Koude fusie doet dromen over schone energie herleven zonder heet plasma

Betekent kernfusie alleen hete fusie?

Kernfusie is de Heilige Graal van energieonderzoek. Het zou enorme hoeveelheden schone energie leveren, zonder nucleair afval of CO₂‑uitstoot, en daarbij een brandstof gebruiken die zo overvloedig is dat ze het grootste deel van de materie in het universum vormt.

Het is bovendien ongelooflijk moeilijk te realiseren, simpelweg omdat de enige manier die we kennen waarop kernfusie kan plaatsvinden, is door de omstandigheden in sterren na te bootsen, met onvoorstelbare druk en temperaturen van tientallen of honderden miljoenen graden.

Dit kan worden bereikt met krachtige magnetische velden die het ultra‑hete plasma bevatten en samendrukken. Of met honderden krachtige lasers die allemaal synchroon op één punt worden gericht. Echter, al deze methoden hebben moeite om de fusie‑reactie lang genoeg vol te houden om de energie die nodig was om kernfusie op gang te brengen, “terug te verdienen”.

Bron: IEEE

De complexiteit van kernfusietechnologie en het potentieel om ons energieprobleem op te lossen, werd in meer detail besproken in ons artikel “Kernfusie – De ultieme oplossing voor schone energie aan de horizon.”

Maar wat als kernfusie onder andere omstandigheden kon plaatsvinden, met behulp van materiaalkunde, zeldzame metalen en chemie in plaats van hoog‑vermogen plasma‑fysica?

Dit is de belofte van “koude fusie”, een veld dat lange tijd als onwetenschappelijk werd beschouwd en door de wetenschappelijke gemeenschap werd bespot. Dat veranderde toen een wetenschappelijk artikel werd gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Nature, getiteld “Observatie van neutronemissie tijdens akoestische cavitatie van geduterideerd titaanpoeder.”

Geschiedenis van koude fusie

In 1989 beweerden onderzoekers Stanley Pons en Martin Fleischmann dat ze koude fusie hadden bereikt. Helaas zijn jaren van pogingen door de wetenschappelijke gemeenschap om de bevindingen te repliceren tot nu toe zonder succes, wat heeft geleid tot beschuldigingen van slechte wetenschap of zelfs openlijke fraude.

De daaropvolgende controverse heeft het imago van dit concept permanent beschadigd. Het leidde ook tot een sterke populariteit onder amateurs, fraudeurs en niet‑serieuze “uitvinders” die hun “ontdekking” niet wilden onderwerpen aan peer review en wetenschappelijke controle.

Desondanks wordt er nog steeds aan gewerkt door een klein aantal wetenschappers, meestal onder de minder controversiële namen Low Energy Nuclear Reactions (LENR), Condensed Matter Nuclear Science (CMNS) of Chemically Assisted Nuclear Reactions (CANR).

Een hernieuwde belangstelling voor het veld is opgekomen in de jaren 2020, nu mensen de stigma van amateuronderzoek willen achter zich laten. Opmerkelijk is dat de Amerikaanse overheidsinstantie ARPA‑E in 2023 een handvol subsidies heeft aangekondigd om onderzoeksgroepen te financieren die zich richten op low‑energy nuclear reactions (LENR), na intrigerende resultaten behaald door NASA‑onderzoekers in 2020.

Het NASA‑team noemde hun methode “lattice confinement fusion”. Ze benadrukten dat wat zij deden geen koude fusie was, maar een speciale vorm van hete fusie.

Toch toonde het veroorzaken van fusie zonder plasma duidelijk aan dat kernfusie op meer manieren kan worden bereikt dan voorheen werd gedacht, en dat echte koude fusie nog steeds een mogelijkheid zou kunnen zijn.

De twee belangrijkste concepten voor koude fusie

Metaal‑gedreven fusie

Een voorgestelde methode voor koude fusie, oorspronkelijk voorgesteld door Pons & Fleischmann in 1989, betrof het gebruik van materialen die van vorm veranderen zodat waterstofatomen worden opgesloten en gedwongen samen te smelten. Hiervoor werden waterstof‑doordrenkte metalen zoals palladium, erbium en titaan voorgesteld.

Het algemene concept is dat door waterstofatomen op te nemen en ze dicht bij elkaar te brengen, het metaalrooster van vorm verandert. En dat dit op de een of andere manier de fusie van waterstofatomen tot helium zou kunnen vergemakkelijken.

Hoewel niet volledig onmogelijk, waren fysici vanaf het begin sceptisch, omdat de energieniveaus die nodig zijn om de afstoting tussen waterstofkernen te overwinnen gigantisch zijn.

Bubbelfusie

Een ander idee is dat kernfusie kan optreden in bellen wanneer ze imploderen; bijvoorbeeld kunnen bellen zich vormen in water onder invloed van ultrasoon, een idee dat soms sonofusie wordt genoemd.

In theorie zouden de schokgolven die ontstaan door het imploderen van een bel in een vloeistof krachtig genoeg kunnen zijn om fusie te veroorzaken, niet geheel anders dan de manier waarop laserschokgolven werken.

Het is ook bekend dat cavitatie een zeer krachtige kracht kan zijn, bijvoorbeeld het moeiteloos doorsnijden van metaal van scheepsschroeven alleen door de kracht van een imploderende bel.

Bron: Britannica

Een hedendaags onderzoeksgebied betreft de emissie van licht wanneer de holte die door een hoog‑intensieve ultrasone golf wordt gecreëerd, implodeert. Dit effect, genaamd sonoluminescentie, kan onmiddellijke temperaturen creëren die heter zijn dan het oppervlak van de zon.

Als sonoluminescentie kan ontstaan uit “temperaturen heter dan het oppervlak van de zon”, dan kan in theorie ook kernfusie ontstaan.

Het idee is even controversieel als de “klassieke” lattice koude fusie, met zijn belangrijkste voorstander breed bekritiseerd. Maar in 2013 werd het debat nieuw aangewakkerd:

Volgens een nieuw onderzoeksrapport over de archieven van Oak Ridge National Laboratory, is een sterk gepubliceerde bevinding uit 2002 die het controversiële tafel‑top kernfusie‑experiment in twijfel trok, zelf in twijfel getrokken.

De journalist die de Oak Ridge‑documentdump onderzocht, vond bovendien mogelijk bewijsmateriaal dat sommige van de omstreden onderzoekers – waaronder hoofdauteur Rusi Taleyarkhan, nu aan de Purdue University – zou kunnen ondersteunen.

Spectrum IEEE

Desondanks leverde de hernieuwde belangstelling in 2013 niet veel nieuwe resultaten op, en keerde het idee terug naar de “zou leuk zijn maar werkt niet” stapel van de wetenschappelijke geschiedenis.

De ontdekking van 2024

Dit veranderde toen één onderzoeker, Max Fomitchev‑Zamilov, president van Maximus Energy Corporation in de VS, het eerder genoemde wetenschappelijke artikel in Nature publiceerde.

Het bedrijf is gespecialiseerd in de verkoop van instrumenten voor nucleair‑fysica‑experimenten, zoals neutronendetectoren, gammasensoren, röntgenspectrometers, digitale pulsprocessors, multikanaalanalysatoren en spectroscopiesoftware.

In mei 2024 beweerde Dr. Fomitchev‑Zamilov potentiële fusiegebeurtenissen te hebben gedetecteerd met bellen van zwaar water (gemaakt met deuterium in plaats van normaal waterstof) gemengd met titaan‑deeltjes.

Dit zou, in theorie, beide theoretische benaderingen voor koude fusie combineren, met een titaan‑rooster en sonofusie.

We konden de neutronproductie gedurende meerdere uren handhaven en het experiment onder verschillende omstandigheden meerdere keren herhalen.

We veronderstellen dat de waargenomen neutronen afkomstig zijn van kernfusie van deuteriumionen opgelost in het titaanrooster door de mechanische werking van de inslag‑cavitatie‑jets.

Onderzoek naar lattice‑koude sonofusie

De resultaten van het experiment zijn zeer interessant. Niet alleen was de piek‑neutronentelling “10.000x boven de achtergrond, maar het trad ook alleen op wanneer secundaire akoestische golven constructief interfereerden wat resulteerde in massieve, scherpe drukpieken van enkele duizenden psi“.

De neutronproductie kon ook gedurende meerdere uren worden volgehouden.

Het is het vermelden waard dat de experimentele opstelling opmerkelijk compact is en relatief “gewone” componenten van nucleair‑fysica‑detectoren en -instrumenten gebruikt, waardoor het voor andere onderzoekers redelijk eenvoudig is om te repliceren en te testen.

Bron: Nature

In dit opzicht is de bereidheid van Dr. Fomitchev‑Zamilov om zijn ruwe data en experimentele opstelling te delen een verfrissende stap in een veld dat vaak wordt gedomineerd door “geheime recepten”.

Langzame voortgang

Misschien waardevoller is de vele toelichtingen in het gepubliceerde artikel over wat niet werkte, iets waar koude‑fusie‑enthousiastelingen zelden over spreken.

De cavitatie van deuteriumbellen in minerale olie werkte niet, ongeacht de aanpassingen in belgrootte, drukamplitude, frequentie of toegevoegde oppervlakteactieve stoffen. Deuteriumdruppels werkten ook niet.

Dergelijke “mislukkingen” zijn belangrijk, omdat ze aantonen dat de detectie van neutronen slechts een fout of meetartefact van de experimentele opstelling kan zijn. Echter, zodra ze deuterideerde titaan‑deeltjes toevoegden aan deuterideerd water (zwaar water), detecteerden ze een neutronenflux.

Interessanter nog, de neutronenpiek trad regelmatig op, gesynchroniseerd met de akoestische golven.

Bron: Nature

Evenzo is de neutronenpiek, verschillend van achtergrondgeluid en andere signalen, duidelijk zichtbaar wanneer men het monster gedurende 5 uur observeert en vervolgens de akoestische golven start.

Bron: Nature

Deze resultaten werden consistent herhaald en gedurende zes maanden verder geanalyseerd, waardoor de kans op een toeval of een eenmalig geval dat niet reproduceerbaar is, verder werd verkleind.

Nog geen definitief bewijs

Het gepubliceerde artikel erkent dat koude fusie nog steeds niet de enige verklaring is om de neutronenflux te rechtvaardigen.

Wat werd aangetoond, en een baanbrekende ontdekking vormt, is dat met deuterideerde titaan‑deeltjes + deuterideerd water + geluidsgolven/cavitatie neutronen worden uitgezonden.

Zo kunnen de experimentele omstandigheden een fenomeen veroorzaken dat spallatie wordt genoemd. Hierbij breekt een hoog‑energetische input (bijvoorbeeld van deeltjes) een kern in zijn componenten, wat theoretisch kan leiden tot detectie van neutronen.

Bron: Springer

Daarom zijn verdere analyses van de reacties vereist, blijkbaar met aanvullende spectroscopische studies.

Verbetering van het ontwerp

Natuurlijk moeten deze resultaten nu nog door andere onderzoekers worden gerepliceerd om volledig vertrouwd te worden.

Er moet meer data worden verzameld uit experimenten om te begrijpen hoe de neutronenproductie en de potentiële fusie‑reactie geoptimaliseerd kunnen worden.

Materialen

Uit deze publicatie weten we dat het titaan‑/deuteriumpoeder in olie ten minste zes maanden stabiel bleef tegen verval en scheiding.

Maar voordat er over de praktische toepassing van zo’n potentiële koude‑fusie‑voortgang kan worden gediscussieerd, moeten we weten wat er tijdens het proces wordt verbruikt.

Mechanismen van lattice‑koude sonofusie

De werkhypothese is dat de cavitatiejets de oorzaak zijn van de waargenomen neutronenpieken en de veronderstelde kernfusie.

Deze jets zouden “als zuigers fungeren die deuteriumionen samendrukken die in het titaanrooster zijn opgeslagen”. In dat geval is het materiaal van de jets niet zo belangrijk en zouden H₂O‑druppels even effectief moeten zijn als D₂O‑druppels.

Of misschien “de jets moeten deuteriumionen bevatten en het werkingsmechanisme is dat van een ionenbundel die op een geduterideerd doelwit inwerkt”.

Het verduidelijken van de twee hypothesen zal waarschijnlijk de volgende stap zijn voor Dr. Fomitchev‑Zamilov.

Echo’s van NASA‑werk?

We moeten opmerken dat de “niet‑koude, niet‑plasma fusie”‑methode ontdekt door NASA‑wetenschappers in 2020 krachtige elektronen gebruikte om een reeks deeltjes‑botsingen te activeren, uiteindelijk versnellend genoeg zodat een deuterium‑atoom fusie kon triggeren.

Om die barrière te overwinnen is een reeks deeltjes‑botsingen nodig. Eerst versnelt een elektronenversneller elektronen en slaat ze tegen een nabijgelegen doelwit van wolfraam. De botsing tussen bundel en doelwit creëert hoog‑energetische fotonen, net als in een conventionele röntgenmachine.

De fotonen worden gefocust en gericht op het deuteron‑beladen erbium‑ of titaanmonster. Wanneer een foton een deuteron binnen het metaal raakt, splitst het dit in een energieke proton en een neutron. Vervolgens botst de neutron met een ander deuteron, waardoor die wordt versneld.

Zou de cavitatie, al bekend om onmiddellijke temperaturen te creëren die heter zijn dan het oppervlak van de zon op atomair niveau, hetzelfde proces kunnen repliceren maar dan zonder een deeltjesversneller?

Schone energie opgelost?

Als deze ontdekking wordt bevestigd en geperfectioneerd, betekent dat dan dat we kernfusie hebben opgelost? En dat schone, overvloedige energie slechts een kwestie van tijd is? Misschien, maar één cruciaal datapunt ontbreekt nog: hoewel we weten dat neutronen worden uitgezonden, weten we niet hoeveel energie het systeem uitstraalt.

Dus het probleem dat hete fusie tot nu toe heeft belemmerd – meer energie produceren dan het verbruikt – zou ook een probleem kunnen zijn voor koude fusie.

Een bemoedigend punt is dat Dr. Fomitchev‑Zamilov werkt aan een laboratoriumbank, ver van faciliteiten zoals de U.S. National Ignition Facility (NIF) die een piekvermogen van 500 biljoen watt op één punt levert via 192 krachtige laserstralen.

Daarom, hoewel de energie‑output bescheiden kan zijn, kunnen we afleiden dat de input dat ook was.

Investeren in kernfusie

Als een wetenschappelijk idee dat net uit een slechte reputatie is voortgekomen – een reputatie die voor elke fysicus die eraan werkt een carrièremoord betekende – is koude fusie vandaag de dag nauwelijks toegankelijk voor investeerders.

Zwaar water is een zeer kleine markt, met slechts $161 miljoen wereldwijd verhandeld (en iets meer lokaal geproduceerd), en Canada is de grootste exporteur. Een particuliere leverancier is de laboratorium‑apparatuur‑ en verbruiksgoederen‑gigant Sigma‑Aldrich, onderdeel van Merck KGaA (MRK.DE ) (MRK.DE).

Momenteel is geen van de bedrijven die zich richten op het commercieel levensvatbaar maken van hete kernfusie beursgenoteerd. Dit omvat Helion, General Fusion (GFUZ ), Commonwealth Fusion, TEA Technologies, ZAP Energy en NEO Fusion.

U kunt een uitgebreide lijst van startups in de kernfusiesector vinden op de speciale Dealroom‑pagina.

Een opvallende uitzondering op de dominantie van particuliere startups is het beursgenoteerde bedrijf Lockheed Martin Corporation (LMT ), een reus in de defensie‑industrie.

1. Lockheed Martin Corporation

Sinds het begin van de jaren 2010 werkte Lockheed aan Compact Fusion, een kernfusie‑reactor die ze verwachtten klaar te zien zijn tegen de jaren 2020. Echter, in 2021 werd aangekondigd dat het werk aan het project werd stopgezet.

Het bedrijf is zeer terughoudend geweest over dit project na een zeer enthousiast eerste aankondiging. Tot op de dag van vandaag is onduidelijk wat het bedrijf heeft doen besluiten het idee te verlaten.

Tegelijkertijd lijkt het concept niet volledig te zijn verlaten, met name door investeringen in 2024 in Helicity, een startup die een fusie‑motor ontwikkelt.

Het idee zou zijn om ruimtevaartuigen te stuwen met korte uitbarstingen van fusie. Helicity is van plan een plasmageweer te gebruiken, dezelfde benadering als General Fusion.

Mogelijk hebben de eigen interne resultaten van Lockheed aangetoond dat hun ontwerp geen fusie kan volhouden op een manier die compatibel is met energieproductie.

Maar misschien zijn korte uitbarstingen voldoende voor de behoefte aan voortstuwing in de ruimte en liggen ze dichter bij een daadwerkelijk product. Het zou ook beter passen bij het overwegend lucht- en defensiegerichte profiel van het bedrijf.

2. General Fusion

General is een van de startups die de leiding nemen in het maken van fusie een private‑sectoronderneming, in plaats van een publiek‑gefinancierd natuurkundig project.

Het bedrijf werd al in 2002 opgericht om Magnetized Target Fusion (MTF) technologie te ontwikkelen.

MTF wordt door het bedrijf gezien als een kortere weg naar energie‑positieve fusie en veel minder kostbaar. General Fusion was in 2010 de eerste ter wereld die een compact toroid‑plasma‑injector op schaal van een energiecentrale bouwde en heeft sindsdien vele mijlpalen bereikt.

Bron: General Fusion

Het bedrijf streeft ernaar om in 2025 fusie te bereiken bij 100 miljoen graden Celsius en in 2026 door te gaan naar energiebalans (positieve opbrengst van kernfusie). Daarvoor werd in 2023 een model op 1/5 schaal gebouwd, en de prestaties kwamen overeen met de verwachtingen van computermodellen.

Al met al heeft General Fusion twee decennia besteed aan het stap voor stap opbouwen van elke kerntechnologie van hun uiteindelijke ontwerp, elk getest en met succes gevalideerd tot nu toe.

Bron: General Fusion

Als privaat bedrijf hoefde het geen ontwerpwijzigingen te bespreken of te onderhandelen, in tegenstelling tot internationale projecten zoals ITER. Het kon ook technologie kiezen op basis van eigen verdienste, zonder te moeten bepalen of een specifiek land het contract zou moeten krijgen om politieke redenen.

Dit is waarom velen verwachten dat General Fusion en enkele van haar concurrenten kunnen bereiken wat grote overheidsprojecten mogelijk niet kunnen.

3. TAE Technologies

Voorheen bekend als Tri Alpha Energy, is het in Californië gevestigde bedrijf gericht op de ontwikkeling van fusie‑energietechnologie. TAE Technologies is momenteel haar fusieplatform Norman aan het upgraden naar een zesde‑generatie machine genaamd Copernicus.

Bron: TAE

TAE‑technologie maakt gebruik van deeltjesversnellers om energie in het plasma te injecteren en “te fungeren als een verdikkingsmiddel dat het beter beheersbaar maakt”.

Het bedrijf maakt ook uitgebreid gebruik van 3D‑printen bij de vervaardiging van Copernicus, waardoor snelle iteraties van nieuwe onderdelen mogelijk zijn en problemen sneller kunnen worden opgelost. Zo slaagden ze erin om sommige reactoronderdelen te printen met de helft van het gewicht van wat conventionele productie zou hebben opgeleverd.

Bron: TAE

Als alles soepel verloopt, verwacht het bedrijf haar eerste prototype‑energiecentrale te bouwen die in het begin van de jaren 2030 op het net kan worden aangesloten, waarna deze opgeschaald zal worden om “robuste en betrouwbare” commerciële energie te leveren gedurende het decennium.

Fusie, volgens CEO Michel Binderbauer, zou ons naar een “paradigma van overvloed” brengen.

De afgelopen 25 jaar heeft het bedrijf gewerkt volgens een “money‑by‑milestone” model, waarbij elke financieringsronde alleen wordt verdiend op basis van het behalen van de beloofde mijlpalen.

In 2022 investeerden Google en Chevron (CVX ) in TAE Technologies als onderdeel van de $250 miljoen financieringsronde. Google werkt al een decennium samen met TAE en levert AI‑ en rekencapaciteit aan het bedrijf.

Het bedrijf biedt ook life‑science‑diensten (Boron Neutron Capture Therapy – BNCT) en energiopakketten zoals batterijen en e‑mobiliteit.

4. Helion

Helion streeft ernaar om fusie te creëren met deuterium en helium‑3, in plaats van de meer gebruikelijke benadering die zich richt op fusie met tritium.

Normaal is helium‑3 zeer moeilijk te vinden. Maar Helion heeft een methode om het uit deuterium in haar eigen reactor te produceren. Anders zouden ongeteste alternatieven, zoals winning op de maan, waarschijnlijk nodig zijn geweest.

Net als de meeste private fusie‑ondernemingen, gebruikt Helion plasmainjectietechnologie.

Een uniek kenmerk van Helion is dat ze directe elektriciteitsopwekking uit het plasma nastreven, gebruikmakend van de wet van Faraday om een stroom te induceren, waardoor de gebruikelijke stoom‑verwarmingscyclus van kerncentrales wordt overgeslagen.

Dit is een gedurfde stap, maar kan ook de opbrengst van toekomstige energiecentrales 2‑3 maal verhogen, aangezien de omzetting van warmte‑naar‑stoom‑naar‑energie doorgaans een zeer lage efficiëntie heeft. Het is bovendien een kapitaalintensief proces.

De fusie‑energiecentrale van Helion wordt geprojecteerd een verwaarloosbare brandstofkost, lage operationele kosten, hoge beschikbaarheid en concurrerende kapitaalkosten te hebben. Onze machines vereisen veel lagere kapitaalkosten omdat we fusie zo efficiënt kunnen uitvoeren en geen grote stoomturbines, koeltorens of andere dure vereisten van traditionele fusiebenaderingen nodig hebben.

Helion exploiteert momenteel Trenta, haar 6^th generatie reactor die meer dan 10.000 pulsen en temperaturen van 100 miljoen graden Celsius heeft bereikt.

Bron: Helion

Ze is momenteel in overgang naar Polaris, haar volgende model dat naar verwachting magnetische pulsen 100 keer sneller zal hebben dan Trenta, waardoor het de eerste kernfusie zou worden die een netto elektriciteitswinst oplevert.

Het is het vermelden waard dat Polaris 19 m lang zou zijn, verre van een gigantische installatie vergeleken met andere, meer klassieke fusie‑reactordesigns.