Kan fusie bij kamertemperatuur gratis energie opleveren?

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.