Kan fusion i rumstemperatur ge gratis energi?

Arrangemanget av glasrör, kolvar och trådar såg mest av allt ut som något man kunde pyssla med själv hemma vid köksbordet. Men när forskarna applicerade en svag ström gav uppställningen ifrån sig värme och genererade mer energi än vad som tillfördes.

De två elektrokemisterna Martin Fleischmann och Stanley Pons som 1989 utförde experimentet var övertygade om att de hade kopierat solens fusionsprocesser – vid vanlig rumstemperatur.

Experimentet vände upp och ner på världen – om detta var sant skulle man i princip kunna producera energi gratis. Men entusiasmen ersattes snabbt av skepsis när andra forskare förgäves försökte återskapa den kalla fusionen. Än i dag är det osäkert vad som egentligen pågick i de två forskarnas laboratorium – men kanske var de inne på rätt väg trots allt.

Försök med stöd av bland annat Google indikerar att det faktiskt går att skapa värme med Fleischmann och Pons metod. Flera forskargrupper runt om i världen har nu satt i gång att förfina de ursprungliga experimenten, vilket kanske leder till att vi en dag kan lösa våra energiproblem utan att belasta vare sig plånbok, klimat eller miljö.

Fusion kräver 15 miljoner grader

Den enorma värme som strålar mot oss från solen är resultatet av något av det närmaste vi kommer en evighetsmaskin.

I vår sols kärna smälter vätekärnor samman och bildar helium under en kolossal värmeutveckling. Den extremt höga temperaturen på runt 15 miljoner grader är förutsättningen för att fusionsprocessen ska kunna hållas igång, som leder till att nya atomkärnor hela tiden smälter samman.

I decennier har forskare arbetat hårt för att återskapa solens fusionsprocesser i enorma experimentreaktorer, exempelvis i Wendelstein 7-X i Greifswald i Tyskland. Det är dock fortfarande långt kvar innan forskarna kan få ett energiöverskott från fusionsprocesserna, och därför skulle det ha varit revolutionerande om detta faktiskt var vad Martin Fleischmann och Stanley Pons uppnådde i rumstemperatur redan 1989.

Men det skulle också kräva att fysiker tog ett omtag om hela konceptet med fusion för att förklara hur två atomer smälter samman utan extrem värme. Och just detta utgör ett allvarligt vetenskapligt problem för Fleischmann och Pons experiment.

De två elektrokemisterna formulerade inte någon teori för hur fusion ens kunde ske i deras experimentupplägg. Utan en teori är det svårt att testa varifrån energiutvecklingen egentligen kom och det går därför inte förkasta att värmen som forskarna kunde uppmäta enbart berodde på misstag och tillfälligheter – eller om resultatet uppstod av helt andra, oförutsedda kemiska reaktioner.

Fleischmann och Pons experimentella upplägg var relativt enkelt. De använde sig av elektrolys, som är en enkel och välkänd fysikalisk-kemisk process där elektricitet kan användas för att dela upp vatten i dess två komponenter, syre och väte.

I sina experiment använde forskarna tungt vatten (D₂ O) , där syreatomerna är kopplade med tungt väte – även kallat deuterium (D) – som skiljer sig från vanligt väte genom att ha en neutron i kärnan.

Runt den ena elektroden – den så kallade anoden av platina – bildades syre, medan det runt den andra elektroden – katoden av palladium – bildades deuterium.

Normalt sett skulle deuteriumatomerna (precis som vanliga väteatomer) para ihop sig med varandra och bli en gas, men forskarna hävdade att en liten del av deuteriumatomerna klumpade ihop sig så hårt i palladiumkatoden att de spontant smälte samman.

Enligt fysikens lagar kan deuterium fusionera på tre olika sätt, och i samtliga fall kommer en viss mängd energi att frigöras.

Energin var det som övertygade Fleischmann och Pons om att fusion måste ha skett i deras experiment, trots att det bara var några grader över rumstemperatur, eftersom i några av experimenten steg temperaturen i det tunga vattnet plötsligt från de normala 30 graderna till cirka 50 grader.

Detta motsvarar att experimentupplägget genererade 40 gånger så mycket energi som tillfördes elektroderna i form av ström.

Forskarna kom fram till att den extra värmeutvecklingen måste bero på fusion. Om det verkligen var fallet borde forskarna också ha kunnat mäta antingen protoner, neutroner eller gammastrålning, men det kunde de inte. Fleischmann och Pons hade alltså inga bevis för att deuteriumatomerna smälte samman.

I princip skulle värmeutvecklingen därför kunna bero på allt annat än fusion, exempelvis att någon hade höjt värmen i laboratoriet.

Google satsar på kall fusion

Bara några månader efter Fleischmann och Pons häpnadsväckande experiment hade mer än 100 andra forskargrupper försökt imitera dem.

De flesta var besvikna, och även om ett fåtal forskare hittade möjliga tecken på fusion var det övergripande problemet att resultaten spreds åt alla möjliga håll. Och så har det varit för nästan alla försök till kall fusion sedan dess.

Forskarna kan inte upprepa sina egna eller sina kollegors experiment och få samma resultat. Inom vetenskapen heter det att experimenten inte går att reproducera, och det är ett stort problem forskarna då inte vet vad man ska tro.

Intresset för kall fusion har dock aldrig helt försvunnit och på senare år har flera finansiella tungviktare intresserat sig för den kontroversiella forskningen.

Under 2015 samarbetade Google med 30 forskare från fyra erkända forskningslaboratorier i USA och Kanada. Syftet var att undersöka vad som kunde ha gått fel i de tidigare experimenten och hur det kunde göras bättre.

Forskarna lyckades faktiskt skapa kall fusion med en förbättrad metod som använde deuterium i form av plasma. Men resultatet ledde inte till någon praktisk tillämpning eftersom metoden krävde betydligt mer energi än vad som producerades i själva fusionsprocessen.

Google-forskarna mätte att fusionen gav ifrån sig neutroner, och det är den av deuteriums tre möjliga fusionsprocesser som utvecklar minst energi. Forskarna försökte därför skapa ytterligare en fusionsprocess som avger gammastrålning och utvecklar åtta gånger så mycket energi, men det lyckades aldrig.

Japaner skruvar upp värmen

Även i Japan har enorma företag som Toyota och Nissan, som är mest kända för sina bilar, kastat sig ut i kall fusion.

I samarbete med kärnfysikern Akito Takahashi från Osaka University har de experimenterat med katoder av palladium som tillsatts nanopartiklar av nickel och zirkonium. Kombinationen kan absorbera mer deuterium och därmed föra kärnorna närmare varandra, vilket gör att chansen för fusion ökar.

I rumstemperatur kunde den japanska experimentuppställningen producera en viss mängd extra energi under korta perioder, men när forskarna vred upp temperaturen till 200-300 grader hände något.

Nu började systemet leverera en överskottsenergiproduktion på 3-24 watt, och energiproduktionen kunde hållas i gång i flera veckor. Experimenten gav också i de flesta fall samma resultat när de upprepades vid två olika universitet.

Detta är en stark indikation på att den extra energiproduktionen var verklig och inte bara berodde på slumpen.

Akito Takahashi och hans kollegor hade dock ett problem: De kunde inte upptäcka någon av reaktionsprodukterna som tyder på fusion av deuterium, och det är därför osäkert om fusion överhuvudtaget ägde rum.

Faktum är att forskarna inte använde ordet fusion alls när de publicerade de anmärkningsvärda resultaten 2018. I stället noterade de helt enkelt att den stadiga energiutvecklingen inte kunde tillskrivas några kända kemiska processer.

Även om kall fusion fortfarande är höljd i mystik framträder nu en bild av att Martin Fleischmann och Stanley Pons kanske inte var helt på avvägar 1989.

Då avfärdades de snabbt, men i dag har forskarna bättre material och mätinstrument och det börjar dyka upp tecken på att experimenten kan upprepas och ge samma resultat gång på gång.

Det är dock fortfarande svårt att påvisa vilka reaktionsprodukter man kan förvänta sig att hitta vid fusion, därför är det kanske klokaste just nu att göra som Akito Takahashi och släppa ordet fusion och helt enkelt konstatera att en ny metod för att producera energi har hittats.