Heiße News zur kalten Fusion

Auch fünfzehn Jahre nachdem die erste kontroverse Debatte um die kalte Fusion Schlagzeilen machte, ist dieser Wissenschaftsbereich nicht ausgestorben. Eine kleine Gruppe Gläubiger macht weiter mit ihren Experimenten - und kann inzwischen konsistente Ergebnisse vorlegen. Das Physiker-Establishment spöttelt zwar nach wie vor, aber einige Wissenschaftler, die den Forschungsbereich genau beobachtet haben, sehen entscheidende Fortschritte. Und auch für das US-Energieministerium rechtfertigen die aktuellen Ergebnisse, sich die kalte Fusion noch einmal genauer anzuschauen.

Die Fusion der Kerne von Wasserstoffatomen ist der Energielieferant der Sonne –- und könnte auch auf der Erde zu einer praktisch unbegrenzten Energiequelle werden. Aber die Fusion ist außerordentlich schwer in den Griff zu bekommen, weil die Abstoßung zwischen den Kernen sehr stark ist. In der Sonne wird die Abstoßung aufgrund der massiven Hitze und des großen Drucks überwunden. Auch auf der Erde erreichen thermonukleare Bomben vorübergehend diesen Zustand. Aber der Bau eines Fusionsreaktors, der diese enorme Hitze in nutzbare Energie umwandelt, gilt als extrem schwierig. Auch nach jahrzehntelanger Forschung kann der für die Fusion notwendige Zustand nur kurzzeitig erzeugt werden. Außerdem benötigen experimentelle Fusionsreaktoren zum Anlaufen noch immer mehr Energie, als sie anschließend produzieren.

Umso erstaunter war die Physiker-Welt, als 1989 zwei Elektrochemiker der University of Utah, Stanley Pons und Martin Fleischmann, behaupteten, die Kernfusion bei Raumtemperatur erreicht zu haben. Bei ihrem Experiment reagierte Deuterium -- das stabile schwere Isotop von Wasserstoff -- mit Palladium-Elektroden. Nach vielen Stunden Betriebsdauer soll nach Angaben der beiden Experimentatoren tatsächlich mehr Hitze erzeugt worden sein, als es durch eine rein chemische Reaktion möglich gewesen wäre. Anfangs sah es so aus, als ob Pons und Fleischmann einen revolutionär einfachen Weg gefunden hätten, um Fusionsenergie zu erzeugen. Labore in aller Welt versuchten, das scheinbar simple Verfahren zu reproduzieren –- jedoch ohne offensichtlichen Erfolg. Innerhalb weniger Wochen schrieben die meisten Physiker die kalte Fusion als Fehlschlag ab: ein Versuchsergebnis, das den bekannten Gesetzen der Physik widersprach.

Das Potenzial grenzenloser Energiereserven faszinierte dennoch einige Möchtegern-Revolutionäre in der Wissenschaft, die weiter an dem Problem arbeiteten –- in der Regel ohne Erfolg. Doch manchmal schien bei ihren Experimenten tatsächlich mehr Energie produziert zu werden, als sie durch die chemische Reaktion erwarten konnten. Zudem fanden sie Spuren von potenziellen Kernfusionsprodukten. Waren bislang unbekannte physikalische Effekte am Werk?

Beweise für diese "neue Physik" werden seit Jahren gesucht, erzählt Peter Hagelstein, außerordentlicher Professor für Elektroingenieurwesen und Informatik am MIT, der im letzten August der zehnten internationalen Konferenz zur kalten Fusion in Cambridge vorsaß. Experimente, die unter seriösen kontrollierten Bedingungen durchgeführt werden, produzieren demnach tatsächlich verlässlich mehr Hitze, als die Standard-Theorien vorhersagen. Nukleare Beiprodukte tauchen in etwa der Menge auf, die in Relation zur erzeugten Hitze steht. Muster wurden entdeckt, die frühere Anomalien erklären. Nachdem Hagelstein auf der Konferenz erlebte, wie die Puzzleteile plötzlich scheinbar zusammenpassten, drängte er das US-Energieministerium darauf, das von der orthodoxen Wissenschaft verlachte Feld neu zu überdenken.

In den letzten 15 Jahren haben die Enthusiasten der kalten Fusion 3000 wissenschaftliche Arbeiten zum Thema verfasst, aber nur wenige wurden in den Wissenschaftsjournalen der Welt veröffentlicht. Die meisten Ergebnisse ließen sich nicht nachvollziehen. Die Idee der "freien Energie" klang eher nach einem Perpetuum Mobile als nach Physik. Auch Hagelstein, selbst auf zahlreichen Gebieten wie Optik, Energie und Nuklearphysik zuhause, hält die meisten Paper für wenig hilfreich. Doch 50 der wissenschaftlichen Arbeiten zeigten interessante, nachvollziehbare Effekte: "Der Hitzeeffekt wurde vielfach wiederholt." Er funktioniert aber nur dann, wenn Deuterium verwendet wird, und nicht mit normalem Wasserstoff anstelle des schweren Isotops. Exaktere Ablesungen mit Hitzemessinstrumenten konnten Kritikpunkte am Originalexperiment entkräften. Die Fusionshitze sei nicht mehr zu leugnen, so Hagelstein.

Außerdem entsteht Helium-4, ein mögliches Produkt aus der Fusion von zwei Deuteriumkernen. Seine Menge steht in Relation zur entstehenden Hitze. Die Theorie besagt, dass eine Fusionsreaktion 24 Millionen Elektronen-Volt (MeV) Energie pro Helium-4-Kern erzeugen soll. Michael McKubre von SRI International entdeckte 31 MeV, was innerhalb der Experimentalabweichungen von plus oder minus 13 MeV liegt. Skeptiker halten die Reaktion nach wie vor für unmöglich. Hagelstein meint aber, dass die Fusion dank McKubres Analyse "nicht mehr so verrückt erscheint, wie anfänglich gedacht".

McKubre fand auch heraus, dass vorherige Ungereimtheiten bei der Hitzeentstehung im Experiment ihre Ursache in unterschiedlichen Mengen von Deuterium in den Palladium-Elektroden hatten. Immer dann, wenn die Anzahl der Deuteriumatome derjenigen der Palladiumatome entsprach oder höher lag, entstand die Fusionshitze. Geringfügig kleinere Mengen an Deuterium führten hingegen zu inkonsistenten Resultaten und bei einem deutlich reduzierten Deuteriumanteil wurde keine zusätzliche Hitze produziert. Die Deuteriumzufuhr ist aber schwer zu kontrollieren und wird durch die Stärke des Palladium-Metalls limitiert. Unglücklicherweise lässt sich diese nicht leicht bestimmen oder kontrollieren und wird auch nicht durch besonders reines Palladiums verbessert: Leicht verunreinigtes Palladium erwies sich bei den Experimenten als stabiler als die Reinform.

George Miley, Fusionsphysiker an der University of Illinois in Urbana-Champaign ist nach diesen neuen Beweisen überzeugt davon, dass "hier wichtige physikalische Phänomene ablaufen". Die Skeptiker änderten ihre Meinung bislang zwar nicht, doch neutrale Beobachter zeigen sich zunehmend davon überzeugt, dass bei den Experimenten ein echtes Phänomen zu beobachten ist. Was dabei tatsächlich abläuft, ist aber noch unklar. "Das Feld wurde bisher von den Experimenten bestimmt. Wir müssen nun die Theorien weiterentwickeln, damit sie uns helfen, die Experimente weiter zu führen", so Miley.

Theoretiker wie Hagelstein sollen die klaffende Lücke zwischen der traditionellen Kerntheorie und den Versuchsergebnissen bei der kalten Fusion schließen. Er vermutet, die Schwierigkeit liegt in einer grundlegenden Annahme der 70 Jahre alten Nuklearphysik, dass nämlich nukleare Interaktionen zwischen zwei Partikeln im Vakuum erfolgen. Dieser Annahme widerspricht die kalte Fusion, bei der die Partikel in engen Metallgittern interagieren. Hagelsteins Idee ist, dass die Kerne des schweren Wassers Vibrationsenergie oder "Phononen" mit den sie umgebenden Palladium-Atomen austauschen. Dieser Austausch treibt die Interaktion zwischen den Kernen voran, die sonst verschwindend gering wäre. So werden die Reaktionen bei der kalten Fusion ermöglicht. Hagelsteins Theorie entwickelt sich gerade erst, doch sie soll schon bald überprüfbare Voraussagen treffen. Dies gilt als wichtiger Schritt, um aus der kalten Fusion eine glaubwürdige Wissenschaft zu machen. "Mit der Zeit werden wir hoffentlich das Puzzle weiter zusammensetzen", sagt Hagelstein.

Ein positiver Bescheid vom US-Energieministerium wäre ein Türöffner für dringend benötigte Forschungsgelder. Aber auch wenn die kalte Fusion physikalisch bestätigt wird, gibt es weitere wichtige Fragen. Ist der Effekt stark genug für die praktische Energieproduktion? Falls ja, stellt die kalte Fusion trotzdem nicht unbedingt eine direkte Konkurrenz zur heißen Fusion dar, sagt Miley, der in beiden Bereichen forscht. Die kalte Fusion arbeitet im kleinen Rahmen, könnte also in kleinen, verteilten Energiemodulen Verwendung finden. Die heiße Fusion läuft eigentlich in der Sonne ab; könnte sie auf der Erde kontrolliert werden, dann würde sie in großen Reaktoren stattfinden, die ihre Energie ins Stromnetz einspeisen würden.

Solche Ziele sind aber noch Zukunftsmusik. Vorerst hofft die kleine Gemeinde der Fusions-Gläubigen darauf, dass sie nach einem 15-jährigen Kampf endlich ernst genommen wird. (kar)