Studená fúze. Chyby a „chyby― ve fyzice Jaroslav Smejkal ČVUT v Praze Ústav technické a experimentální fyziky
ÚTEF ČVUT
Jaroslav Smejkal
Termojaderná fúze Fúze je proces, který „živí― Slunce a další hvězdy. Obrovský gravitační tlak dovoluje dosáhnout ve středu Slunce teploty kolem 10 miliónů stupňů Celsia. Lehká jádra se pak slučují dohromady a uvolňují při tom energii. Při této teplotě se plyn stává plazmatem – elektrony jsou zcela odděleny od atomových jader (iontů). Plazma je čtvrté skupenství hmoty a vyznačuje se velmi specifickými vlastnostmi. Ačkoli plazma se na Zemi vyskytuje zřídka, více než 99 % známého vesmíru je tvořeno právě plazmatem. Jaroslav Smejkal, ÚTEF ČVUT Praha
2
Termojaderná fúze II Při mnohem nižších tlacích (desetmiliardkrát menších než ve Slunci), které umíme vytvořit na Zemi, jsou pro uvolnění fúzní energie v míře, která nás zajímá, zapotřebí teploty nad 100 000 000 °C. K dosažení vysokých teplot jsou nezbytné: — výkonný ohřev, — minimalizace tepelných ztrát. Tepelné ztráty horkého plazmatu lze snížit izolací plazmatu od stěn nádoby. Plazma se proto uzavírá do toroidální „klece―vytvořené silným magnetickým polem, které brání elektricky nabitým částicím uniknout. tento nejmodernější způsob izolace je základem evropského fúzního programu. Jaroslav Smejkal, ÚTEF ČVUT Praha
3
Studená jaderná fúze – definice Studená jaderná fúze je proces, při němž se — uvolňuje? — může uvolňovat? — má uvolňovat? — mohla by se uvolňovat?... jaderná energie ve formě tepla jadernou fúzí jader deuteria (nebo jakýchkoliv jiných jader) při pokojové teplotě (případně při jakékoliv jiné teplotě, třeba i vyšší než teplota pokojová, avšak stále ještě výrazně nižší než teploty potřebné pro termojadernou fúzi). Jaroslav Smejkal, ÚTEF ČVUT Praha
4
Objev století, nebo podvod? Zájem o studenou jadernou fúzi vyvolala zpráva z března roku 1989, podle níž Stanley Pons a Martin Fleischmann z Univerzity v Utahu při experimentech s elektrolýzou těžké vody D2O změřili přebytek tepla, který bylo možno vysvětlit pouze jaderným procesem. Steven Jones z Brigham Young University sice nezjistil žádný přebytek tepla, avšak tvrdil, že pozoroval emisi neutronů, která indikuje jaderný proces. Uvedené zprávy vzbudily velký zájem, ale i velké pochybnosti, a to jak mezi vědci, tak i v laické veřejnosti. Jaroslav Smejkal, ÚTEF ČVUT Praha
5
Důvody pochybností Jednoduchost zařízení, které bylo při experimentech použito – skládalo se z dvojice elektrod připojených na baterii a ponořených do roztoku těžké vody. Nesoulad se standardními fyzikálními představami o jaderné fúzi. Přijetí inkriminovaného experimentu by si zřejmě vyžádalo zásadní přestavbu uznávaného modelu. Nestalo se poprvé, že bylo oznámeno pozorování jaderná fúze při experimentech s elektrolýzou. Nejstarší zpráva pochází z konce 20. let 20. století (J. Tandberg, 1927). Později však byla odvolána. Jaroslav Smejkal, ÚTEF ČVUT Praha
6
Důvody pro nadšení Možnost produkce tepla studenou jadernou fúzí možnost získání nového čistého zdroje energie. Snadná dostupnost paliva – deuterium se v přírodě poměrně hojně vyskytuje. Možnost decentralizace ve výrobě energie. Naděje na snížení závislosti vyspělých, ale i rozvojových zemí na rizikových režimech Blízkého a Středního východu. Historický optimismus konce 80. let. V součtu: Nebezpečí efektu „přání otcem myšlenky―. Jaroslav Smejkal, ÚTEF ČVUT Praha
7
Hon na Nobelovu cenu Již několik hodin po oznámení studené jaderné fúze Jonesem a Fleischmannem se někteří vědci pokoušeli experiment ve své laboratoři zopakovat. Odhaduje se, že ve Spojených státech se (tehdy) vynaložilo několik desítek miliónů dolarů na experimenty se studenou jadernou fúzí. Některé výzkumné skupiny sice potvrdily pozorování nadbytku tepla, ale většina z nich dospěla k rozporným závěrům. Některé skupiny v různých zemích ovšem experiment „zopakovaly―. Jaroslav Smejkal, ÚTEF ČVUT Praha
8
Pochybnosti pokračují… Většina laboratoří při experimentech neobjevila množství tepla, které by přesahovalo množství tepla vznikající při běžné elektrolýze vody. Nebyly pozorovány žádné produkty předpokládané jaderné fúze. (Mělo by být identifikováno buď tritium, nebo izotopy hélia. Mezi produkcí tepla a množstvím tritia nebo hélia existuje vysoká korelace.) Měla by být (a nebyla) pozorována emise neutronů, protonů nebo -záření o energii několika megaelektronvoltů. Přetrvávající pochybnosti teoretiků. Jaroslav Smejkal, ÚTEF ČVUT Praha
9
Role paládia při studené fúzi K procesu mělo docházet na paládiové elektrodě. Myšlenka, že paládium (nebo titan) mohou katalyzovat jadernou fúzi, vychází ze zvláštní schopnosti těchto kovů absorbovat velké množství vodíku nebo deuteria (1 gram paládia může absorbovat až 1 gram vodíku; 1 gram vodíku má objem asi 20 litrů). Podle příznivců hypotézy měla absorpční schopnost paládia stačit k tomu, aby se atomy deuteria dostaly na vzdálenost dostatečnou pro proběhnutí jaderné fúze „v omezeném rozsahu―. Coulombickou bariéru mezi jádry deuteria měl zmírnit jejich protáhlý tvar. Jaroslav Smejkal, ÚTEF ČVUT Praha
10
Nepovedlo se… Efekt studené jaderné fúze byl vědeckou komunitou nakonec odmítnut jako neprokázaný a sporný. Žádný z důkladně provedených experimentů nevedl k potvrzení efektu. Experimenty, které tvrdily opak, trpěly metodickými chybami, různými druhy nekonsistencí a – což je velmi důležité – nebyly reprodukovatelné. Přes veškerou snahu se nepodařilo najít žádné rozumné teoretické vysvětlení, které by bylo něčím více než jen čistou spekulací. Jaroslav Smejkal, ÚTEF ČVUT Praha
11
… a co dál? Oba autoři „objevu― byli nařčeni z podvodu, nebo přinejmenším z neserióznosti a metodických pochybení. Cena paládia na světových trzích krátkodobě vzrostla o desítky procent. Celý případ vedl k rozsáhlým diskusím o etice vědecké práce. Nicméně, při zkoumání domnělého efektu byla učiněna pozorování, která je třeba vysvětlit. Cena za případné vítězství v „závodu― je tak vysoká a lákavá, že ani po skoro dvaceti letech není nouze o další a další „závodníky―… Jaroslav Smejkal, ÚTEF ČVUT Praha
12
Studená fúze existuje… ale… Studenou jadernou fúzi lze realizovat pomocí mioatomů. Mioatomy (= mionové atomy) – atomy, v jejichž elektronovém obalu jsou místo elektronů miony Miony díky své větší hmotnosti vytvářejí obal, který má menší rozměry, což vede k efektivnímu odstínění kladného náboje atomového jádra. Mioatomy se tak mohou dostat mnohem blíže k sobě a stačí výrazně menší teplota a tlak na to, aby se jejich jádra sloučila. Problém: rychlý rozpad mionů neumožňuje řetězovou reakci. Jaroslav Smejkal, ÚTEF ČVUT Praha
13
Studená jaderná fúze – II. díl V roce 2002 oznámil Rusi Taleyarkhan experimentální ověření tzv. bublinkové jaderné fúze. Experiment pracuje s jevem zvaným sonoluminiscence (= vznik světla zapříčiněný zvukem) Uspořádání: nádobou s acetonem necháme procházet intenzivní ultrazvuk. Rychlé změny tlaku vedou ke vzniku dutin provázenému implozí (= kavitace). V roce 2002 byla publikována teorie, že za sonoluminiscencí je termojaderná fúze. Jaroslav Smejkal, ÚTEF ČVUT Praha
14
Bublinková jaderná fúze? Ve středu kolabující bublinky vzniknou vysoký tlak a vysoká teplota. Když jsou tlak a teplota dostatečně vysoké, je možné, že na malý okamžik nastane v centru bublinky termojaderná reakce. Bohužel, experiment z roku 2002 se v jiných laboratořích nepodařilo zopakovat. Opakování se povedlo až v roce 2005, důvěryhodnost však oslabuje fakt, že experiment byl proveden v laboratoři vedené zmiňovaným R. Taleyarkhanem. K experimentu existují i vážné metodické připomínky. Jaroslav Smejkal, ÚTEF ČVUT Praha
15
Studená jaderná fúze – III. díl V roce 2005 bylo oznámeno sestrojení tzv. pyrofusoru skupinou kolem Setha Puttermana.
Jaroslav Smejkal, ÚTEF ČVUT Praha
16
Studená jaderná fúze – III. díl Základem zařízení je pyroelektrický krystal LiTaO3. Na povrchu krystalu je měděná elektroda s wolframovým hrotem. Na krystalu může při zahřívání vzniknout napětí až 120 kV. V okolí špičky zmiňovaného hrotu tak může vzniknout extrémně silné elektrické pole. Když se atom deuteria ocitne blízko hrotu, elektrické pole ho „oholí― o jeho elektron a jádro (iont) je odmrštěno s velkou energií pryč. Odmrštěné ionty jsou vystřelovány na terčík z deuteridu erbia. Jaroslav Smejkal, ÚTEF ČVUT Praha
17
Obrázek iontů na stínítku
Jaroslav Smejkal, ÚTEF ČVUT Praha
18
… místo shrnutí „… Studená fúze byla hýčkaným dítětem newageových 80.let. Splňovala všechna očekávání, která lidé pod vlivem nástupu osobních počítačů vkládali do nejrůznějších oborů vědy i techniky: jak by bylo krásné vyřešit energetické, ekologické (a koneckonců i ekonomické) problémy nějakým kouskem "malého decentralizovaného hi-tech", jaký představovaly osobní počítače - které v té době začínaly ovlivňovat život neuvěřitelným tempem, a během krátké doby změnily k nepoznání prakticky všechno, co souviselo s tvorbu a zpracováním textu, obrazu, hudby i videa.― Jaroslav Smejkal, ÚTEF ČVUT Praha
19
… místo shrnutí II Na příkladu studené fúze je ale krásně vidět i různé „postraní― mechanismy působící v rámci vědeckého poznání. Jsou důležitější experimentální výsledky, nebo teorie, která je „podepírá―? Co s experimentem, který není snadno reprodukovatelný? Jak daleko může vědec zajít v honbě za penězi na svůj výzkum? Jak daleko může zajít při medializaci svých úspěchů/„úspěchů―. Jaroslav Smejkal, ÚTEF ČVUT Praha
20
… místo shrnutí III „… Celé problematice dodává alchymistický až magický nádech právě skutečnost, že něco se děje – ale nikdo neví přesně co – takže skeptici povýšeně tvrdí, že když nevíme co se děje, tak se ve skutečnosti neděje nic (a stoupenci studené fúze by měli navštívit psychiatra a jít si hledat seriózní zaměstnání), zatímco idealisté a snílci zase sepisují mnohasetstránkové publikace o tom, jak studená fúze spasí lidstvo (což je samozřejmě naivita: ony ,ušetřené miliardy dolarů‘ jsou miliardy dolarů, které dnes někdo vydělává a vydělávat přestane…― Jaroslav Smejkal, ÚTEF ČVUT Praha
21
