Czy zimna fuzja może zmienić świat w nadchodzących dekadach?

Rząd USA ogłosił, że jego naukowcom udało się zrobić pierwszy krok ku zdobyciu niemal niewyczerpalnego źródła taniej energii. Droga do zastosowania tego odkrycia w energetyce może być bardzo długa. Niektórzy wskazują jednak, że zimną fuzję osiągnięto już dużo wcześniej.

– USA zrobiły pierwszy próbny krok w stronę źródła czystej energii, które zrewolucjonizuje świat – ogłosiła 13 grudnia 2022 r. Jill Hruby, szefowa amerykańskiej Narodowej Administracji Bezpieczeństwa Nuklearnego (NNSA). Mówiła o eksperymencie przeprowadzonym w kalifornijskim National Ignition Facility. W tym ośrodku badawczym położonym pod San Jose prowadzi się eksperymenty odtwarzające w mikroskali procesy zachodzące wewnątrz bomb nuklearnych. Tym razem prowadzono tam prace, w ramach których doszło do czegoś, co może być uznane za zimną fuzję jądrową. – W zeszłym tygodniu strzelali laserami w pakiet paliwowy i w wyniku zapłonu fuzyjnego uwolnione zostało więcej energii, niż dostarczyły lasery – wyjaśniał Arati Prabhakar, dyrektor w Biurze ds. Nauki i Technologii Białego Domu.

Ta wiadomość spotkała się z raczej umiarkowanym zainteresowaniem opinii publicznej. Wszak dotyczyła skomplikowanego eksperymentu fizycznego, którego pełne znaczenie może zrozumieć jedynie wąska grupa specjalistów. Na horyzoncie pojawiła się jednak nadzieja, że świat zyska technologię, która zapewni mu ogromne ilości taniej energii. Technologia ta może przyspieszyć proces odejścia świata od paliw kopalnych, a przy tym sprawić, że wszelkie plany zielonej transformacji trzeba będzie wyrzucić do kosza i napisać od nowa. Świat zyska źródło „czystej” energii dużo pewniejsze od zamarzających zimą chińskich turbin wiatrowych. Upadnie też uzasadnienie do tego, by obniżać standard życia Europejczyków i Amerykanów w imię „ratowania planety”. O ile oczywiście zimną fuzję da się wdrożyć...

Święty Graal fizyki

Fuzja lub inaczej synteza jądrowa to reakcja, podczas której dwa jądra atomowe łączą się, tworząc cięższe jądro, i wytwarzają przy tym ogromne ilości energii. Zwykle do zjawiska takiego zachodzi w bardzo wysokich temperaturach, rzędu milionów kelwinów (czyli na przykład wewnątrz gwiazd). Zimna fuzja to natomiast taka reakcja, ale przeprowadzona w dużo niższej temperaturze. (Za zimną fuzję nie uznaje się podobnej reakcji powstałej w wyniku zderzania jąder atomowych w akceleratorach). Odtworzenie takiego procesu jest nazywane czasem „świętym Graalem” lub „kamieniem filozoficznym” fizyki. Ten bowiem, kto zdoła go przeprowadzić w sposób powtarzalny, ten stworzy technologię, która może ogromnie przyspieszyć postęp technologiczny na świecie.

W eksperymentach z zimną fuzją wykorzystywane są deuter i tryt – dwa izotopy wodoru. Teoretycznie kilogram takiego paliwa może zapewnić tyle energii, co 10 tys. ton ropy naftowej. Nie powstają przy tym produkty uboczne w postaci gazów cieplarnianych czy odpadów nuklearnych. Naukowcy z National Ignition Facility osiągnęli syntezę jądrową, kierując wiązki 192 laserów wewnątrz długiego na 1 cm złotego cylindra. W cylindrze tym znajdowała się bardzo mała kapsułka z deuterem i trytem. Wiązki lasera rozgrzały wewnętrzne ściany pojemnika do 3 mln stopni Celsjusza. W wyniku tego powstały promienie X, które zaczęły bombardować kapsułkę z paliwem i zainicjowały jej implozję osiągającą tempo 400 km na sekundę. Doszło do syntezy deuteru i trytu, której produktem stał się hel, neutrony i energia. Lasery dostarczyły do cylindra 2,05 megadżula energii. W trakcie reakcji wyprodukowane zostało natomiast 3,15 megadżula energii. – Wyprodukowanie takiej ilości energii trwało krócej, niż zajmuje światłu przebycie jednego cala – stwierdził Marvin Adams, naukowiec z NNSA.

Choć ten eksperyment przyniósł zadziwiające wyniki, to jak na razie trudno sobie wyobrazić, by takie rozwiązanie zostało szybko wdrożone w energetyce. Lasery wykorzystane do przeprowadzenia reakcji trzeba bowiem skądś zasilać dużymi ilościami prądu. Mogą one strzelać raz dziennie, podczas gdy w komercyjnym reaktorze potrzeba będzie przeprowadzać takie reakcje o wiele częściej – nawet dziesięć razy na sekundę. Potrzebne będą też tanie kapsułki paliwowe i przede wszystkim sposób na przechwytywanie energii wytwarzanej w czasie fuzji.

– Kilka dekad badań pozwoli nam zbudować elektrownię – zapowiedziała Kimberley Budil, dyrektorka Narodowego Laboratorium Lawrence’a Liveromore’a. Amerykanie nie spodziewają się więc szybkiego skomercjalizowania tego odkrycia. Europejskie środowiska naukowe również nie widzą możliwości szybkiego wykorzystania odkryć z dziedziny zimnej fuzji.

– Jak na razie poświęcamy duże ilości czasu i pieniędzy na eksperymenty. Potrzebujemy bardzo mocno obniżyć ich koszty – wskazuje Jeremy Chittenden, jeden z dyrektorów Centrum Studiów nad Fuzją Inercyjną w londyńskim Imperial College.

Metoda naukowa

O tym, że zimna fuzja będzie możliwa do przeprowadzenia „w ciągu najbliższych 30 lat”, słyszymy od naukowców już od kilku dekad. Niektórzy z nich twierdzą jednak, że zimną fuzję uzyskano już prawdopodobnie... ponad 30 lat temu.

W 1989 r. Stanley Pons, fizyk z Uniwersytetu Utah, oraz Martin Fleischmann, naukowiec z Uniwersytetu Southampton, ogłosili, że doprowadzili do zimnej fuzji atomów deuteru, za pomocą stosunkowo prostej metody – elektrolizy ciężkiej wody przeprowadzonej z użyciem elektrody palladowej. Podczas tych eksperymentów zaobserwowali, że temperatura wody nagle rosła do 50 stopni Celsjusza, choć nie dochodziło do zmian w ilości energii dostarczanej przez elektrodę. Doniesienia o wynikach tego eksperymentu były wówczas sensacją. Środowiska naukowe podeszły jednak bardzo sceptycznie do sprawy. Znacznej większości naukowców próbujących odtworzyć eksperyment Ponsa-Fleischmanna nie udało się osiągnąć efektu nagłego skoku temperatury wody. Amerykański Departament Energii odmówił przyznania Ponsowi i Fleischmannowi grantu na dalsze badania. Ci naukowcy byli oskarżani o dokonanie mistyfikacji, ale być może odkryli jakiś autentyczne, acz trudne do odtworzenia zjawisko.

Zimnej fuzji nie uznali bynajmniej za szarlatanerię naukowcy pracujący dla amerykańskich sił zbrojnych. Od 1989 r. prowadzą oni badania nad zimną fuzją w Centrum Systemów Wojny Kosmicznej i Morskiej (SPAWAR) w San Diego. Ich raport z 2002 r. poświęcony tej technologii skłonił w 2004 r. Departament Energii do ponownej oceny dotychczasowych eksperymentów z zimną fuzją. Panel ekspertów tego resortu nie mógł dojść do porozumienia, czy dotychczasowe eksperymenty z tą technologią przyniosły pozytywne efekty, ale zgodził się, że rząd powinien wspierać obiecujące projekty badawcze w tej dziedzinie.

W 2002 r. Rusi Taleyarkhan, fizyk z amerykańskiego Narodowego Laboratorium Oak Ridge, stwierdził, że reakcja fuzji może zachodzić wewnątrz bąbelków gazu ściskanych za pomocą ultradźwięków. W 2004 r. jego odkrycie potwierdził Emil Venere, fizyk z Uniwersytetu Purdue, realizujący projekt dla Agencji Zaawansowanych Projektów Obronnych (DARPA). Establishment naukowy kwestionował jednak wyniki ich badań. Nie chciał też zaakceptować powtarzalnych wyników eksperymentów profesora Yoshiakiego Araty z Uniwersytetu w Osace, który uzyskiwał dodatkową energię po wystawieniu proszku palladowego i tlenku cyrkonu na działanie deuteru pod wysokim ciśnieniem. Czy te eksperymenty rzeczywiście dawały niejasne wyniki, czy też może innym profesorom fizyki nie chce się przerabiać swoich prac i podręczników?