Kallfusion återuppväcker drömmar om ren energi utan het plasma

Betyr kärnfusion bara het fusion?

Kärnfusion är energiforskningens heliga graal. Den skulle leverera enorma mängder ren energi, utan att producera kärnavfall eller koldioxidutsläpp, samtidigt som den använder ett bränsle så rikligt att det utgör majoriteten av materien i universum.

Den är också otroligt svår att uppnå, helt enkelt för att det enda sätt vi vet att kärnfusion kan ske är att återskapa förhållandena i stjärnor, med ofattbart tryck och temperaturer på tiotals eller hundratals miljoner grader.

Detta kan uppnås genom kraftfulla magnetfält som innehåller och komprimerar den ultraheta plasmaen. Eller med hundratals kraftfulla laserstrålar som synkroniseras för att rikta in sig på samma punkt. Alla dessa metoder har dock svårt att hålla fusionsreaktionen igång tillräckligt länge för att ”betala tillbaka” den energi som spenderas för att initiera kärnfusion.

Källa: IEEE

Komplexiteten i kärnfusionstekniken och dess potential att lösa vårt energiproblem diskuterades mer i detalj i vår artikel “Kärnfusion – den ultimata rena energilösningen på horisonten.”

Men tänk om kärnfusion kunde ske under andra omständigheter, med materialvetenskap, sällsynta metaller och kemi istället för högenergi‑plasmateknik?

Detta är löftet med ”kallfusion”, ett område som länge ansågs ovetenskapligt och hånades av forskarsamhället. Det var så tills ett vetenskapligt papper publicerades i den prestigefyllda tidskriften Nature, med titeln “Observation of neutron emission during acoustic cavitation of deuterated titanium powder.”

Historia om kallfusion

År 1989 påstod forskarna Stanley Pons och Martin Fleischmann att de hade uppnått kallfusion. Tyvärr har år av försök att reproducera resultaten av forskarsamhället hittills varit utan framgång, vilket lett till anklagelser om dålig vetenskap eller till och med ren bluff.

Den följande kontroversen skadade konceptets image permanent. Detta ledde också till stark popularitet bland amatörer, bedragare och oseriösa ”uppfinnare” som vägrade låta sin ”upptäckt” granskas av kollegor.

Det fortsätter dock att forskas på av ett fåtal vetenskapsmän, oftast under de mindre kontroversiella namnen Low Energy Nuclear Reactions (LENR), Condensed Matter Nuclear Science (CMNS) eller Chemically Assisted Nuclear Reactions (CANR).

Ett förnyat intresse för området har uppstått under 2020‑talen, när folk vill gå förbi stigmatiseringen av amatörforskning. Noterbart är att den amerikanska myndigheten ARPA‑E 2023 meddelade en handfull bidrag för att finansiera forskargrupper som undersöker lågenergi‑kärnreaktioner (LENR), efter intressanta resultat från NASA‑forskare 2020.

NASA‑teamet kallade sin metod ”lattice confinement fusion”. De hävdade att det de gjorde inte var kallfusion utan en speciell form av het fusion.

Ändå visar att skapa fusion utan plasma tydligt att kärnfusion kan uppnås på fler sätt än tidigare trott, och riktig kallfusion kan fortfarande vara möjlig.

De två huvudkoncepten för kallfusion

Metall‑driven fusion

En föreslagen metod för kallfusion, ursprungligen föreslagen av Pons & Fleischmann 1989, involverade att använda material som förändrar form så att väteatomer fångas och tvingas att smälta samman. För att göra detta har väteinfunderade metaller som palladium, erbium och titan föreslagits.

Det allmänna konceptet är att genom att absorbera väteatomer och föra dem nära varandra, skulle metallgittret förändra form. Och att detta på något sätt skulle underlätta sammansmältningen av väteatomer till helium.

Även om det inte är helt omöjligt har fysiker varit skeptiska från början, eftersom de energinivåer som krävs för att övervinna vätekärnornas repulsion är enorma.

Bubbel‑fusion

En annan idé är att kärnfusion kan ske i bubblor när de kollapsar; till exempel kan bubblor bildas i vatten när det utsätts för ultraljud, en idé som ibland också kallas sonofusion.

Teoretiskt sett kan chockvågorna som skapas av en bubblas kollaps i en vätska vara tillräckligt kraftfulla för att orsaka fusion, inte helt olikt hur chockvågor inducerade av laser fungerar.

Det är också känt att kavitation kan vara en mycket kraftfull kraft, exempelvis att tugga igenom metallen i båtpropellrar bara genom kraften från en kollapsande bubbla.

Källa: Britannica

Ett samtida forskningsområde involverar emissionen av ljus när en kavitet som produceras av en högintensiv ultraljudsvåg kollapsar. Denna effekt, kallad sonoluminiscens, kan skapa omedelbara temperaturer som är varmare än solens yta.

Om sonoluminiscens kan uppstå från ”temperaturer varmare än solens yta”, kan kärnfusion i teorin också göra det.

Idén är lika kontroversiell som den ”klassiska” gitter‑kallfusionen, med dess huvudförespråkare starkt kritiserad. Men 2013 återuppstod debatten:

Enligt en ny granskning av Oak Ridge National Laboratory‑arkiv, har ett starkt publicerat fynd från 2002 som kastade tvivel på det kontroversiella bordtopps‑kärnreaktionsexperimentet själv blivit ifrågasatt.

Faktum är att rapportören som granskade Oak Ridge‑dokumentdumpen också fann möjliga bevis som kan stödja några av de omtvistade forskarna—inklusive huvudförfattaren Rusi Taleyarkhan, nu vid Purdue University.

Spectrum IEEE

Trots att intresset återuppstod 2013 gav det få nya resultat, och idén föll tillbaka i ”det vore trevligt men det fungerar inte”‑högen i vetenskapshistorien.

Upptäckten 2024

Det var tills en ensam forskare, Max Fomitchev‑Zamilov, president för Maximus Energy Corporation i USA, publicerade det tidigare nämnda vetenskapliga papperet i Nature.

Företaget specialiserar sig på att sälja verktyg för kärnfysikexperiment, såsom neutron‑detektorer, gamma‑detektorer, röntgenspektrometrar, digitala pulshanterare, multikanalanalysatorer och spektroskopiprogramvara.

I maj 2024 påstod Dr. Fomitchev‑Zamilov att ha upptäckt potentiella fusionshändelser med bubblor av tungt vatten (gjort med deuterium istället för vanligt väte) blandat med titanpartiklar.

Detta skulle i teorin kombinera båda de teoretiserade tillvägagångssätten för kallfusion, med ett titan‑gitter och sonofusion.

Vi kunde upprätthålla neutronproduktionen i flera timmar och upprepade experimentet flera gånger under olika förhållanden.

Vi hypoteserar att de observerade neutronerna härrör från kärnfusion av deuterium‑joner upplösta i titan‑gittret på grund av den mekaniska verkan av de impingerande kavitation‑strålarna.

Att titta på gitter‑kall‑sonofusion

Resultaten av experimentet är mycket intressanta. Inte bara var topp‑neutronantalet “10 000x över bakgrundsnivån, utan det inträffade också endast när sekundära akustiska vågor konstruktivt interfererade och resulterade i massiva, skarpa trycktoppar på några tusen psi.“

Neutronproduktionen kunde också upprätthållas i flera timmar.

Det är värt att notera att experimentuppsättningen är anmärkningsvärt kompakt och använder relativt ”vanliga” komponenter av kärnfysikdetektorer och verktyg, vilket gör det någorlunda enkelt för andra forskare att reproducera och testa.

Källa: Nature

För den delen är Dr. Fomitchev‑Zamilovs vilja att dela sina rådata och experimentuppsättning ett uppfriskande drag i ett fält som ofta domineras av ”hemliga recept”.

Långsam utveckling

Kanske ännu mer värdefullt är de många erkännandena i den publicerade artikeln av vad som inte fungerade, något som kallfusion‑entusiaster sällan är villiga att göra.

Kavitationen av deuterium‑bubblor i mineralolja fungerade inte, oavsett förändringar i bubbelstorlek, tryckamplitud, frekvens eller tillsatta ytaktiva ämnen. Deuterium‑droppar fungerade inte heller.

Sådana ”misslyckanden” är viktiga, eftersom de visar att neutrondetektionen kan vara ett fel eller en mätningsartefakt i experimentuppsättningen. Men så snart de tillsatte deuterierat titan med deuterierat vatten (tungt vatten) upptäckte de ett neutronflöde.

Intressant nog inträffade neutronspiken regelbundet, i synk med de akustiska vågorna.

Källa: Nature

På liknande sätt är neutronspiken, skild från bakgrundsbrus och andra signaler, tydligt synlig när man observerar provet i fem timmar och sedan startar de akustiska vågorna.

Källa: Nature

Dessa resultat upprepades konsekvent om och om igen, och analyserades vidare under sex månader, vilket minskar sannolikheten för en slump eller ett enstaka fall som inte kan reproduceras.

Inte ett definitivt bevis ännu

Den publicerade artikeln medger att kallfusion fortfarande inte är den enda förklaringen till neutronflödet.

Det som demonstrerades, och som är ett banbrytande fynd, är att med deuterierade titanpartiklar + deuterierat vatten + ljudvågor/kavitation, emitteras neutroner.

Exempelvis kan experimentets förhållanden skapa ett fenomen som kallas spallation. Detta är där en högenergisk insats (som från högenergetiska partiklar) bryter en kärna i dess komponenter, vilket teoretiskt kan leda till att neutroner detekteras.

Källa: Springer

Alltså krävs ytterligare analyser av reaktionerna, tydligen med ytterligare spektroskopiska studier.

Förbättra designen

Självklart är en annan kommentar att dessa resultat nu måste reproduceras av andra forskare för att bli fullt betrodda.

Mer data måste samlas in från experiment för att förstå hur neutronproduktionen kan optimeras och den potentiella fusionsreaktionen.

Material

Vi vet från denna publikation att titan/deuterium‑pulvret i olja var stabilt mot sönderfall och separation i minst sex månader.

Men innan någon diskussion om den praktiska användningen av sådan potentiell kallfusion kan påbörjas, måste vi veta vad som förbrukas i processen.

Mechanismer för gitter‑kall‑sonofusion

Arbetshypotesen är att kavitation‑strålarna är orsaken till de observerade neutronspikarna och den antagna kärnfusionen.

Dessa strålar kan “fungera som kolvar som komprimerar deuterium‑joner lagrade i titan‑gittret. I så fall är materialet i strålarna inte så viktigt och H₂O‑droppar bör vara lika effektiva som D₂O‑droppar”.

Eller kanske “strålarna måste innehålla deuterium‑joner och verkningsmekanismen är den för en jonstråle som träffar ett deuterierat mål“.

Att klargöra mellan de två hypoteserna kommer sannolikt att bli nästa steg för Dr. Fomitchev‑Zamilov.

Eko av NASA‑arbeten?

Vi bör notera att ”inte‑kall‑inte‑plasma‑fusion”‑metoden som upptäcktes av NASA‑forskare 2020 använde kraftfulla elektroner för att trigga en sekvens av partikelkollisioner, vilket slutligen accelererade tillräckligt för att en deuteriumatom skulle utlösa fusion.

För att övervinna den barriären krävs en sekvens av partikelkollisioner. Först accelererar en elektronaccelerator elektroner och slår dem mot ett närliggande mål av volfram. Kollisionen mellan stråle och mål skapar högenergetiska fotoner, precis som i en konventionell röntgenmaskin.

Fotona fokuseras och riktas in i det deuteron‑laddade erbium‑ eller titan‑provet. När en foton träffar en deuteron i metallen splittras den i en energirik proton och neutron. Sedan kolliderar neutronen med en annan deuteron och accelererar den.

Kan kavitation, redan känd för att kunna skapa omedelbara temperaturer varmare än solens yta på atomnivå, replikera samma process men utan en partikelaccelerator?

Löst ren energi?

Om detta fynd bekräftas och förfinas, betyder det att vi har löst kärnfusion? Och att ren, riklig energi bara är en tidsfråga? Kanske, men en avgörande datapunkt saknas fortfarande: medan vi vet att neutroner emitteras, vet vi inte hur mycket energi systemet avger.

Problemet som hittills hindrat het fusion – att producera mer energi än den förbrukar – kan också vara ett problem för kallfusion.

En uppmuntrande punkt är att Dr. Fomitchev‑Zamilov arbetar på ett laborativt bord, långt från anläggningar som USA:s National Ignition Facility (NIF) som levererar 500 billioner watt toppkraft på en punkt genom 192 kraftfulla laserstrålar.

Så även om energiproduktionen kan vara blygsam, kan vi anta att även insatsen var det.

Investera i kärnfusion

Som en vetenskaplig idé som precis har rest sig ur ett dåligt rykte som i praktiken var en karriärdödare för varje fysiker som vågade arbeta med den, är kallfusion i dag mycket otillgänglig för investerare.

Tungt vatten är en mycket liten marknad, med endast 161 miljoner USD handlade globalt (och något mer producerat lokalt), och Kanada är den största exportören. En privat leverantör är labbutrustnings‑ och förbrukningsjätten Sigma‑Aldrich, en del av Merck KGaA (MRK.DE ) (MRK.DE).

För närvarande är ingen av de företag som arbetar med att göra het kärnfusion kommersiellt livskraftig börsnoterade. Detta inkluderar Helion, General Fusion (GFUZ ), Commonwealth Fusion, TEA Technologies, ZAP Energy, och NEO Fusion.

Du kan hitta en omfattande lista över startups inom kärnfusionsområdet på Dealrooms dedikerade sida.

Ett anmärkningsvärt undantag från den privata startup‑dominansen är det börsnoterade företaget Lockheed Martin Corporation (LMT ), en gigant inom försvarsindustrin.

1. Lockheed Martin Corporation

Sedan början av 2010‑talen har Lockheed arbetat med Compact Fusion, en kärnfusionsreaktor som de förväntade sig skulle vara klar på 2020‑talen. Projektet stoppades dock 2021.

Företaget har varit mycket diskret kring detta projekt efter en mycket entusiastisk första lansering. Än idag är det oklart vad som kan ha fått företaget att överge idén.

Samtidigt verkar det som om de inte helt övergett konceptet, speciellt med investeringar 2024 i Helicity, en startup som utvecklar en fusionsmotor.

Idén är att driva rymdfarkoster med korta fusionsstötar. Helicity planerar att använda en plasmakanon, samma metod som General Fusion använder.

Möjligen har Lockheeds egna interna resultat visat att deras design inte kunde upprätthålla fusion på ett sätt som är kompatibelt med energiproduktion.

Men kanske är korta stötar tillräckliga för rymdpropulsion och mycket närmare att bli en faktisk produkt. Det skulle också passa bättre med företagets övergripande profil inom flyg- och försvarssektorn.

2. General Fusion

General är ett av de startups som leder vägen för att göra fusion till ett privat sektorsprojekt, snarare än ett offentligt finansierat fysikprojekt.

Företaget startade redan 2002 för att utveckla Magnetized Target Fusion (MTF)‑teknik.

MTF förväntas av företaget vara en kortare väg till energipositiv fusion och mycket billigare. General Fusion var det första i världen att bygga och ta i drift en kompakt toroid‑plasmainjektor i kraftverks‑skala 2010 och har nått många fler milstolpar sedan dess.

Källa: General Fusion

Företaget siktar på att nå fusion med 100 miljoner grader Celsius temperatur år 2025 och att gå mot energibrytpunkt (positiv avkastning från kärnfusion) år 2026. Före detta byggdes en modell på 1/5^th skala 2023, och dess prestanda motsvarade förväntningarna i dator­modellerna.

Sammanlagt har General Fusion spenderat två decennier på att steg för steg bygga varje kärnteknik i sin slutdesign, testa varje steg på vägen och framgångsrikt validera idén, åtminstone hittills.

Källa: General Fusion

Som privat företag behövde de inte diskutera och förhandla om designändringar, till skillnad från internationella projekt som ITER. De kunde också välja teknik på egen merit, utan att behöva avgöra om ett specifikt land skulle få kontraktet av politiska skäl.

Det är därför många förväntar sig att General Fusion och några av deras konkurrenter kan hantera vad stora statliga projekt kanske inte kan.

3. TAE Technologies

Tidigare känd som Tri Alpha Energy, det kaliforniska företaget fokuserar på att utveckla fusionsteknik. TAE Technologies uppgraderar för närvarande sin fusionsplattform, Norman, till en sjätte‑generationsmaskin kallad Copernicus.

Källa: TAE

TAE‑tekniken förlitar sig på partikelacceleratorer för att injicera energi i plasma och ”fungera som ett förtjockningsmedel som gör den mer hanterbar”.

Företaget använder också omfattande 3D‑utskrift i tillverkningen av Copernicus, vilket möjliggör snabba iterationer av nya delar och snabbare problemlösning. Till exempel lyckades de skriva ut vissa reaktorkomponenter med halva vikten jämfört med konventionell tillverkning.

Källa: TAE

Om allt går smidigt förväntar sig företaget att bygga sin första prototypkraftverk som kan kopplas till elnätet i början av 2030‑talen, vilket sedan kan skalas upp för att utveckla ”robusta och pålitliga” kommersiella kraftverk under årtiondet.

Fusion, enligt VD Michel Binderbauer, skulle föra oss in i ett ”överflödets paradigm”.

Under de senaste 25 åren har företaget opererat med en ”betal‑per‑milstolpe”-modell, där varje finansieringsrunda bara erhålls från investerare baserat på att leverera de lovade milstolparna.

År 2022 investerade Google och Chevron (CVX ) i TAE Technologies som en del av företagets 250 miljoner USD finansieringsrunda. Google har faktiskt samarbetat med TAE i ett decennium och förser företaget med AI och beräkningskraft.

Företaget erbjuder också livsvetenskapstjänster (Boron Neutron Capture Therapy – BNCT) och kraftlösningar som batterier och e‑mobilitet.

4. Helion

Helion siktar på att skapa fusion med deuterium och helium‑3, istället för den vanligare metoden att fokusera på fusion med tritium.

Vanligtvis är helium‑3 mycket svårt att hitta. Men Helion har en metod för att producera det från deuterium i sin egen reaktor. Annars skulle oprövade alternativ som att bryta det på månen sannolikt ha behövts.

Som de flesta privata fusion‑företag använder Helion plasmainjektions‑teknik.

En unik funktion hos Helion är att de riktar in sig på direkt el‑upptag från plasma, med Faradays lag för att inducera en ström, vilket direkt hoppar över den vanliga ångvärmekretsen i kärnkraftverk.

Detta drag är ganska djärvt, men kan också öka avkastningen i framtida kraftverk med 2‑3 gånger, eftersom värme‑till‑ånga‑till‑kraft‑omvandling vanligtvis har mycket låg verkningsgrad. Det är också en mycket kapitalkrävande procedur.

Helions fusionskraftverk förväntas ha försumbar bränslekostnad, låga driftskostnader, hög drifttid och konkurrenskraftig kapitalkostnad. Våra maskiner kräver mycket lägre kapitalkostnad eftersom vi kan göra fusion så effektivt och inte behöver stora ångturbiner, kyltornen eller andra dyra krav från traditionella fusionsmetoder.

Helion driver för närvarande Trenta, sin 6^th generationens reaktor som har uppnått 10 000+ pulser och 100 miljoner grader Celsius temperaturer.

Källa: Helion

Den är för närvarande på väg till Polaris, sin nästa modell som förväntas ha magnetiska pulser 100 × snabbare än Trenta, vilket skulle göra den till den första kärnfusionen som producerar ett nettovinst av elektricitet.

Det är värt att notera att Polaris skulle vara 19 m lång, långt ifrån en gigantisk installation jämfört med andra, mer klassiska fusionsreaktordesigner.