Das Pons-Fleischmann-Experiment: Kernfusion bei Raumtemperatur?

Als die University of Utah 1989 einen Durchbruch in der Kernfusion verkündete, schien unbegrenzte saubere Energie in greifbarer Nähe zu sein. Leider war das ein Wunschtraum.

Kalte Kernfusion
Kalte Kernfusion: Das Pons-Fleischmann-Experiment

Im März 1989 hatten Zeitungen auf der ganzen Welt Schlagzeilen wie „Elektrochemiker entdecken Quelle für saubere, unbegrenzte Energie!“ Die dazugehörigen Geschichten erzählten von der Entdeckung zweier Wissenschaftler der University of Utah, Stanley Pons und Martin Fleischmann, die behaupteten, die Kernfusion bei Raumtemperatur in einem Glas erzeugt zu haben.

Was ist Kernfusion?

Fusion ist der Prozess, bei dem sich zwei oder mehr Atomkerne zu einem oder mehreren unterschiedlichen Atomkernen und subatomaren Teilchen, wie Neutronen oder Protonen, verbinden. Der Massenunterschied zwischen den Kernen, mit denen man beginnt, und denen, mit denen man endet, wird gemäß Einsteins berühmter Formel E = mc2 in Energie umgewandelt, wobei E die Energiemenge, m die Masse und c2 die Lichtgeschwindigkeit im Quadrat ist.

Die Fusion ist der Antrieb für Sterne wie unsere Sonne und für thermonukleare oder Wasserstoffbomben. Auf der Oberfläche der Sonne, wo Temperaturen von bis zu 15.000.000 Grad Celsius und enorme Drücke herrschen, fusionieren Wasserstoffatome und erzeugen Heliumatome.

Um hier auf der Erde eine Fusion zu erzeugen, muss man zunächst ein Plasma erzeugen, das ein ionisierter Zustand der Materie ist, ähnlich wie ein Gas. In einem Plasma sind die Elektronen von den Atomkernen getrennt, und das Plasma besteht aus geladenen Teilchen – positiven Kernen und negativen Elektronen.

Um ein Fusionsplasma zu erzeugen, müssen Sie drei Bedingungen erfüllen: 1. Sehr hohe Temperatur, um hochenergetische Kollisionen zu provozieren 2. Ausreichende Plasmateilchendichte, damit Kollisionen auftreten 3. Ausreichende Zeit, um das Plasma in einem definierten Volumen einzuschließen.

Da das Plasma heiß genug ist, um jedes Gefäß zu schmelzen, das es berührt, muss es durch etwas anderes als Materie eingekreist werden, und in Tokamak-Geräten sind das Magnetfelder.

Ein Tokamak ist ein Gerät, das ein starkes Magnetfeld verwendet, um ein heißes Plasma in der Form eines Torus, also einer Donut-Form, einzuschließen. Atome von Deuterium oder Tritium verschmelzen zu einem Heliumkern, einem Neutron und einer spektakulären Menge an Energie.

Deuterium ist ein Isotop des Wasserstoffs mit einem Kern, der ein Proton und ein Neutron enthält. Dies ist die doppelte Masse eines gewöhnlichen Wasserstoffkerns, der nur ein Proton enthält. Tritium ist ein beta-emittierendes radioaktives Isotop des Wasserstoffs mit einem Kern, der ein Proton und zwei Neutronen enthält. Tritium ist dreimal so schwer wie normaler Wasserstoff und 1,5 mal so schwer wie Deuterium. Deuterium ist in gewöhnlichem Meerwasser mit 150 Teilen pro Million zu finden.

Ein Beispiel für einen Reaktortyp vom Typ Tokamak ist der I.T.E.R.-Reaktor in Frankreich.

Eine andere Art von Kernfusionsreaktor wird Trägheitseinschlussreaktor genannt. Er verwendet Pulse von ultrastarken Lasern, um die Oberfläche eines Brennstoffpellets zu erhitzen, bis es implodiert. Dadurch wird es heiß und dicht genug, damit seine Atome fusionieren können. Ein Beispiel für diese Art von Reaktor ist die National Ignition Facility in den USA.

Unterm Strich erzeugt die Kernfusion viermal mehr Energie als die Kernspaltung und vier Millionen Mal mehr Energie als eine chemische Reaktion, wie die Verbrennung von Gas, Öl oder Kohle. Ein einziges Glas Meerwasser könnte die gleiche Energiemenge erzeugen wie die Verbrennung eines Fasses Öl, und es würde kein Abfall entstehen. Die Fusion könnte den gesamten Energiebedarf der Menschheit decken, ohne zur globalen Erwärmung beizutragen.

Das Fiasko der kalten Fusion

Kalte Fusion: Elektrolyse
Kalte Fusion: Elektrolyse

All dies ist der Grund, warum Pons‘ und Fleischmanns Ankündigung der Kernfusion bei Raumtemperatur in einem Glas so verlockend klang. Pons und Fleischmann hatten eine Flasche mit schwerem Wasser gefüllt, also Wasser, das aus Deuterium und Sauerstoff besteht. Dann leiteten sie einen elektrischen Strom von einer Palladium-Kathode durch das schwere Wasser, und das Palladium absorbierte Deuterium-Atome, die nach Pons und Fleischmann, zwang sie zu verschmelzen, und erzeugt Wärme und Neutronen.

Nachdem die University of Utah die Entdeckung am 23. März 1989 bekannt gegeben hatte, versuchten Wissenschaftler auf der ganzen Welt, das Experiment zu replizieren. Ein Team unter der Leitung von Dr. Nathan Lewis am California Institute of Technology verwendete eine empfindlichere Ausrüstung als das Team in Utah, und sie fanden heraus, dass keine Fusion stattgefunden hatte. Sie fanden auch, dass keine Neutronen, Gammastrahlen, Tritium oder Helium emittiert wurden, wie das Team in Utah behauptet hatte.

Bis Mai 1989 Physiker bei einem Treffen der American Physical Society in Baltimore, Maryland entfesselte eine Flut von Angriffen auf Pons und Fleischmann. Dr. Lewis sagte den 1.800 versammelten Physikern, dass „Pons niemals eine unserer Fragen beantworten würde …“ Dr. Steven E. Koonin von Caltech beschrieb das Utah-Experiment als das Ergebnis „der Inkompetenz und Verblendung von Pons und Fleischmann.“

Ein Wissenschaftler der University of Maryland hatte Dr. Pons gebeten, zum A.P.S.-Treffen in Baltimore zu kommen, aber Pons hatte geantwortet, dass „… er zu sehr damit beschäftigt wäre, die kalte Fusion mit einem Kongressausschuss zu diskutieren, um nach Baltimore zu kommen.

Andere Institutionen schlossen sich an, darunter das Massachusetts Institute of Technology, das Lawrence Berkeley Laboratory, die University of Rochester, das Brookhaven National Laboratory, die Yale University und das CERN.

In Reaktion, University of Utah Direktor der Forschung, Dr. James Brophy, sagte: „Es ist schwer zu glauben, dass nach fünf Jahren der Experimente Dr. Pons und Dr. Fleischmann könnte einige der Fehler, die ich gehört habe, wurden auf der American Physical Society Sitzung behauptet gemacht haben.“ Die Kritik kam kurz nachdem die Universität von Utah den US-Kongress gebeten hatte, 25 Millionen Dollar zur Verfügung zu stellen, um die Forschung von Pons und Fleischmann weiterzuführen.

Im Januar 1991 verließ Pons die University of Utah und zog nach Frankreich, wo er und Fleischmann ihre Forschung mit Unterstützung des IMRA-Labors der Toyota Motor Corporation wieder aufnahmen. Das Experiment zur kalten Fusion wurde 1998 eingestellt, nachdem 40 Millionen Dollar ausgegeben wurden, ohne dass greifbare Ergebnisse gefunden wurden.

Während Pons seitdem keine öffentlichen Erklärungen mehr abgab, hielt Fleischmann weiterhin Vorträge und veröffentlichte Arbeiten.

Kalte Fusion in den Medien

Das Pons-Fleischmann-Experiment wurde in der Serie „Die Simpsons“ gezeigt. Der Film „Bullseye!“ von 1990 bezog sich auf das Experiment, und der Dokumentarfilm „The Believers“ von 2012 handelte von Pons und Fleischmann. Adobe ColdFusion wurde nach dem Experiment benannt, ebenso wie eine Marke von Proteinriegeln, die von Cold Fusion Foods hergestellt werden.

Und in der letzten Szene des beliebten Films „Zurück in die Zukunft“ von 1985 nutzt Doc Brown die kalte Fusion, um seine Zeitmaschine Delorean anzutreiben und Marty und Jennifer „zurück in die Zukunft“ zu bringen.