Plailly/SPL

Volgens de natuurkundewetten kan deuterium op drie manieren fuseren, en in al deze gevallen komt er een bepaalde hoeveelheid energie vrij.

Door die energie waren Fleischmann en Pons er stellig van overtuigd dat in hun experiment fusie was opgetreden, al was het in het lab maar enkele graden boven kamertemperatuur, want in sommige experimenten steeg de temperatuur van het zware water plotseling van de normale 30 tot circa 50 °C.

Bij de proefopstelling zou dus 40 keer zo veel energie zijn opgewekt als er in de vorm van stroom aan de elektroden werd toegevoerd.

De onderzoekers concludeerden dat de extra warmteontwikkeling het gevolg was van fusie. Maar als dit werkelijk het geval was, dan hadden ze ook protonen, neutronen of gammastralen moeten kunnen meten, maar dat lukte niet. Het duo had dus geen wetenschappelijk bewijs dat de deuteriumatomen fuseerden.

STELLING: Fusie treedt op bij kamertemperatuur

In 1989 voeren twee elektrochemici een experiment uit met zware waterstof, waarbij een onverklaarbare hitte vrijkomt. Het duo beweert dat fusie heeft plaatsgevonden bij kamertemperatuur, maar kan geen bewijs van fusie meten.

Energie plus en min
© Ken Ikeda Madsen

1. FEIT: Elektrolyse scheidt zwaar water in zuurstof en deuterium.

Elektrolyse scheidt zwaar water (D2O) in zuurstof (O) en zware waterstof (D). De zuurstof borrelt op bij de platina-elektrode, zware waterstof bij de palladiumelektrode. De reactie houdt dagenlang aan.

Energie plus en min rood
© Ken Ikeda Madsen

2. WAARSCHIJNLIJK: De opstelling ontwikkelt warmte

De temperatuur van het zware water blijft veelal constant op 30 °C, maar in sommige experimenten loopt deze even op tot 50 °C. Dit kan het gevolg zijn van een onbekend chemisch proces of een fout in het experiment.

Energiecrisis illustratie temperatuur
© Ken Ikeda Madsen

3. DUBIEUS: De warmte is het gevolg van fusie

De onderzoekers beweren dat de zwarewaterstofatomen zich in de palladiumelektrode zozeer opstapelen dat ze fuseren en warmte opwekken. Maar fusie vindt altijd plaats bij miljoenen graden, en de onderzoekers kunnen niet bewijzen dat fusie heeft plaatsgevonden.

De warmteontwikkeling kan ook het gevolg zijn van iets anders dan fusie, bijvoorbeeld doordat iemand de verwarming in het laboratorium hoger had gezet.

Google zet in op koude fusie

Binnen enkele maanden na het baanbrekende experiment van het duo hadden meer dan 100 andere onderzoeksgroepen geprobeerd hetzelfde te doen.

En al vonden enkele wetenschappers mogelijk bewijs voor fusie, het algehele probleem was dat de resultaten eigenlijk alle kanten opgingen. En ook bij latere experimenten met koude fusie was dit steevast het geval.

De onderzoekers kunnen hun eigen experimenten of die van hun collega’s niet herhalen met dezelfde resultaten. In het wetenschappelijk jargon heet dit niet-reproduceerbaarheid, en het is een groot probleem omdat je dan niet weet wat je moet geloven.

WETENSCHAPPELIJKE TEST: Oogstrelende proef mist bewijsmateriaal

De eerste rapporten over koude fusie beloofden meer dan wetenschappelijk verantwoord was. Onderzoekers hebben de resultaten niet systematisch kunnen repliceren, dus de haalbaarheid van koude fusie is twijfelachtig.

Koude fusie - energiecrisis resultaat stap 1
© Ken Ikeda Madsen

Reproduceerbaarheid: het resultaat kan niet worden herhaald.

In het experiment van Fleischmann en Pons uit 1989 zijn de resultaten zeer uiteenlopend, net als in latere proeven. Pas als een experiment door meerdere onderzoekers is herhaald met dezelfde resultaten is het geloofwaardig.

Koude fusie - energiecrisis resultaat stap 2
© Ken Ikeda Madsen

Theorie: wetenschappers hebben geen verklaring

Wetenschappelijke experimenten moeten gebaseerd zijn op een theorie die getest kan worden. Volgens de bekende natuurkunde zou fusie van zware waterstof neutronen, protonen of gammastralen moeten produceren, maar bij koude fusie is dit niet waargenomen.

Koude fusie - energiecrisis resultaat stap 3
© Ken Ikeda Madsen

Foutenbronnen: onnauwkeurige metingen zaaien twijfel

Bij de eerste proeven was de apparatuur niet betrouwbaar genoeg om de warmteontwikkeling te kunnen meten. Fouten en andere onbekende factoren die de resultaten beïnvloedden, waren niet uit te sluiten. Dit roept twijfel op over het experiment.

De belangstelling voor koude fusie is echter nooit helemaal verdwenen, en de laatste jaren hebben diverse economische zwaargewichten belangstelling getoond voor het omstreden onderzoek.

In 2015 sloeg Google de handen ineen met 30 onderzoekers van vier gerenommeerde onderzoekslaboratoria in de VS en Canada. Het doel was om na te gaan wat er in eerdere experimenten mis zou kunnen zijn gegaan en hoe het beter kan.

De onderzoekers slaagden er wel in koude fusie tot stand te brengen met een verbeterde methode waarbij deuterium in de vorm van plasma werd gebruikt. Maar het resultaat had geen praktische toepassing omdat de methode veel meer energie vrat dan de fusie opleverde.

Experiment energiecrisis

Door Google gefinancierde onderzoekers hebben geprobeerd koude fusie tot stand te brengen met een verbeterde methode.

© Marilyn Sargent/Lawrence Berkeley National Laboratory

De onderzoekers van Google maten dat de fusie neutronen uitstootte, en van de drie mogelijke fusieprocessen voor deuterium geeft dat proces de minste energie af. Daarom probeerden ze tot een fusieproces te komen dat gammastraling uitzendt en acht keer zo veel energie ontwikkelt, maar dat is nooit gelukt.

Japanners zetten de verwarming hoger

Ook in Japan hebben grote bedrijven als Toyota en Nissan, vooral bekend om hun auto’s, koude fusie omarmd.

In samenwerking met kernfysicus Akito Takahashi van de universiteit van Osaka hebben zij geëxperimenteerd met palladiumkathoden verrijkt met nanodeeltjes van nikkel en zirkonium. Deze combinatie kan veel meer deuterium opnemen, waardoor de kernen dichter bij elkaar komen te liggen en de kans op fusie toeneemt.

Bij kamertemperatuur produceerde de Japanse proefopstelling korte perioden extra energie, maar toen de onderzoekers de temperatuur opvoerden tot 200-300 °C, gebeurde er iets.

Nu begon het systeem een overmaat aan energieproductie te leveren van 3-24 watt, wat enkele weken kon aanhouden. De experimenten leverden bovendien veelal dezelfde resultaten op toen ze op twee universiteiten werden herhaald.

Dit is een sterke aanwijzing dat de extra energieproductie niet slechts aan toeval te wijten was.

24 watt was de energieopbrengst toen de temperatuur werd verhoogd tot boven de 200 °C.

Akito Takahashi en collega’s hadden slechts één probleem: geen van de reactieproducten leek te wijzen op deuteriumfusie, en dus is het onzeker of er überhaupt fusie heeft plaatsgevonden.

De onderzoekers namen het woord fusie dus niet eens in de mond toen ze de resultaten in 2018 vrijgaven. Ze merkten alleen op dat de stabiele energieontwikkeling niet kon worden toegeschreven aan bekende chemische processen.

Hoewel koude fusie raadselachtig blijft, ontstaat nu het beeld dat Martin Fleischmann en Stanley Pons er in 1989 misschien niet helemaal naast zaten.

Destijds werd het hele experiment snel weggewimpeld, maar met de betere materialen en meetapparatuur van nu zijn er aanwijzingen dat de experimenten herhaalbaar zijn en dus vaak dezelfde resultaten opleveren.

Maar het blijft moeilijk om de reactieproducten te ontdekken die je bij fusie zou verwachten, dus misschien is het verstandiger om net als Akito Takahashi het woord fusie te vermijden en alleen op te merken dat er een nieuwe manier is gevonden om energie te produceren.