Kald fusjon tenner opp drømmen om ren energi uten varm plasma

Betyr kjernefysisk fusjon kun varm fusjon?

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.

Kjernefysisk fusjon er energiforskningens hellige gral. Den ville levere enorme mengder ren energi, uten å produsere atomavfall eller karbondioksidutslipp, samtidig som den bruker et drivstoff så rikelig at det utgjør mesteparten av materien i universet.

Den er også utrolig vanskelig å oppnå, simpelthen fordi den eneste måten vi kjenner til for at kjernefysisk fusjon skal skje, er å gjenskape forholdene i stjerner, med ufattelig trykk og temperaturer på titalls eller hundrevis av millioner grader.

Dette kan oppnås ved å bruke kraftige magnetfelt for å holde og komprimere den ultra‑varme plasmaen. Eller med hundrevis av kraftige lasere som er synkronisert for å sikte på samme punkt. Imidlertid sliter alle disse metodene med å opprettholde fusjonsreaksjonen lenge nok til å «betale tilbake» energien som ble brukt på å starte kjernefysisk fusjon.

Kilde: IEEE

Kompleksiteten i kjernefysisk fusjonsteknologi og dens potensial til å løse vårt energiproblem ble diskutert i mer detalj i vår artikkel “Kjernefysisk fusjon – den ultimate løsningen for ren energi på horisonten.”

Men hva om kjernefysisk fusjon kunne skje under andre omstendigheter, ved å bruke materialvitenskap, sjeldne metaller og kjemi i stedet for høy‑kraft plasmafysikk?

Dette er løftet om «kald fusjon», et felt som lenge ble ansett som udokumentert og latterliggjort av det vitenskapelige miljøet. Dette var inntil et vitenskapelig papir ble publisert i det prestisjetunge tidsskriftet Nature, med tittelen «Observasjon av nøytronutslipp under akustisk kavitasjon av deuterert titanpulver».

Historien om kald fusjon

I 1989 hevdet forskerne Stanley Pons og Martin Fleischmann at de hadde oppnådd kald fusjon. Dessverre har årevis med forsøk fra det vitenskapelige fellesskapet på å gjenskape funnene så langt vært mislykkede, og har ført til anklager om dårlig vitenskap eller til og med åpenbar svindel.

Den påfølgende kontroversen ødela permanent bildet av dette konseptet. Dette førte også til stor popularitet blant amatører, svindlere og useriøse «oppfinnere» som ikke ville eksponere sin «oppdagelse» for fagfellevurdering og vitenskapelig gransking.

Det blir likevel fortsatt forsket på av et lite antall forskere, vanligvis under de mindre kontroversielle navnene Lavenergi kjernekraftreaksjoner (LENR), Konsentrert materie kjernefysisk vitenskap (CMNS) eller Kjemisk assisterte kjernefysisk reaksjoner (CANR).

En fornyet interesse for feltet har oppstått på 2020‑tallet, ettersom folk ønsker å komme seg forbi stigmaet rundt amatørforskning. Merkverdig har den amerikanske myndigheten ARPA‑E kunngjort i 2023 en håndfull tilskudd for å finansiere forskningsgrupper som ser på lavenergi kjernekraftreaksjoner (LENR), etter interessante resultater oppnådd av NASA-forskere i 2020.

NASA‑teamet kalte metoden sin «lattice confinement fusion». De insisterte på at det de gjorde ikke var kald fusjon, men en spesiell form for varm fusjon.

Likevel viser det faktum at fusjon kan oppstå uten plasma at kjernefysisk fusjon kan oppnås på flere måter enn tidligere antatt, og ekte kald fusjon kan fortsatt være en mulighet.

De to hovedkonseptene for kald fusjon

Metall‑drevet fusjon

En foreslått metode for kald fusjon, opprinnelig foreslått av Pons & Fleischmann i 1989, involverte bruk av materialer som endrer form slik at hydrogenatomer fanges og tvinges til å fusjonere. For å gjøre dette har hydrogen‑infunderte metaller som palladium, erbium og titan blitt foreslått.

Det generelle konseptet er at ved å absorbere hydrogenatomer og bringe dem nær hverandre, vil metallgitteret endre form. Og at dette på en eller annen måte kan lette sammenslåingen av hydrogenatomer til helium.

Selv om det ikke er helt umulig, har fysikere vært skeptiske til ideen fra starten, da energinivåene som kreves for å overvinne hydrogenkjerne‑s repulsjon er enorme.

Boble‑fusjon

En annen idé er at kjernefysisk fusjon kan forekomme i bobler når de kollapser; for eksempel kan bobler dannes i vann når det utsettes for ultralyd, en idé som også noen ganger kalles sonofusjon.

I teorien kan sjokkbølgene som skapes av kollapsen av en boble i en væske være kraftige nok til å forårsake fusjon, ikke helt ulikt måten sjokkbølger indusert av laser gjør.

Det er også kjent at kavitasjon kan være en svært kraftig kraft, for eksempel å tygge seg gjennom metall på båtmotorer kun ved kraften fra en kollapsende boble.

Kilde: Britannica

Et samtidsforskningsområde involverer utsendelse av lys når hulrommet som produseres av en høy‑intensitets ultralydbølge kollapser. Denne effekten, kalt sonoluminescens, kan skape øyeblikkelige temperaturer som er varmere enn solens overflate.

Hvis sonoluminescens kan oppstå fra «temperaturer varmere enn solens overflate», kan kjernefysisk fusjon i teorien også oppstå.

Ideen er like kontrovers som den «klassiske» gitter‑kald fusjon, med sin hovedforkjemper bredt kritisert. Men i 2013 ble debatten gjenopplivet:

Ifølge en ny etterforskningsrapport om Oak Ridge National Laboratory‑arkiver, har et sterkt offentliggjort funn fra 2002 som satte det kontroversielle bord‑fusionsforsøket i tvil, selv blitt satt i tvil.

Faktisk fant journalisten som undersøkte Oak Ridge‑dokumentene også mulig bevis som kunne støtte noen av de omstridte forskerne — inkludert hovedforfatter Rusi Taleyarkhan, nå ved Purdue University.

Spectrum IEEE

Likevel førte den fornyede interessen i 2013 ikke til mange nye resultater, og ideen gikk tilbake til «det hadde vært fint, men det fungerer ikke»-haugen i vitenskapshistorien.

Oppdagelsen i 2024

Dette var inntil en enkelt forsker, Max Fomitchev‑Zamilov, president for Maximus Energy Corporation, i USA, publiserte det tidligere nevnte vitenskapelige papiret i Nature.

Selskapet spesialiserer seg på å selge verktøy for kjernefysikk‑eksperimenter, som nøytrondetektorer, gammastråledetektorer, røntgenspektrometre, digitale pulssprosessorer, multikanal‑analysatorer og spektroskopi‑programvare.

I mai 2024 hevdet Dr. Fomitchev‑Zamilov å ha oppdaget potensielle fusjons‑hendelser med bobler av tungt vann (laget med deuterium i stedet for vanlig hydrogen) blandet med titanpartikler.

Dette ville, i teorien, kombinere begge de teoretiserte tilnærmingene for kald fusjon, med et metallgitter av titan og sonofusjon.

Vi klarte å opprettholde nøytronproduksjonen i flere timer og gjentok eksperimentet flere ganger under ulike forhold.

Vi antar at de observerte nøytronene stammer fra kjernefysisk fusjon av deuteriumioner oppløst i titan‑gitteret på grunn av den mekaniske virkningen av de påtrengende kavitasjons‑strålene.

Ser på gitter‑kald sonofusjon

Resultatene fra eksperimentet er svært interessante. Ikke bare var topp‑nøytronantallet “10 000x over bakgrunnsnivået, men det oppsto også kun når sekundære akustiske bølger konstruktivt interfererte og resulterte i massive, skarpe trykkspisser på noen tusen psi.“

Nøytronproduksjonen kunne også opprettholdes i flere timer.

Det er verdt å merke seg at eksperimentoppsettet er bemerkelsesverdig kompakt og bruker relativt «vanlige» komponenter fra kjernefysikk‑detektorer og verktøy, noe som gjør det noe enkelt for andre forskere å gjenskape og teste.

Kilde: Nature

For øvrig er Dr. Fomitchev‑Zamilovs vilje til å dele sine rådata og eksperimentoppsett en forfriskende handling i et felt som ofte domineres av «hemmelige oppskrifter».

En langsom fremgang

Kanskje enda mer verdifull er den mange ganger innrømmelsen i det publiserte papiret av hva som ikke fungerte, noe kald‑fusjonsentusiaster sjelden er villige til å gjøre.

Kavitasjonen av deuteriumbobler i mineralolje fungerte ikke, uansett hvilke endringer som ble gjort i boblestørrelse, trykkamplitude, frekvens eller tilsetning av overflateaktive stoffer. Deuterium‑dråper fungerte heller ikke.

Slike «feil» er viktige, da de viser at oppdagelsen av nøytroner kan være en feil eller et måleartefakt fra eksperimentoppsettet. Imidlertid, så snart de la til deuterert titanpartikler med deuterert vann (tungt vann), oppdaget de en nøytronstrøm.

Mer interessant var at nøytronspikene oppstod regelmessig, i takt med de akustiske bølgene.

Kilde: Nature

På samme måte er nøytronspikene, som skiller seg fra bakgrunnsstøy og andre signaler, tydelig synlige når man ser på prøven i fem timer, og deretter starter de akustiske bølgene.

Kilde: Nature

Disse resultatene ble konsekvent oppnådd gang på gang, og analysert videre over seks måneder, noe som ytterligere reduserer sjansen for en tilfeldighet eller et særtilfelle som ikke kan reproduseres.

Ikke et definitivt bevis ennå

Det publiserte papiret erkjenner at kald fusjon fortsatt ikke er den eneste forklaringen som kan rettferdiggjøre nøytronstrømmen.

Det som ble demonstrert, og som er en banebrytende oppdagelse, er at med deuterert titanpartikler + deuterert vann + lydbølger/kavitasjon, blir nøytroner utsendt.

For eksempel kan eksperimentforholdene skape et fenomen kalt spallasjon. Dette er når en høy‑energi‑innsats (som fra høy‑energi partikler) bryter en kjerne i dens komponenter, noe som teoretisk kan føre til at nøytroner blir oppdaget.

Kilde: Springer

Dermed kreves ytterligere analyser av reaksjonene, tilsynelatende med behov for ekstra spektroskopistudier.

Forbedring av designet

Selvfølgelig er en annen kommentar vi bør gjøre at disse resultatene nå må replikkeres av andre forskere for å bli fullt betrodd.

Mer data må samles inn fra eksperimenter for å forstå hvordan man kan optimalisere nøytronproduksjon og den potensielle fusjonsreaksjonen.

Materialer

Vi vet fra denne publikasjonen at titan‑/deuteriumpulveret i olje var stabilt mot nedbrytning og separasjon i minst seks måneder.

Men før noen diskusjon om den praktiske bruken av slik potensiell kald‑fusjons‑fremgang, må vi vite hva som forbrukes i prosessen.

Mekanismer for gitter‑kald sonofusjon

Den arbeidende hypotesen er at kavitasjons‑strålene er årsaken til de observerte nøytronspikene og antatt kjernefysisk fusjon.

Disse strålene kan «virke som stempler som komprimerer deuteriumioner lagret i titan‑gitteret. I så fall er materialet i strålene ikke så viktig, og H₂O‑dråper bør være like effektive som D₂O‑dråper».

Eller kanskje «strålene må inneholde deuteriumioner, og virkningsmekanismen er som en ionstråle som treffer et deuterert mål».

Å avklare mellom de to hypotesene vil sannsynligvis være neste steg for Dr. Fomitchev‑Zamilov.

Gjenklang av NASA‑arbeid?

Vi bør merke oss at «ikke‑kald‑ikke‑plasma‑fusjon»‑metoden oppdaget av NASA‑forskere i 2020 brukte kraftige elektroner for å utløse en sekvens av partikkelkollisjoner, som til slutt akselererte nok til at et deuteriumatom kunne starte fusjon.

For å overvinne den barrieren kreves en sekvens av partikkelkollisjoner. Først akselererer en elektronakselerator og slår elektroner inn i et nærliggende mål laget av wolfram. Kollisjonen mellom strålen og målet skaper høy‑energi‑fotoner, akkurat som i en konvensjonell røntgenmaskin.

Fotonene fokuseres og rettes inn i prøven lastet med deuteroner i erbium eller titan. Når en foton treffer en deuteron i metallet, splitter den den i en energisk proton og nøytron. Deretter kolliderer nøytronet med en annen deuteron, og akselererer den.

Kan kavitasjonen, som allerede er kjent for å kunne skape øyeblikkelige temperaturer varmere enn solens overflate på atomnivå, replikere den samme prosessen, men uten en partikkelakselerator?

Ren energi løst?

Hvis denne oppdagelsen blir bekreftet og perfeksjonert, betyr det at vi har løst kjernefysisk fusjon? Og at ren, overflodig energi bare er et tidsspørsmål? Kanskje, men ett kritisk datapunkt mangler fortsatt: selv om vi vet at nøytroner blir utsendt, vet vi ikke hvor mye energi systemet avgir.

Dermed kan problemet som har hindret varm fusjon så langt, å produsere mer energi enn den forbruker, også være et problem for kald fusjon.

Et oppmuntrende poeng er at Dr. Fomitchev‑Zamilov jobber på en laboratoriebenk, langt fra fasiliteter som  USAs National Ignition Facility (NIF) som leverer 500 billioner watt toppkraft på ett punkt gjennom 192 kraftige laserstråler.

Så selv om energiproduksjonen kan være beskjeden, kan vi anta at også energiinntaket var beskjeden.

Investering i kjernefysisk fusjon

Som en vitenskapelig idé som nettopp har kommet ut av et dårlig rykte som i praksis var en karrieredreper for enhver fysiker som prøvde å jobbe med den, er kald fusjon i dag langt fra tilgjengelig for investorer.

Tungt vann er et svært lite marked, med kun 161 millioner dollar handlet globalt (og litt mer produsert lokalt), og Canada er den største eksportøren. En privat leverandør er laboratorie‑utstyr‑ og forbruksvare‑giganten Sigma‑Aldrich, en del av Merck KGaA (MRK.DE ) (MRK.DE).

For øyeblikket er ingen av selskapene som jobber med å gjøre varm kjernefysisk fusjon kommersielt levedyktig børsnotert. Dette inkluderer Helion, General Fusion (GFUZ ), Commonwealth Fusion, TEA Technologies, ZAP Energy, og NEO Fusion.

Du kan finne en omfattende liste over oppstartsbedrifter innen kjernefysisk fusjon på den dedikerte Dealroom‑siden.

Et bemerkelsesverdig unntak fra de privatnoterte oppstartsbedriftene som dominerer feltet, er det børsnoterte selskapet Lockheed Martin Corporation (LMT ), en gigant i forsvarsindustrien.

1. Lockheed Martin Corporation

Siden tidlig på 2010‑tallet har Lockheed jobbet med Compact Fusion, en kjernefysisk fusjonsreaktor de forventet skulle være klar på 2020‑tallet. Det har imidlertid siden blitt kunngjort at arbeidet med prosjektet ble stoppet i 2021.

Selskapet har vært svært diskret om dette prosjektet etter en svært entusiastisk første kunngjøring. Den dag i dag er det uklart hva som kan ha fått selskapet til å avbryte ideen.

Samtidig ser det ut til at de ikke helt har forlatt konseptet, spesielt med investeringer i 2024 i Helicity, en oppstartsbedrift som utvikler en fusjonsmotor.

Ideen er å drive romfartøy med korte fusjons‑utbrudd. Helicity planlegger å bruke en plasmagun, samme tilnærming som benyttet av General Fusion.

Potensielt har Lockheeds egne interne resultater vist at deres design ikke kunne opprettholde fusjon på en måte som er kompatibel med energiproduksjon.

Men kanskje, samtidig, er korte utbrudd tilstrekkelige for behovet for fremdrift i rommet og mye nærmere å bli et faktisk produkt. Det ville også passe bedre med selskapets overordnede profil innen romfart og forsvar.

2. General Fusion

General er en av oppstartsbedriftene som leder an i å gjøre fusjon til et privat sektor‑prosjekt, i stedet for et offentlig finansiert fysikkprosjekt.

Selskapet ble startet allerede i 2002 for å utvikle Magnetized Target Fusion (MTF)-teknologi.

MTF forventes av selskapet å være en kortere vei til energipositiv fusjon og å være mye billigere. General Fusion var den første i verden til å bygge og sette i drift en kompakt toroid‑plasma‑injektor i kraftverksskala i 2010 og har nådd mange flere milepæler siden.

Kilde: General Fusion

Selskapet har som mål å oppnå fusjon med 100 millioner grader Celsius i 2025 og å gå mot energibrekke‑even (positivt avkastning fra kjernefysisk fusjon) i 2026. Før det ble en 1/5‑skala modell laget i 2023, og dens ytelse matchet forventningene fra datamodellene.

Totalt har General Fusion brukt to tiår på å bygge steg for steg hver av kjerneteknologiene i sitt endelige design, teste hver underveis og med suksess validere ideen, så langt i hvert fall.

Kilde: General Fusion

Som et privat selskap trengte det ikke å diskutere og forhandle om designendringer, i motsetning til internasjonale prosjekter som ITER. Det kunne også velge teknologi basert på egen fortjeneste, uten å måtte avgjøre om et bestemt land skulle få kontrakten uavhengig av politiske årsaker.

Dette er grunnen til at mange forventer at General Fusion og noen av konkurrentene deres kan håndtere det store offentlige prosjektene kanskje ikke kan.

3. TAE Technologies

Tidligere kjent som Tri Alpha Energy, er det California‑baserte selskapet fokusert på å utvikle fusjonsenergiteknologi. TAE Technologies oppgraderer for tiden sin fusjonsplattform, Norman, til en sjette‑generasjonsmaskin kalt Copernicus.

Kilde: TAE

TAE‑teknologien er avhengig av partikkelakseleratorer for å injisere energi i plasmaen og «virker som et fortykningsmiddel som gjør den mer håndterbar».

Selskapet bruker også omfattende 3D‑utskrift i byggingen av Copernicus, noe som tillater raske iterasjoner av nye deler og raskere problemløsning. For eksempel klarte de å skrive ut noen reaktorkomponenter med halv så stor vekt som konvensjonell produksjon ville ha oppnådd.

Kilde: TAE

Hvis alt går som planlagt, forventer selskapet å bygge sin første prototypekraftverk som kan kobles til nettet tidlig på 2030‑tallet, som vil bli skalert opp for å utvikle «robust og pålitelig» kommersiell kraft gjennom tiåret.

Fusjon, ifølge administrerende direktør Michel Binderbauer, vil ta oss inn i et «paradigme av overflod».

De siste 25 årene har selskapet operert med en «penger per milepæl»-modell, hvor hver finansieringsrunde kun opptjenes fra investorer basert på å levere på de lovede milepælene.

I 2022 investerte Google og Chevron (CVX ) i TAE Technologies som en del av selskapets kapitalinnhenting på 250 millioner dollar. Google har faktisk samarbeidet med TAE i et tiår nå og gir selskapet AI og beregningskraft.

Selskapet tilbyr også livsvitenskapelige tjenester (Boron Neutron Capture Therapy – BNCT) og kraftløsninger som batterier og e‑mobilitet.

4. Helion

Helion har som mål å skape fusjon med deuterium og helium‑3, i stedet for den mer vanlige tilnærmingen som fokuserer på fusjon med tritium.

Vanligvis er helium‑3 svært vanskelig å finne. Men Helion har en metode for å produsere det fra deuterium i sin egen reaktor. Ellers ville uprøvde alternativer som gruvedrift på månen sannsynligvis vært nødvendig.

Som de fleste private fusjonsprosjekter bruker Helion plasma‑injeksjonsteknologi.

En annen unik egenskap ved Helion er å målrette direkte elektrisitetsfangst fra plasmaen, ved å bruke Faradays lov for å indusere en strøm, og dermed hoppe over dampvarmekretsen som er vanlig i kjernekraftverk.

Dette trekket er ganske dristig, men kan også øke avkastningen til fremtidige kraftverk med 2–3 ganger, siden konvertering fra varme til damp til kraft vanligvis har svært lav effektivitet. Det er også en svært kapitalkrevende prosedyre.

Helions fusjonskraftverk forventes å ha neglisjerbare drivstoffkostnader, lave driftskostnader, høy oppetid og konkurransedyktige kapitalkostnader. Våre maskiner krever mye lavere kostnad på kapitalutstyr fordi vi kan utføre fusjon så effektivt og ikke trenger store dampturbiner, kjøletårn eller andre dyre krav fra tradisjonelle fusjonsmetoder.

Helion opererer for tiden med Trenta, sin 6.^e generasjonsreaktor som har oppnådd over 10 000 pulser og 100 millioner grader Celsius.

Kilde: Helion

Den er for tiden i ferd med å gå over til Polaris, sin neste modell som forventes å ha magnetiske pulser 100 ganger raskere enn Trenta, noe som vil gjøre den til den første kjernefysiske fusjonen som produserer en netto gevinst i elektrisitet.

Det er verdt å merke seg at Polaris vil være 19 m lang, langt fra en gigantisk installasjon sammenlignet med andre, mer klassiske fusjonsreaktordesign.