Kylmä fuusio sytyttää uudelleen puhtaan energian unelmat ilman kuumaa plasmaa

Tarkoittaako ydinfuusio vain kuumaa fuusiota?

Nuclear fusion is the Holy Grail of energy research. It would deliver massive amounts of clean energy, producing no nuclear waste or carbon emissions, while using a fuel so abundant that it makes up the majority of matter in the universe.

Se on myös uskomattoman vaikea saavuttaa, koska ainoa tapa, jonka tiedämme ydinfuusion tapahtumiseksi, on jäljitellä tähtien sisäisiä olosuhteita, joissa paine ja lämpötila ovat kymmeniä tai satoja miljoonia asteita.

Tämä voidaan toteuttaa voimakkaiden magneettikenttien avulla, jotka rajoittavat ja puristavat äärikuumaa plasmaa. Tai sadoilla tehokkailla laseilla, jotka kaikki on synkronoitu kohdistumaan samaan pisteeseen. Kuitenkin kaikki nämä menetelmät kamppailevat fuusioreaktion ylläpitämisen kanssa riittävän pitkään, jotta “maksu” aloitusenergiasta saadaan takaisin.

Source: IEEE

Ydinfuusion monimutkaisuutta ja sen potentiaalia ratkaista energiapulamme käsiteltiin tarkemmin artikkelissamme “Nuclear Fusion – The Ultimate Clean Energy Solution on the Horizon.”

Mutta entä jos ydinfuusio voisi tapahtua erilaisissa olosuhteissa, käyttäen materiaalitiedettä, harvinaisia metalleja ja kemiaa korkean tehon plasmafysiikan sijaan?

Tämä on “kylmän fuusion” lupaus, ala, jota pitkään pidettiin epätieteellisenä ja tieteellinen yhteisö pilkasi. Tämä jatkui, kun arvostetussa Nature-lehdessä julkaistiin tieteellinen artikkeli nimeltä “Observation of neutron emission during acoustic cavitation of deuterated titanium powder.”

Kylmän fuusion historia

Vuonna 1989 tutkijat Stanley Pons ja Martin Fleischmann väittivät saavuttaneensa kylmän fuusion. Valitettavasti vuosien yritykset toistaa löydökset tieteellisessä yhteisössä ovat tähän mennessä epäonnistuneet, johtuen huonolaatuisesta tiede- tai jopa suorasukaisesta petoksesta.

Seuraava kiista vahingoitti pysyvästi tämän käsitteen mainetta. Tämä johti myös sen suosioon harrastajien, huijareiden ja epävakavien “keksijöiden” keskuudessa, jotka eivät halunneet altistaa “löytöään” vertaisarvioinnille ja tieteelliselle tarkastelulle.

Siitä huolimatta pieni joukko tiedemiehiä jatkaa tutkimusta, yleensä vähemmän kiistanalaisilla nimillä kuten Low Energy Nuclear Reactions (LENR), Condensed Matter Nuclear Science (CMNS) tai Chemically Assisted Nuclear Reactions (CANR).

Uusi kiinnostus alaa kohtaan on noussut 2020-luvulla, kun ihmiset pyrkivät ylittämään amatööritutkimuksen leiman. Merkittävänä esimerkkinä Yhdysvaltain hallituksen virasto ARPA‑E ilmoitti vuonna 2023 myöntävänsä useita apurahoja tutkimusryhmille, jotka tutkivat matala‑energia‑ydinreaktioita (LENR), NASA‑tutkijoiden vuonna 2020 saavutettujen lupaavien tulosten jälkeen.

NASA‑tiimi kutsui menetelmäänsä “lattice confinement fusion”. He korostivat, että heidän työnsä ei ollut kylmä fuusio vaan erityinen kuuman fuusion muoto.

Silti fuusion aikaansaaminen ilman plasmaa osoitti, että ydinfuusio voidaan toteuttaa useamminkin kuin aiemmin ajateltiin, ja todellinen kylmä fuusio saattaa edelleen olla mahdollinen.

Kylmän fuusion kaksi pääkonseptia

Metallipohjainen fuusio

Kylmän fuusion ehdotettu menetelmä, jonka Pons & Fleischmann alun perin esittivät 1989, sisälsi materiaalien muodonmuutoksen, jonka avulla vetyatomit loukkuutuvat ja pakotetaan fuusioitumaan. Tähän on ehdotettu vetyä sisältäviä metalleja, kuten palladiumia, erbiumia ja titaania.

Yleinen ajatus on, että absorboimalla vetyatomeja ja tuomalla ne lähelle toisiaan, metalliristikko muuttuisi muotoaan. Tämä voisi jollain tavalla helpottaa vetyatomien sulautumista heliumiksi.

Vaikka se ei ole täysin mahdotonta, fyysikot ovat olleet skeptisiä ideasta alusta alkaen, koska energia‑tasot, jotka tarvitaan vetyydinten välisten hylkimisvoimien voittamiseen, ovat valtavat.

Kupla‑fuusio

Toinen ajatus on, että ydinfuusio voisi tapahtua kuplissa niiden romahtaessa; esimerkiksi kuplat voivat muodostua vedessä ultraäänien vaikutuksesta, mikä on myös joskus kutsuttu sonofuusioon.

Teoriassa kuplan romahtamisen aiheuttamat iskuaallot nesteessä voisivat olla riittävän voimakkaita aiheuttamaan fuusiota, ei aivan erilaisella tavalla kuin laserin aiheuttamat iskuaallot.

On myös tiedossa, että kavitaatio voi olla erittäin voimakas voima, esimerkiksi se pystyy kuluttamaan metallisia venesauvoja pelkän kuplan romahtamisen voimasta.

Source: Britannica

Nykyinen tutkimusaihe käsittelee valon emittointia, kun korkean intensiteetin ultraääniaalto aiheuttaa kuplan romahtamisen. Tätä ilmiötä kutsutaan sonoluminesenssiksi, ja se voi luoda hetkellisiä lämpötiloja, jotka ovat kuumempia kuin Auringon pinta.

Jos sonoluminesenssi voi syntyä “lämpötiloista, jotka ovat kuumempia kuin Auringon pinta”, teoriassa myös ydinfuusio voi tapahtua.

Ajatus on yhtä kiistanalainen kuin “klassinen” lattice‑kylmä fuusio, jonka pääedistäjä on laajalti kritisoitu. Mutta vuonna 2013 keskustelu syttyi uudelleen:

Uuden tutkintaraportin mukaan Oak Ridge National Laboratoryn asiakirjoista on herännyt epäilyksiä vuonna 2002 julkistettua tulosta, joka heikensi kiistanalaisen pöytätason ydinfuusiokokeilun uskottavuutta.

Itse asiassa raportin tekijä löysi myös mahdollisesti puolustavaa näyttöä, joka saattaisi tukea joidenkin kiistanalaisten tutkijoiden – mukaan lukien pääkirjoittaja Rusi Taleyarkhan, joka on nyt Purdue‑yliopistossa – väitteitä.

Spectrum IEEE

Kuitenkin uudistunut kiinnostus vuonna 2013 ei tuottanut merkittäviä uusia tuloksia, ja ajatus jäi “kiva idea, mutta ei toimi” -kategoriaan tieteellisessä historiassa.

Vuoden 2024 löytö

Tämä jatkui, kun yksi tutkija, Max Fomitchev‑Zamilov, Maximus Energy Corporationen presidentti Yhdysvalloissa, julkaisi aiemmin mainitun tieteellisen artikkelin Nature‑lehdessä.

Yritys on erikoistunut ydinfysiikan kokeilulaitteiden myyntiin, kuten neutroni‑ ja gammasäteiden detektoreihin, röntgenspektrometreihin, digitaalisiiin pulssinkäsittelimiin, monikanava‑analysoijiin ja spektroskopiaohjelmistoihin.

Elokuussa 2024 tohtori Fomitchev‑Zamilov väitti havaitsevansa mahdollisia fuusiotapahtumia raskaassa vedessä (deuteriumia sisältävässä vedessä) olevien kuplien ja titaanipartikkeleiden sekoituksesta.

Tämä teoriassa yhdistäisi molemmat kylmän fuusion teoreettiset lähestymistavat: titaanin metalliristikko ja sonofuusio.

Olimme pystyneet ylläpitämään neutronintuotantoa useita tunteja ja toistimme kokeen useaan otteeseen erilaisissa olosuhteissa.

Oletamme, että havaitut neutronit syntyvät deuteriumioni‑fuusiosta, joka tapahtuu titaaniristikossa mekaanisen kavitaatiovirtojen vaikutuksesta.

Lattice‑kylmä sonofuusio tarkasteltuna

Kokeen tulokset ovat erittäin mielenkiintoisia. Neutronien huippumäärä oli “10 000x taustatasoa suurempi, ja se tapahtui vain kun toissijaiset ääniaallot rakentavasti interferoituivat tuottaen massiivisia, teräviä painehuippuja muutaman tuhannen psi:n tasolla.“

Neutronintuotantoa pystyi myös ylläpitämään useita tunteja.

On huomionarvoista, että kokeellinen asennus on poikkeuksellisen kompakti ja käyttää suhteellisen “tavallisia” ydinfysiikan detektoreiden ja työkalujen komponentteja, mikä tekee sen jonkin verran helpoksi muille tutkijoille toistaa ja testata.

Source: Nature

Tässä mielessä tohtori Fomitchev‑Zamilovin halukkuus jakaa raakadataa ja kokeellinen asennus on virkistävä liikekohta alalla, joka on usein hallinnut “salaisia reseptejä”.

Hidas edistyminen

Ehkä arvokkaampaa on se, että julkaistussa artikkelissa on useita mainintoja siitä, mikä ei toiminut – jotain, mitä kylmän fuusion harrastajat harvoin myöntävät.

Deuterium‑kuplien kavitaatio mineraaliöljyssä ei toiminut, riippumatta kuplakoon, paine‑amplitudin, taajuuden tai lisättyjen pinta‑aktiivisten aineiden muutoksista. Deuterium‑pisarat eivät myöskään toimineet.

Tällaiset “epäonnistumiset” ovat tärkeitä, sillä ne osoittavat, että neutronien havaitseminen voi olla virhe tai mittausartefakti kokeellisen asetelman takia. Kuitenkin heti, kun deuterium‑titaanipartikkeleita lisättiin deuterium‑veden (raskas vesi) kanssa, havaittiin neutronivirta.

Mielenkiintoisempaa on, että neutronipiikki tapahtui säännöllisesti, synkronoituna ääniaaltojen kanssa.

Source: Nature

Samoin neutronipiikki, joka eroaa taustamelusta ja muista signaaleista, on selvästi nähtävissä, kun näytettä tarkastellaan viiden tunnin ajan ja sen jälkeen käynnistetään ääniaallot.

Source: Nature

Nämä tulokset saavutettiin johdonmukaisesti toistuvasti, ja niitä analysoitiin tarkemmin kuuden kuukauden aikana, mikä vähentää edelleen mahdollisuutta, että kyseessä olisi sattuma tai poikkeuksellinen tapaus, jota ei voida toistaa.

Ei vielä lopullista todistusta

Julkaistu artikkeli myöntää, että kylmä fuusio ei ole ainoa selitys neutronivirran taustalla.

Mitä on demonströity ja mikä tekee tästä läpimurto‑löydöstä merkittävän, on se, että deuterium‑titaanipartikkeleiden + deuterium‑veden + ääniaaltojen/kavitaation yhdistelmällä neutronit emittoituvat.

Esimerkiksi kokeen olosuhteet voisivat luoda ilmiön, jota kutsutaan spallaatio. Tämä on tilanne, jossa korkea‑energia‑syöte (kuten korkea‑energia‑partikkelit) rikkoo ytimen sen osiin, mikä teoriassa voisi aiheuttaa neutronien havaitsemisen.

Source: Springer

Siksi reaktioiden lisäanalyysit ovat tarpeen, ilmeisesti vaativat lisä‑spektroskopisia tutkimuksia.

Suunnitelman parantaminen

Tietenkin toinen huomio on, että nämä tulokset täytyy nyt toistaa muiden tutkijoiden toimesta, jotta ne voidaan täysin luottaa.

Lisää dataa täytyy kerätä kokeista, jotta voidaan ymmärtää, miten neutronintuotantoa ja mahdollista fuusioreaktiota voidaan optimoida.

Materiaalit

Tiedämme tästä julkaisusta, että titaani‑/deuterium‑jauhe öljyssä pysyi vakaana hajoamista ja erottumista vastaan vähintään kuusi kuukautta.

Ennen kuin voimme keskustella tällaisen mahdollisen kylmän fuusion käytännön sovelluksista, meidän on tiedettävä, mitä prosessissa kulutetaan.

Lattice‑kylmän sonofuusion mekanismit

Työskentelevä hypoteesi on, että kavitaatio‑virrat aiheuttavat havaitut neutronipiikit ja oletetun ydinfuusion.

Nämä virrat saattavat “toimia männänä, joka pakkaa deuterium‑ionit titaaniristikossa”. Tällöin virtojen materia ei ole merkittävä, ja H₂O‑pisarat olisivat yhtä tehokkaita kuin D₂O‑pisarat”.

Tai ehkä “virtojen täytyy sisältää deuterium‑ioneja, ja toiminta‑mekanismi on ionisäde, joka osuu deuteratoituun kohteeseen”.

Näiden kahden hypoteesin erottaminen on todennäköisesti seuraava askel tohtori Fomitchev‑Zamiloville.

NASA‑työn kaikuja?

Huomaamme, että “ei‑kylmä ei‑plasma fuusio” –menetelmä, jonka NASA‑tutkijat löysivät vuonna 2020 käytti voimakkaita elektroneja käynnistämään sarjan hiukkaskolisioita, jotka lopulta kiihdyttivät deuterium‑atomia fuusioon.

Tuon esteen voittaminen vaatii hiukkaskoliosarjan. Ensin elektronikiihdyttimen avulla nopeutetaan ja ammutaan elektroneja lähellä olevaan volframikohteeseen. Suihku elektronien ja kohteen välillä luo korkea‑energia‑fotonit, aivan kuten perinteisessä röntgenlaitteessa.

Fotonit fokusoidaan ja ohjataan deuterium‑ladattuun erbium‑ tai titaaninäytteeseen. Kun fotoni osuu deuteriumiin metallissa, se hajottaa sen energiseksi protoniksi ja neutroniksi. Tämän jälkeen neutroni törmää toiseen deuteriumiin, kiihdyttäen sen.

Voisiko kavitaatio, joka jo tunnetaan kykenevän luomaan hetkellisiä lämpötiloja, kuumempia kuin Auringon pinta atomitasolla, jäljitellä samaa prosessia ilman hiukkaskiihdytintä?

Onko puhdas energia ratkaistu?

Jos tämä löytö vahvistetaan ja hiotaan valmiiksi, merkitsisikö se, että ydinfuusio on ratkaistu? Ja että puhdas, runsas energia on vain ajan kysymys? Ehkä, mutta yksi keskeinen tieto puuttuu: vaikka tiedämme neutronien emittoitumisen, emme tiedä, kuinka paljon energiaa järjestelmä tuottaa.

Joten ongelma, joka on tähän mennessä estänyt kuuman fuusion tuottamasta enemmän energiaa kuin se kuluttaa, saattaa olla myös kylmän fuusion haaste.

Kannustava seikka on, että tohtori Fomitchev‑Zamilov työskentelee laboratoriopöydällä, kaukana laitoksista kuten Yhdysvaltain National Ignition Facility (NIF), joka tuottaa 500 triljoonaa wattia huipputehoa yhdessä pisteessä 192 voimakkaan laserin avulla.

Niinpä vaikka energian tuotto saattaa olla maltillista, voimme päätellä, että syöttökin oli samankaltaista.

Investointi ydinfuusioon

Tieteellisenä ideana, joka on noussut huonon maineen varjosta – maine, joka oli lähes uran loppu kaikille fyysikoille, jotka edes yrittivät sitä – kylmä fuusio ei ole tänä päivänä sijoittajien saavutettavissa.

Raskas vesi on hyvin pieni markkina, jonka maailmanlaajuinen kauppavolyymi on vain 161 miljoonaa dollaria (ja hieman enemmän tuotetaan paikallisesti), ja Kanada on suurin viejä. Yksi yksityinen toimittaja on laboratoriolaitteiden ja kulutustarvikkeiden jättiläinen Sigma‑Aldrich, osa Merck KGaA‑yritystä (MRK.DE).

Tällä hetkellä yksikään yritys, joka pyrkii tekemään kuumaa ydinfuusiota kaupallisesti kannattavaksi, ei ole julkisesti listattuna. Tämä koskee Helionia, General Fusionia, Commonwealth Fusionia, TEA Technologiesia, ZAP Energyä ja NEO Fusionia.

Voit löytää laajan listan ydinfuusiotilassa toimivista startup-yrityksistä omalta Dealroom‑sivultaan.

Yksi merkittävä poikkeus yksityisesti listattuihin startup-yrityksiin on julkisesti noteerattu yritys Lockheed Martin Corporation, puolustusalan jättiläinen.

1. Lockheed Martin Corporation

Vuodesta 2010‑luku alkupuolelta lähtien Lockheed työskenteli Compact Fusion -nimisen ydinfuusioreaktorin parissa, jonka odotettiin olevan valmis 2020‑luvun aikana. Kuitenkin on myöhemmin ilmoitettu, että projekti lopetettiin vuonna 2021.

Yritys on ollut erittäin hiljainen tämän projektin suhteen innostavan aloitusilmoituksen jälkeen. Tähän mennessä on epäselvää, mikä olisi saanut yrityksen hylkäämään idean.

Samaan aikaan vaikuttaa siltä, että konseptia ei ole täysin hylätty, erityisesti 2024‑vuoden investointien myötä Helicity‑yritykseen, joka kehittää fuusiomoottoria.

Ajatus olisi käyttää fuusiota lyhyiden impulssien avulla avaruusaluksen työntämiseen. Helicity aikoo käyttää plasma‑guntaa, samaa lähestymistapaa kuin General Fusion.

Mahdollisesti Lockheed‑yrityksen sisäiset tulokset ovat osoittaneet, että niiden suunnittelu ei pysty ylläpitämään fuusiota tavalla, joka olisi yhteensopiva energian tuotannon kanssa.

Mutta ehkä lyhyet impulssit riittävät avaruuspropulsioon, ja ne ovat paljon lähempänä toteutettavaa tuotetta. Tämä sopisi myös paremmin yrityksen avaruus‑ ja puolustusprofiiliin.

2. General Fusion

General is one of the startups leading the charge in making fusion a private sector venture, instead of a publicly-funded physics project.

Yritys perustettiin jo vuonna 2002 kehittämään Magnetized Target Fusion (MTF) -teknologiaa.

MTF:n odotetaan olevan yrityksen mukaan lyhyempi polku energiapositiiviseen fuusioon ja paljon kustannustehokkaampi. General Fusion oli ensimmäinen maailmassa, joka rakensi ja otti käyttöön kompaktin toroidiplasmainjektorin teollisuus‑skaalassa vuonna 2010 ja on saavuttanut monia muita virstanpylväitä sen jälkeen.

Source: General Fusion

Yritys tavoittelee fuusiota 100 miljoonaa celsius‑astetta lämpötilassa vuonna 2025 ja energian tasapainottamista (positiivinen energian saanti ydinfuusiosta) vuonna 2026. Ennen sitä, 1/5‑osainen malli rakennettiin vuonna 2023, ja sen suorituskyky vastasi tietokonemallien odotuksia.

Yleisesti General Fusion on kuluttanut kaksi vuosikymmentä rakentaen askel askeleelta jokaisen ydinteknologian osan lopullisessa suunnitelmassaan, testaten jokaisen matkan varrella ja onnistuneesti vahvistaen idean, ainakin tähän mennessä.

Source: General Fusion

Yksityisenä yrityksenä sen ei tarvitse neuvotella tai keskustella suunnittelumuutoksista, toisin kuin kansainvälisissä projekteissa kuten ITER. Se voi myös valita teknologian omien ansioiden perusteella, ilman että poliittiset syyt vaikuttavat sopimuksen saamiseen.

Tämän vuoksi monet odottavat General Fusionia ja muutamia sen kilpailijoita hallitsevan sen, mitä suuret hallitushankkeet eivät pysty.

3. TAE Technologies

Formerly known as Tri Alpha Energy, the California-based company is focused on developing fusion energy tech. TAE Technologies is currently upgrading its fusion platform, Norman, to a sixth-generation machine called Copernicus.

Source: TAE

TAE‑teknologia perustuu hiukkaskiihdyttimiin, joilla energia injektoidaan plasmaan ja “toimivat paksuntamisaineena, joka tekee siitä hallittavampaa”.

Yritys käyttää laajasti 3D‑tulostusta Copernicus‑rakenteen valmistuksessa, mikä mahdollistaa nopean uusien osien iteroinnin ja nopeamman ongelmanratkaisun. Esimerkiksi se on onnistunut tulostamaan joitakin reaktorikomponentteja puoleen painoon verrattuna perinteiseen valmistukseen.

Source: TAE

Jos kaikki sujuu suunnitelmien mukaan, yritys odottaa rakentavansa ensimmäisen prototyyppivoimalaitoksen, joka voisi liittää verkkoon 2030‑luvun alussa, ja laajentavansa sitä kehittääkseen “vankkaa ja luotettavaa” kaupallista energiaa vuosikymmenen aikana.

Fuusio, yrityksen toimitusjohtajan Michel Binderbauerin mukaan, vie meidät “ylivuotuisen runsauden paradigmaan”.

Viimeisten 25 vuoden aikana yritys on toiminut “rahoitus‑milestonemalli” -periaatteella, jossa jokainen rahoituskierros ansaitaan sijoittajilta vain, jos lupaukset täytetään.

Vuonna 2022 Google ja Chevron sijoittivat TAE Technologiesiin osana yrityksen 250 miljoonan dollarin rahoituskierrosta. Google onkin ollut TAE:n kumppani jo kymmenen vuotta ja tarjoaa yritykselle tekoäly‑ ja laskentatehoa.

Yritys tarjoaa myös elintieteiden palveluita (Boron Neutron Capture Therapy – BNCT) ja energiaratkaisuja, kuten akkuja ja e‑mobiliteettia.

4. Helion

Helion pyrkii luomaan fuusiota deuteriumilla ja helium‑3:lla, sen sijaan että keskityttäisiin yleisemmin tritiumiin.

Normaalisti helium‑3 on erittäin harvinainen. Helionilla on kuitenkin menetelmä tuottaa sitä deuteriumista omassa reaktorissaan. Muuten olisi tarvittu esimerkiksi kuun kaivostoimintaa, joka on toistaiseksi todistamatonta.

Kuten useimmat yksityiset fuusioventuret, Helion käyttää plasma‑injektio‑teknologiaa.

Toinen Helionin ainutlaatuinen piirre on suora sähkönkeräys plasmasta, käyttäen Faradayn lakia virran indusoimiseen, ohittaen näin perinteisen höyry‑lämpö‑voimasyklin.

Tämä liike on melko rohkea, mutta se voisi myös nostaa tulevien voimalaitosten tuottoa 2‑3‑kertaiseksi, sillä lämpö‑höyry‑sähkö‑muunnos on yleensä hyvin alhaisen hyötysuhteen omaava. Se on myös erittäin pääomaintensiivinen prosessi.

Helionin fuusiovoimalaitoksen odotetaan olevan lähes nollakustannuksinen polttoaineessa, alhaiset käyttökustannukset, korkea käyttöaika ja kilpailukykyinen pääomakustannus. Laitteemme vaativat paljon pienemmät pääomakustannukset, koska voimme toteuttaa fuusiota niin tehokkaasti emmekä tarvitse suuria höyryturbiineja, jäähdytyskuppeja tai muita kalliita perinteisten fuusiolähestymistapojen vaatimuksia.

Helion käyttää tällä hetkellä Trenta, sen 6^th sukupolven reaktoria, joka on saavuttanut yli 10 000 pulssia ja 100 miljoonaa celsius‑astetta lämpötilan.

Source: Helion

Se siirtyy tällä hetkellä Polaris-malliin, jonka odotetaan tuottavan magneettisia pulssseja 100‑kertaisesti nopeammin kuin Trenta, mikä tekisi siitä ensimmäisen ydinfuusion, joka tuottaa sähköä nettovoiton.

On huomionarvoista, että Polaris olisi 19 m pitkä, kaukana perinteisistä, massiivisista fuusioreaktorisijoituksista.