कोल्ड फ्यूजन ने गर्म प्लाज़्मा के बिना स्वच्छ ऊर्जा के सपनों को फिर से प्रज्वलित किया

क्या परमाणु संलयन केवल गर्म संलयन ही है?

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.

यह भी अत्यंत कठिन है, क्योंकि वह एकमात्र तरीका जिससे हम जानते हैं कि परमाणु संलयन हो सकता है, वह है सितारों के अंदर की स्थितियों को दोहराना, जहाँ दहाड़े या सौ मिलियन डिग्री के तापमान और अविश्वसनीय दबाव होते हैं।

यह अत्यधिक गर्म प्लाज़्मा को नियंत्रित करने के लिए शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करके या सैकड़ों शक्तिशाली लेज़र को एक ही बिंदु पर लक्षित करके हासिल किया जा सकता है। हालांकि, इन सभी तरीकों को संलयन प्रतिक्रिया को पर्याप्त समय तक बनाए रखने में कठिनाई होती है ताकि “ऊर्जा वापसी” संभव हो सके।

स्रोत: IEEE

परमाणु संलयन तकनीक की जटिलता और हमारे ऊर्जा समस्या को हल करने की इसकी संभावनाओं पर हमारे लेख “Nuclear Fusion – The Ultimate Clean Energy Solution on the Horizon” में विस्तृत चर्चा की गई है।

लेकिन अगर परमाणु संलयन विभिन्न परिस्थितियों में, सामग्री विज्ञान, दुर्लभ धातुओं और रसायन विज्ञान के माध्यम से, उच्च‑शक्ति वाले प्लाज़्मा भौतिकी के बजाय हो सके तो क्या होगा?

यह “कोल्ड फ्यूजन” का वादा है, एक क्षेत्र जिसे लंबे समय तक अवैज्ञानिक माना गया और वैज्ञानिक समुदाय द्वारा उपहास किया गया। यह तब तक ऐसा रहा जब तक कि प्रतिष्ठित जर्नल *Nature* में “Observation of neutron emission during acoustic cavitation of deuterated titanium powder” शीर्षक वाला वैज्ञानिक पेपर प्रकाशित नहीं हुआ।

कोल्ड फ्यूजन का इतिहास

In 1989, researchers Stanley Pons and Martin Fleischmann claimed to have achieved cold fusion. Unfortunately, years of trying to replicate the findings by the scientific community have, so far, been unsuccessful, leading to accusations of poor-quality science or even outright fraud.

इस विवाद ने इस अवधारणा की छवि को स्थायी रूप से क्षतिग्रस्त कर दिया। इससे शौकिया, धोखेबाज़ और गैर‑गंभीर “आविष्कारकों” की लोकप्रियता भी बढ़ी, जो अपने “आविष्कार” को सहकर्मी‑समीक्षा और वैज्ञानिक जांच के सामने नहीं लाते थे।

फिर भी, यह अभी भी कुछ वैज्ञानिकों द्वारा कम विवादास्पद नामों जैसे लो एनर्जी न्यूक्लियर रिएक्शन (LENR), कंडेन्स्ड मैटर न्यूक्लियर साइंस (CMNS) या केमिकल्ली असिस्टेड न्यूक्लियर रिएक्शन (CANR) के तहत काम किया जा रहा है।

2020 के दशक में इस क्षेत्र में नई रुचि उत्पन्न हुई, क्योंकि लोग शौकिया शोध की कलंक से बाहर निकलना चाहते हैं। उल्लेखनीय रूप से, अमेरिकी सरकारी एजेंसी ARPA‑E ने 2023 में कम‑ऊर्जा न्यूक्लियर रिएक्शन (LENR) पर शोध समूहों को वित्तपोषित करने के लिए कुछ अनुदान घोषित किए, जो 2020 में NASA शोधकर्ताओं द्वारा प्राप्त रोचक परिणामों के बाद आया।

NASA टीम ने अपनी विधि को “लैटिस कॉन्फाइनमेंट फ्यूजन” कहा। उन्होंने कहा कि उनका काम नहींकोल्ड फ्यूजन है, बल्कि एक विशेष प्रकार का गर्म फ्यूजन है।

Still, causing fusion without plasma made clear that nuclear fusion can be achieved in more ways than previously thought, and actual cold fusion might also still be a possibility.

कोल्ड फ्यूजन के दो मुख्य सिद्धांत

धातु‑आधारित फ्यूजन

A proposed method for cold fusion, initially proposed by Pons & Fleischmann in 1989, involved using materials changing shape so that hydrogen atoms are trapped and forced to fuse together. To do so, hydrogen‑infused metals like palladium, erbium, and titanium have been proposed.

सामान्य विचार यह है कि हाइड्रोजन परमाणुओं को अवशोषित करके और उन्हें एक‑दूसरे के निकट लाकर, धातु लैटिस का आकार बदल जाएगा। और यह किसी न किसी तरह हाइड्रोजन परमाणुओं को हीलियम में बदलने को सुविधाजनक बना सकता है।

While not completely impossible, physicists have been skeptical of the idea from the start, as the energy levels required to overcome the tendency of hydrogen nuclei to repel each other are gigantic.

बबल फ्यूजन

Another idea is that nuclear fusion could occur in bubbles when they collapse; for example, bubbles may form in water when submitted to ultrasounds, an idea also sometimes called sonofusion.

सिद्धांततः, तरल में बबल के ध्वंस से उत्पन्न शॉकवेव्स इतनी शक्तिशाली हो सकती हैं कि वे फ्यूजन कर सकें, जो लेज़र‑प्रेरित शॉकवेव्स के समान है।

यह भी ज्ञात है कि कैविटेशन बहुत शक्तिशाली बल हो सकता है, उदाहरण के लिए बोट के प्रोपेलर के धातु को बबल के ध्वंस के बल से आसानी से काटा जा सकता है।

स्रोत: Britannica

एक समकालीन शोध विषय है उच्च‑तीव्रता अल्ट्रासोनिक वेव द्वारा उत्पन्न गुफा के ध्वंस से प्रकाश का उत्सर्जन। इस प्रभाव को सोनोल्यूमिनेसेंस कहा जाता है, जो सूर्य की सतह से भी अधिक तापमान उत्पन्न कर सकता है।

यदि सोनोल्यूमिनेसेंस “सूर्य की सतह से अधिक तापमान” उत्पन्न कर सकता है, तो सिद्धांततः परमाणु संलयन भी संभव है।

यह विचार “क्लासिक” लैटिस कोल्ड फ्यूजन जितना ही विवादास्पद है, जिसके मुख्य प्रवर्तक को व्यापक रूप से आलोचना मिली है। लेकिन 2013 में, बहस फिर से प्रज्वलित हुई:

According to a new investigative report into Oak Ridge National Laboratory records, a highly publicized finding from 2002 that cast the controversial tabletop nuclear fusion experiment into doubt has itself been cast into doubt.

वास्तव में, ओक रिज़ दस्तावेज़ डंप की जांच करने वाले रिपोर्टर ने संभावित साक्ष्य भी पाए जो कुछ विवादित शोधकर्ताओं, जिसमें प्रमुख लेखक रूसी तालयारखान शामिल हैं, को समर्थन दे सकते हैं।

Spectrum IEEE

Still, the renewed interest in 2013 failed to yield many new results, and the idea went back into the “would be nice but it doesn’t work” pile of science history.

2024 की खोज

This was until a single researcher, Max Fomitchev‑Zamilov, President of Maximus Energy Corporation, in the USA, published the previously mentioned scientific paper in Nature.

यह कंपनी परमाणु भौतिकी प्रयोगों के लिए उपकरण बेचने में विशेषज्ञ है, जैसे न्यूट्रॉन डिटेक्टर, गामा डिटेक्टर, एक्स‑रे स्पेक्ट्रोमीटर, डिजिटल पल्स प्रोसेसर, मल्टी‑चैनल एनालाइज़र और स्पेक्ट्रोस्कोपी सॉफ़्टवेयर।

मई 2024 में, डॉ. फोमिचेव‑ज़ामिलोव ने भारी पानी (ड्यूटेरियम‑आधारित) के बबल्स को टाइटेनियम कणों के साथ मिलाकर संभावित फ्यूजन घटनाओं का पता लगाया।

सिद्धांततः, यह दोनों सिद्धांतों—टाइटेनियम के धातु लैटिस और सोनोफ्यूजन—को मिलाता है।

हम कई घंटे तक न्यूट्रॉन उत्पादन बनाए रख पाए और विभिन्न परिस्थितियों में प्रयोग को कई बार दोहराया।

हम मानते हैं कि देखे गए न्यूट्रॉन टाइटेनियम लैटिस में घुले ड्यूटेरियम आयनों के यांत्रिक कैविटेशन जेट्स के कारण हुए परमाणु संलयन से उत्पन्न हुए हैं।

लैटिस कोल्ड सोनोफ्यूजन की जाँच

The results of the experiment are very interesting. Not only was the peak neutron count “10,000x in excess of background, but it also only occurred when secondary acoustic waves constructively interfered resulting in massive, sharp pressure peaks on the order of a few thousand psi.“

न्यूट्रॉन उत्पादन कई घंटे तक बनाए रखा जा सकता था।

ध्यान देने योग्य बात यह है कि प्रयोगात्मक सेट‑अप अत्यंत कॉम्पैक्ट है और यह सामान्य परमाणु भौतिकी डिटेक्टर और उपकरणों का उपयोग करता है, जिससे अन्य शोधकर्ताओं के लिए इसे दोहराना अपेक्षाकृत आसान है।

स्रोत: Nature

For that matter, Dr. Fomitchev‑Zamilov’s willingness to share his raw data and experimental setup is a refreshing move in a field often dominated by “secret recipes.”

धीमी प्रगति

Maybe more valuable is the multiple admission in the published paper of what did not work, something cold fusion enthusiasts are rarely keen to do.

ड्यूटेरियम बबल्स की कैविटेशन को खनिज तेल में काम नहीं किया, चाहे बबल आकार, दबाव आयाम, आवृत्ति या सर्फेक्टेंट जो भी बदला गया। ड्यूटेरियम बूंदें भी काम नहीं आईं।

ऐसे “विफलताएँ” महत्वपूर्ण हैं, क्योंकि वे दर्शाती हैं कि न्यूट्रॉन का पता केवल प्रयोगात्मक त्रुटि या माप की गड़बड़ी हो सकता है। हालांकि, जब उन्होंने ड्यूटेरियम‑टाइटेनियम कणों को ड्यूटेरियम जल (भारी पानी) के साथ मिलाया, तो उन्होंने न्यूट्रॉन फ्लक्स देखा।

और भी रोचक बात यह थी कि न्यूट्रॉन स्पाइक नियमित रूप से, ध्वनिक तरंगों के साथ समकालिक रूप से आया।

स्रोत: Nature

इसी तरह, न्यूट्रॉन स्पाइक, जो पृष्ठभूमि शोर और अन्य संकेतों से अलग है, 5 घंटे तक नमूने को देख कर और फिर ध्वनिक तरंगें शुरू करने पर स्पष्ट रूप से दिखाई देता है।

स्रोत: Nature

These results were consistently achieved over and over, and analyzed further over the course of 6 months, reducing further the chance of a fluke or an odd case that cannot be replicated.

अभी तक निर्णायक प्रमाण नहीं

The published paper acknowledges that cold fusion is still not the only explanation to justify the flux of neutrons.

जो प्रदर्शित किया गया, और जो एक क्रांतिकारी खोज है, वह यह है कि ड्यूटेरियम‑टाइटेनियम कण + ड्यूटेरियम जल + ध्वनि तरंग/कैविटेशन के साथ न्यूट्रॉन उत्सर्जित होते हैं।

उदाहरण के लिए, प्रयोग की स्थितियों से स्पैलैशन नामक घटना उत्पन्न हो सकती है। यह वह प्रक्रिया है जहाँ उच्च‑ऊर्जा इनपुट (जैसे उच्च‑ऊर्जा कण) एक नाभिक को उसके घटकों में तोड़ देता है, जिससे सैद्धांतिक रूप से न्यूट्रॉन का पता चल सकता है।

स्रोत: Springer

इसलिए, प्रतिक्रियाओं का आगे विश्लेषण आवश्यक है, जिसमें अतिरिक्त स्पेक्ट्रोस्कोपिक अध्ययन शामिल हो सकते हैं।

डिज़ाइन में सुधार

Of course, another comment we should make is that these results now need to be replicated by other researchers to be fully trusted.

More data needs to be collected from experiments to understand how to optimize neutron production and the potential fusion reaction.

सामग्री

We know from this publication that the Titanium/Deuterium powder in oil was stable against decay and separation for at least 6 months.

But before any discussion of the practical use of such potential cold fusion progress, we will need to know what is consumed in the process.

लैटिस कोल्ड सोनोफ्यूजन के तंत्र

The working hypothesis is that the cavitation jets are the cause of the observed neutron spikes and assumed nuclear fusion.

These jets might “act as pistons compacting deuterium ions stored in the titanium lattice. In which case the material of the jets is not that important and H2O droplets should be as effective as D2O droplets”.

Or maybe “the jets must contain deuterium ions and the mechanism of action is that of an ion beam impinging on a deuterated target“.

Clarifying between the 2 hypotheses will likely be the next step for Dr. Fomitchev‑Zamilov.

NASA के कार्यों की प्रतिध्वनि?

We should notice that the “not-cold not-plasma fusion” method discovered by NASA scientists in 2020 used powerful electrons to trigger a sequence of particle collision, ultimately accelerating enough for an atom of deuterium to trigger fusion.

To overcome that barrier requires a sequence of particle collisions. First, an electron accelerator speeds up and slams electrons into a nearby target made of tungsten. The collision between beam and target creates high-energy photons, just like in a conventional X-ray machine.

The photons are focused and directed into the deuteron-loaded erbium or titanium sample. When a photon hits a deuteron within the metal, it splits it apart into an energetic proton and neutron. Then the neutron collides with another deuteron, accelerating it.

Could the cavitation, already known to be able to create instantaneous temperatures hotter than the surface of the Sun at the atomic level, replicate the same process but without a particle accelerator?

स्वच्छ ऊर्जा का समाधान?

If this discovery is confirmed and perfected, does that mean we solved nuclear fusion? And that clean, abundant energy is just a matter of time? Maybe, but one crucial data point is still missing: while we know neutrons are emitted, we do not know how much energy the system is emitting.

तो, वह समस्या जो अब तक गर्म फ्यूजन को रोक रही थी—अधिक ऊर्जा उत्पन्न करना बनाम उपभोग—कोल्ड फ्यूजन के लिए भी समान हो सकती है।

एक उत्साहजनक बिंदु यह है कि डॉ. फोमिचेव‑ज़ामिलोव एक लैब बेंच पर काम कर रहे हैं, जो U.S. National Ignition Facility (NIF) जैसी सुविधाओं से बहुत दूर है, जहाँ 192 शक्तिशाली लेज़र बीम के माध्यम से एक बिंदु पर 500 ट्रिलियन वाट पिक शक्ति उत्पन्न की जाती है।

Thus while the energy output may be modest, we can infer that the input was as well.

परमाणु संलयन में निवेश

As a scientific idea just emerging out of a bad reputation that was pretty much a career‑killer to any physicist to even work on it, cold fusion is very much not accessible to investors today.

भारी पानी एक बहुत छोटा बाजार है, जिसमें सिर्फ $161M वैश्विक स्तर पर व्यापार किया जाता है (और स्थानीय स्तर पर थोड़ा अधिक उत्पादन होता है), और कनाडा सबसे बड़ा निर्यातक है। एक निजी आपूर्तिकर्ता लैब उपकरण और उपभोग्य वस्तुओं का दिग्गज Sigma‑Aldrich, Merck KGaA (MRK.DE ) (MRK.DE) का हिस्सा है।

वर्तमान में, कोई भी कंपनी जो गर्म परमाणु संलयन को व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य बनाने के लिए काम कर रही है, सार्वजनिक रूप से सूचीबद्ध नहीं है। इसमें Helion, General Fusion (GFUZ ), Commonwealth Fusion, TEA Technologies, ZAP Energy और NEO Fusion शामिल हैं।

आप Dealroom के समर्पित पृष्ठ पर परमाणु संलयन क्षेत्र की स्टार्ट‑अप सूची देख सकते हैं।

One notable exception to privately‑listed startups dominating the field is the publicly traded company Lockheed Martin Corporation (LMT ), a giant of the defense industry.

1. Lockheed Martin Corporation

Since the early 2010s, Lockheed used to work on Compact Fusion, a nuclear fusion reactor it was expecting to see ready by the 2020s. However, it has since been announced that the work on the project was stopped in 2021.

The company has been very discreet about this project after a very enthusiastic initial announcement. To this day, it is unclear what could have prompted the company to abandon the idea.

At the same time, it seems that it did not fully abandon the concept, notably with investments in 2024 in Helicity, a startup developing a fusion engine.

The idea would be to propel spacecraft with short bursts of fusion. Helicity is planning to use a plasma gun, the same approach as taken by General Fusion.

Potentially, Lockheed’s own internal results have shown that their design could not sustain fusion in a way that is compatible with energy production.

But maybe, at the same time, short bursts are enough for the need for propulsion in space and much closer to becoming an actual product. It would also be a better fit with the overall aerospace and defense‑focused profile of the company.

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.

The company was started as long ago as 2002 to develop Magnetized Target Fusion (MTF) technology.

MTF is expected by the company to be a shorter path to energy‑positive fusion and to be a lot less costly. General Fusion was the first in the world to build and commission a compact toroid plasma injector at a power plant scale in 2010 and has reached many more milestones since.

Source: General Fusion

The company aims to reach fusion with 100 million degrees Celsius temperature in 2025 and to progress toward energy breakeven (positive return from nuclear fusion) in 2026. Before that, a 1/5^th scale model was made in 2023, and its performance matched the expectations of computer models.

Overall, General Fusion has spent 2 decades building step by step each of the core technologies of its final design, testing each along the way and successfully validating the idea, at least so far.

Source: General Fusion

As a private company, it did not have to discuss and negotiate any design change, contrary to international projects like ITER. It could also pick technology on its own merit, without having to decide if a specific country should get the contract regardless of political reason.

This is why many expect General Fusion and a few of its competitors to manage what large government projects might not.

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 technology relies on particle accelerators to inject energy into the plasma and “act as a thickening agent that makes it more manageable”.

The company also extensively uses 3D printing in the making of Copernicus, allowing for quick iterations of new parts and quicker problem‑solving. For example, it managed to print some reactor components for half the weight of what conventional manufacturing would have achieved.

Source: TAE

If all goes smoothly, the company expects to build its first prototype power plant that could connect to the grid in the early 2030s, which would be scaled up to develop “robust and reliable” commercial power through the decade.

Fusion, according to its CEO Michel Binderbauer, would take us into a “paradigm of abundance.”

For the past 25 years, the company has operated on a “money by milestone” model, where each round of funding is only earned from investors based on delivering on milestones that were promised to them.

In 2022, Google and Chevron (CVX ) invested in TAE Technologies as part of the company’s $250 million funding raise. Google has actually been partnered with TAE for a decade now and provides the company with AI and computational power.

The company also offers life science services (Boron Neutron Capture Therapy -BNCT) and power solutions like batteries and e‑mobility.

4. Helion

Helion aims to create fusion with deuterium and helium‑3, instead of the more common approach to focus on fusion with tritium.

Normally helium‑3 is very hard to find. But Helion has a method to produce it from deuterium in its own reactor. Otherwise, unproven alternatives like mining for it on the Moon would probably have been needed.

Like most private ventures in fusion, Helion uses plasma injection technology.

Another unique feature of Helion is targeting direct electricity capture from the plasma, using Faraday’s Law to induce a current, directly skipping the steam heating cycle common in nuclear power plants.

This move is rather bold, but also could increase the yield of future power plants by 2‑3 fold, as heat‑to‑steam‑to‑power conversion is usually with a very low efficiency. It is also a very capex‑intensive procedure.

Helion’s fusion power plant is projected to have negligible fuel cost, low operating cost, high up‑time, and competitive capital cost. Our machines require a much lower cost on capital equipment because we can do fusion so efficiently and don’t require large steam turbines, cooling towers, or other expensive requirements of traditional fusion approaches.

Helion currently operates Trenta, its 6^th generation reactor that has achieved 10,000+ pulses and 100 million degrees Celsius temperatures.

Source: Helion

It is currently moving to Polaris, its next model expected to have magnetic pulses 100x quicker than Trenta, which would make it the first nuclear fusion to produce a net gain of electricity.

It is worth noticing that Polaris would be 19m long, far from a giant installation compared to other, more classic fusion reactor designs.