Cold Fusion Rozpal na nowo marzenia o czystej energii bez gorącej plazmy

Czy synteza jądrowa oznacza tylko syntezę na gorąco?

Fuzja jądrowa to Święty Graal badań nad energią. Dostarczałby ogromne ilości czystej energii, nie wytwarzając odpadów nuklearnych ani emisji dwutlenku węgla, a jednocześnie wykorzystywałby paliwo tak obfite, że stanowi większość materii we wszechświecie.

Jest to również niezwykle trudne do osiągnięcia po prostu dlatego, że jedynym znanym nam sposobem zajścia syntezy jądrowej jest odtworzenie warunków panujących wewnątrz gwiazd, przy niezgłębionym ciśnieniu i temperaturze sięgającej dziesiątek lub setek milionów stopni.

Można to osiągnąć za pomocą silnych pól magnetycznych, które zatrzymują i kompresują ultragorącą plazmę. Lub z setkami potężnych laserów zsynchronizowanych, aby celować w to samo miejsce. Jednak wszystkie te metody mają trudności z utrzymaniem reakcji syntezy jądrowej na tyle długo, aby „spłacić” energię zużytą na zainicjowanie syntezy jądrowej.

Źródło: IEEE

Złożoność technologii syntezy jądrowej i jej potencjał rozwiązania naszego problemu energetycznego omówiono bardziej szczegółowo w naszym artykule „Fuzja jądrowa – najlepsze rozwiązanie w zakresie czystej energii na horyzoncie".

Ale co by było, gdyby synteza jądrowa mogła nastąpić w innych okolicznościach, przy wykorzystaniu nauk o materiałach, metali rzadkich i chemii zamiast fizyki plazmy dużej mocy?

To obietnica „zimnej syntezy”, dziedziny długo uważanej za nienaukową i wyśmiewanej przez społeczność naukową. Tak było do czasu opublikowania w prestiżowym czasopiśmie Nature artykułu naukowego pt. „Obserwacja emisji neutronów podczas kawitacji akustycznej proszku deuterowanego tytanu".

Historia zimnej fuzji

W 1989 roku badacze Stanley Pons i Martin Fleischmann ogłosili, że osiągnęli zimną fuzję. Niestety, wieloletnie próby powtórzenia ustaleń społeczności naukowej zakończyły się jak dotąd niepowodzeniem, co prowadzi do oskarżeń o niską jakość nauki, a nawet do jawnego oszustwa.

Poniższa kontrowersja trwale zepsuła wizerunek tej koncepcji. Doprowadziło to również do jego dużej popularności wśród amatorów, oszustów i niepoważnych „wynalazców”, którzy nie chcieli wystawiać swojego „odkrycia” na recenzowanie i analizę naukową.

Niemniej jednak nadal pracuje nad nim niewielka liczba naukowców, zwykle pod mniej kontrowersyjnymi nazwami reakcji jądrowych o niskiej energii (LENR), nauki jądrowej o skondensowanej materii (CMNS) lub reakcji jądrowych wspomaganych chemicznie (CANR).

Ponowne zainteresowanie tą dziedziną nastąpiło w latach dwudziestych XXI wieku, kiedy ludzie chcą pozbyć się piętna badań amatorskich. W szczególności agencja rządowa USA ARPA-E ogłosiła w 2023 r. kilka grantów na finansowanie grup badawczych zajmujących się niskoenergetycznymi reakcjami jądrowymi (LENR), następujący intrygujące wyniki osiągnięte przez badaczy NASA w 2020 roku.

Zespół NASA nazwał swoją metodę „fuzją uwięzioną w sieci”. Upierali się, że to, co zrobili, było nie zimna fuzja, ale szczególna forma gorącej fuzji.

Mimo to wywołanie fuzji bez plazmy pokazało jasno, że syntezę jądrową można osiągnąć na więcej sposobów, niż wcześniej sądzono, a rzeczywista zimna fuzja również może nadal być możliwa.

Dwie główne koncepcje zimnej fuzji

Fuzja napędzana metalem

Proponowana metoda zimnej fuzji, pierwotnie zaproponowana przez Ponsa i Fleischmanna w 1989 r., polegała na wykorzystaniu materiałów zmieniających kształt, w wyniku czego atomy wodoru zostają uwięzione i zmuszone do stopienia się ze sobą. W tym celu zaproponowano metale nasycone wodorem, takie jak pallad, erb i tytan.

Ogólna koncepcja jest taka, że ​​absorbując atomy wodoru i zbliżając je do siebie, siatka metalowa zmieni kształt. I że mogłoby to w jakiś sposób ułatwić łączenie się atomów wodoru w hel.

Choć nie jest to całkowicie niemożliwe, fizycy od początku byli sceptyczni wobec tego pomysłu, ponieważ poziomy energii wymagane do przezwyciężenia tendencji jąder wodoru do wzajemnego odpychania się są gigantyczne.

Fuzja Bąbelków

Inny pomysł jest taki, że w bańkach, gdy się zapadną, może nastąpić fuzja jądrowa; na przykład w wodzie mogą tworzyć się pęcherzyki pod wpływem ultradźwięków, co jest czasami nazywane sonofuzją.

Teoretycznie fale uderzeniowe powstałe w wyniku zapadnięcia się pęcherzyka w cieczy mogą być wystarczająco silne, aby spowodować fuzję, podobnie jak fale uderzeniowe indukowane przez laser.

Wiadomo również, że kawitacja może być bardzo potężną siłą, na przykład łatwo przeżuwającą metal śrub napędowych łodzi pod wpływem samej siły zapadania się pęcherzyków.

Źródło: Brytyjski

Współczesnym przedmiotem badań jest emisja światła w wyniku zapadnięcia się wnęki wytworzonej przez falę ultradźwiękową o dużym natężeniu. Efekt ten, tzw Sonoluminescencja, może wytworzyć chwilową temperaturę wyższą niż na powierzchni Słońca.

Jeśli sonoluminescencja może w teorii powstać w „temperaturach wyższych niż powierzchnia Słońca”, teoretycznie może to nastąpić również w wyniku syntezy jądrowej.

Pomysł jest równie kontrowersyjny, jak „klasyczną” kratę cold fusion, którego główny promotor jest szeroko krytykowany. Ale w 2013 roku debata ponownie się rozgorzała:

Według nowego raportu śledczego przeprowadzonego w Oak Ridge National Laboratory, szeroko nagłośnione odkrycie z 2002 roku, które poddało w wątpliwość kontrowersyjny eksperyment syntezy jądrowej na stole, samo zostało poddane w wątpliwość.

W rzeczywistości reporter, który badał wysypisko dokumentów w Oak Ridge, znalazł również możliwe dowody potwierdzające, które mogły wesprzeć niektórych badaczy znajdujących się w trudnej sytuacji – w tym główną autorkę Rusi Taleyarkhan, obecnie na Uniwersytecie Purdue.

Widmo IEEE

Jednak ponowne zainteresowanie w 2013 r. nie przyniosło wielu nowych rezultatów, a pomysł wrócił na stos historii nauki „byłoby miło, ale to nie działa”.

Odkrycie z 2024 r

Tak było do czasu, gdy pojawił się jeden badacz, Max Fomitchev-Zamilov, prezes Firma Maximus Energyw USA opublikował wspomnianą wcześniej pracę naukową w czasopiśmie Nature.

Firma specjalizuje się w sprzedaży narzędzi do eksperymentów fizyki jądrowej, takich jak detektory neutronów, detektory gamma, spektrometry rentgenowskie, cyfrowe procesory impulsowe, analizatory wielokanałowe i oprogramowanie do spektroskopii.

W maju 2024 r. dr Fomitchev-Zamilov stwierdził, że wykrył potencjalne zdarzenia termojądrowe z pęcherzykami ciężkiej wody (wykonanej z deuteru zamiast zwykłego wodoru) zmieszanej z cząsteczkami tytanu.

Teoretycznie oznaczałoby to połączenie obu teoretycznych podejść do zimnej syntezy z metalową siatką tytanową oraz sonofuzja.

Byliśmy w stanie utrzymać produkcję neutronów przez kilka godzin i powtórzyliśmy eksperyment wielokrotnie w różnych warunkach.

Stawiamy hipotezę, że obserwowane neutrony powstają w wyniku fuzji jądrowej jonów deuteru rozpuszczonych w siatce tytanu w wyniku mechanicznego działania uderzających strumieni kawitacyjnych.

Patrząc na zimną sonofuzję kratową

Wyniki eksperymentu są bardzo interesujące. Nie tylko szczytowa liczba neutronów była „10,000x ponad tło, ale to też tylko miało miejsce gdy wtórne fale akustyczne konstruktywnie ingerował powodując masywne, ostre szczyty ciśnienia rzędu kilku tysięcy psi. "

Wytwarzanie neutronów można również utrzymać przez kilka godzin.

Warto zauważyć, że układ eksperymentalny jest niezwykle kompaktowy i wykorzystuje stosunkowo „zwykłe” komponenty detektorów i narzędzi fizyki jądrowej, co ułatwia innym badaczom replikację i testowanie.

Źródło: Natura

Jeśli o to chodzi, gotowość dr Fomiczowa-Zamiłowa do podzielenia się swoimi surowymi danymi i konfiguracją eksperymentów jest odświeżającym posunięciem w dziedzinie często zdominowanej przez „tajne przepisy”.

Powolny postęp

Być może bardziej wartościowe jest wielokrotne przyznanie się w opublikowanym artykule do tego, co nie zadziałało, a entuzjaści zimnej syntezy rzadko mają na to ochotę.

Kawitacja pęcherzyków deuteru w oleju mineralnym nie zadziałała, niezależnie od zmian w rozmiarach pęcherzyków, amplitudzie ciśnienia, częstotliwości czy dodanych środkach powierzchniowo czynnych. Krople deuteru również nie działały.

Takie „awarie” są ważne, ponieważ pokazują, że wykrycie neutronów to tylko błąd lub artefakt pomiarowy układu eksperymentalnego. Jednak gdy tylko dodali cząstki deuterowanego tytanu do wody deuterowanej (ciężkiej), wykryli strumień neutronów.

Co ciekawsze, skok neutronów następował regularnie, zsynchronizowany z falami akustycznymi.

Źródło: Natura

Podobnie impuls neutronowy, odmienny od szumu tła i innych sygnałów, jest wyraźnie widoczny, gdy patrzy się na próbkę przez 5 godzin, a następnie uruchamia fale akustyczne.

Źródło: Natura

Wyniki te były stale osiągane i analizowane dalej w ciągu 6 miesięcy, co jeszcze bardziej ograniczyło ryzyko wystąpienia przypadku lub dziwnego przypadku, którego nie można powtórzyć.

Nie jest to jeszcze ostateczny dowód

W opublikowanym artykule przyznano, że zimna fuzja nadal nie jest jedynym wyjaśnieniem uzasadniającym strumień neutronów.

Wykazano i stanowi to przełomowe odkrycie, że w przypadku deuterowanych cząstek tytanu + deuterowanej wody + fal dźwiękowych/kawitacji emitowane są neutrony.

Na przykład warunki eksperymentu mogą spowodować powstanie zjawiska zwanego kruszenia. W tym miejscu wkład o wysokiej energii (np. z cząstek o wysokiej energii) rozbija jądro na jego składniki, co teoretycznie mogłoby spowodować wykrycie neutronów.

Źródło: Rycerz

Konieczne są zatem dalsze analizy reakcji, najwyraźniej wymagające dodatkowych badań spektroskopowych.

Udoskonalanie projektu

Oczywiście kolejnym komentarzem, który powinniśmy poczynić, jest to, że wyniki te muszą teraz zostać powtórzone przez innych badaczy, aby można było w pełni im zaufać.

Należy zebrać więcej danych z eksperymentów, aby zrozumieć, jak zoptymalizować produkcję neutronów i potencjalną reakcję syntezy jądrowej.

Materiały

Z tej publikacji wiemy, że proszek tytanu/deuteru w oleju był odporny na rozkład i separację przez co najmniej 6 miesięcy.

Jednak przed jakąkolwiek dyskusją na temat praktycznego wykorzystania takiego potencjalnego postępu w zimnej syntezie musimy wiedzieć, co jest zużywane w tym procesie.

Mechanizmy zimnej sonofuzji kratowej

Robocza hipoteza jest taka, że ​​strumienie kawitacyjne są przyczyną obserwowanych skoków neutronów i zakładanej syntezy jądrowej.

Te odrzutowce mogą „działają jak tłoki zagęszczające jony deuteru zmagazynowane w siatce tytanu. W takim przypadku materiał strumieni nie jest aż tak ważny i kropelki H2O powinny być tak samo skuteczne jak kropelki D2O”.

Albo może "strumienie muszą zawierać jony deuteru, a mechanizm działania polega na tym, że wiązka jonów uderza w deuterowany cel".

Wyjaśnienie obu hipotez będzie prawdopodobnie kolejnym krokiem dr Fomiczowa-Zamiłowa.

Echa prac NASA?

Powinniśmy zauważyć, że Metoda „nie zimnej, nie plazmowej fuzji” odkryta przez naukowców z NASA w 2020 roku wykorzystał potężne elektrony do wywołania sekwencji zderzeń cząstek, ostatecznie przyspieszając na tyle, aby atom deuteru mógł wywołać fuzję.

Pokonanie tej bariery wymaga sekwencji zderzeń cząstek. Najpierw akcelerator elektronów przyspiesza i uderza elektronami w pobliski cel wykonany z wolframu. Zderzenie wiązki z celem powoduje powstanie fotonów o wysokiej energii, zupełnie jak w konwencjonalnym aparacie rentgenowskim.

Fotony są skupiane i kierowane do próbki erbu lub tytanu obciążonej deuteronem. Kiedy foton uderza w deuteron w metalu, rozdziela go na energetyczny proton i neutron. Następnie neutron zderza się z innym deuteronem, przyspieszając go.

Czy kawitacja, o której już wiadomo, że może wytworzyć chwilową temperaturę wyższą niż powierzchnia Słońca na poziomie atomowym, mogłaby powtórzyć ten sam proces, ale bez akceleratora cząstek?

Czysta energia rozwiązana?

Jeśli to odkrycie zostanie potwierdzone i udoskonalone, czy oznacza to, że rozwiązaliśmy syntezę jądrową? A ta czysta, obfita energia to tylko kwestia czasu? Być może, ale nadal brakuje jednego kluczowego punktu danych: chociaż wiemy, że emitowane są neutrony, nie wiemy, ile energii emituje system.

Zatem problem, który dotychczas utrudniał gorącą syntezę, wytwarzając więcej energii niż zużywa, może stanowić problem również w przypadku zimnej syntezy.

Zachęcający jest fakt, że dr Fomitchev-Zamilov pracuje na stole laboratoryjnym, z dala od obiektów takich jak  Krajowy zakład zapłonowy w USA (NIF) dostarczając 500 bilionów watów mocy szczytowej w jednym miejscu za pośrednictwem 192 potężnych wiązek laserowych.

Zatem chociaż produkcja energii może być skromna, możemy wywnioskować, że energia wejściowa również była taka sama.

Inwestowanie w syntezę jądrową

Jako pomysł naukowy, który właśnie wyrósł ze złej reputacji i który dla każdego fizyka, który w ogóle nad nim pracował, był w zasadzie zabójcą kariery, zimna fuzja jest dziś w dużym stopniu niedostępna dla inwestorów.

Ciężka woda to bardzo mały rynek obrót na całym świecie wyniósł jedynie 161 mln dolarów (i nieco więcej produkowane lokalnie), a Kanada jest największym eksporterem. Jednym z prywatnych dostawców jest gigant w zakresie sprzętu laboratoryjnego i materiałów eksploatacyjnych Sigma-Aldrich, część Merck KGaA (MRK.DE).

Obecnie żadna ze spółek zajmujących się komercyjnym wykorzystaniem gorącej syntezy jądrowej nie jest notowana na giełdzie. To zawiera helion, Ogólna fuzja, Fuzja Wspólnoty Narodów, Technologie herbaty, ZAP Energiai NEO Fusion.

Możesz znaleźć obszerna lista start-upów w przestrzeni syntezy jądrowej na dedykowanej stronie Dealroom.

Godnym uwagi wyjątkiem wśród dominujących w tej dziedzinie start-upów notowanych na giełdzie są spółki notowane na giełdzie Lockheed Martin Corporation, giganta przemysłu obronnego.

1. Lockheed Martin Corporation

Od początku 2010 roku Lockheed pracował nad tym rozwiązaniem Kompaktowa fuzja, reaktor termojądrowy, który miał być gotowy w latach dwudziestych XXI wieku. Jednak już ogłoszono, że prace nad projektem zostały wstrzymane w 2020 roku.

Po bardzo entuzjastycznym wstępnym ogłoszeniu firma zachowała się bardzo dyskretnie w sprawie tego projektu. Do dziś nie jest jasne, co mogło skłonić firmę do porzucenia tego pomysłu.

Jednocześnie wydaje się, że nie zrezygnował całkowicie z koncepcji, w szczególności dzięki inwestycjom w 2024 r. w Helicity – startup opracowujący silnik termojądrowy.

Pomysł polegałby na napędzaniu statku kosmicznego krótkimi impulsami termojądrowymi. Helicity planuje użyć pistoletu plazmowego, w ten sam sposób, jaki zastosował General Fusion.

Potencjalnie wewnętrzne wyniki Lockheeda wykazały, że ich konstrukcja nie byłaby w stanie utrzymać syntezy jądrowej w sposób zgodny z produkcją energii.

Ale może jednocześnie wystarczą krótkie serie, aby zaistnieć potrzeba napędu w kosmosie i znacznie bliżej stania się rzeczywistym produktem. Byłoby to również lepiej dopasowane do ogólnego profilu firmy skupionego na lotnictwie i obronności.

2. Ogólna fuzja

General to jeden ze start-upów, który stoi na czele inicjatywy polegającej na uczynieniu syntezy jądrowej przedsięwzięciem sektora prywatnego, a nie projektem fizycznym finansowanym ze środków publicznych.

Firma powstała już w 2002 roku w celu opracowania technologii Magnetized Target Fusion (MTF).

Firma oczekuje, że MTF będzie krótszą drogą do dodatniej energii termojądrowej i będzie znacznie tańsza. General Fusion jako pierwszy na świecie zbudował i uruchomił w 2010 roku kompaktowy toroidalny wtryskiwacz plazmowy na skalę elektrowni od tego czasu osiągnął znacznie więcej kamieni milowych.

Źródło: General Fusion

Celem firmy jest osiągnięcie syntezy jądrowej o temperaturze 100 milionów stopni Celsjusza w 2025 r. i osiągnięcie progu rentowności energetycznej (dodatni zwrot z syntezy jądrowej) w 2026 r. Wcześniej 1/5^th Makieta została wykonana w 2023 roku, a jej wykonanie odpowiadało oczekiwaniom stawianym modelom komputerowym.

Ogólnie rzecz biorąc, firma General Fusion spędziła 2 dekady, tworząc krok po kroku każdą z podstawowych technologii swojego ostatecznego projektu, testując każdą po drodze i pomyślnie weryfikując pomysł, przynajmniej na razie.

Źródło: Ogólna fuzja

Jako firma prywatna nie musiała omawiać ani negocjować żadnych zmian projektowych, w przeciwieństwie do projektów międzynarodowych, takich jak ITER. Mógłby także wybrać technologię według własnego uznania, bez konieczności decydowania, czy konkretny kraj powinien otrzymać zamówienie, niezależnie od powodów politycznych.

Właśnie dlatego wielu oczekuje, że General Fusion i kilku jego konkurentów poradzi sobie z tym, czego duże projekty rządowe mogą nie zrobić.

3. Technologie TAE

Ta kalifornijska firma, znana wcześniej jako Tri Alpha Energy, koncentruje się na rozwoju technologii energii termojądrowej. TAE Technologies modernizuje obecnie swoją platformę termojądrową Norman do maszyny szóstej generacji o nazwie Copernicus.

Źródło: APR

Technologia TAE opiera się na akceleratorach cząstek, które wtryskują energię do plazmy i „działają jako środek zagęszczający, dzięki czemu jest ona łatwiejsza w zarządzaniu”.

Firma szeroko wykorzystuje druk 3D przy tworzeniu Copernicusa, co pozwala na szybkie tworzenie nowych części i szybsze rozwiązywanie problemów. Udało mu się na przykład wydrukować niektóre elementy reaktora przy wadze o połowę mniejszej niż w przypadku konwencjonalnej produkcji.

Źródło: APR

Jeśli wszystko pójdzie gładko, firma spodziewa się zbudować pierwszą prototypową elektrownię, która będzie mogła zostać podłączona do sieci na początku lat 2030. XXI wieku, a którą można będzie rozbudować w celu zapewnienia „solidnej i niezawodnej” energii komercyjnej przez całą dekadę.

Według jej dyrektora generalnego Michela Binderbauera Fusion wprowadziłoby nas w „paradygmat obfitości”.

Przez ostatnie 25 lat firma działała w oparciu o model „pieniędzy według kamieni milowych”, w którym każda runda finansowania jest pozyskiwana od inwestorów wyłącznie w oparciu o realizację obiecanych im kamieni milowych.

W 2022 roku Google i Chevron zainwestowały w TAE Technologies w ramach pozyskania przez firmę finansowania o wartości 250 milionów dolarów. Google współpracuje z TAE już od dziesięciu lat i zapewnia firmie sztuczną inteligencję oraz moc obliczeniową.

Firma oferuje również usługi związane z naukami o życiu (Terapia wychwytem neutronów boru -BNCT) i rozwiązań energetycznych, takich jak baterie i elektromobilność.

4. helion

Celem Helionu jest stworzenie fuzji z deuterem i helem-3, zamiast bardziej powszechnego podejścia polegającego na skupieniu się na fuzji z trytem.

Zwykle hel-3 jest bardzo trudny do znalezienia. Helion ma jednak metodę wytwarzania go z deuteru we własnym reaktorze. W przeciwnym razie prawdopodobnie potrzebne byłyby niesprawdzone alternatywy, takie jak wydobycie na Księżycu.

Podobnie jak większość prywatnych przedsięwzięć w dziedzinie syntezy jądrowej, Helion wykorzystuje technologię wtrysku plazmy.

Inną unikalną cechą Helionu jest ukierunkowanie na bezpośrednie wychwytywanie energii elektrycznej z plazmy przy użyciu prawa Faradaya do indukowania prądu, bezpośrednio pomijając cykl ogrzewania parą powszechny w elektrowniach jądrowych.

To posunięcie jest dość odważne, ale mogłoby również zwiększyć wydajność przyszłych elektrowni 2-3-krotnie, ponieważ konwersja ciepła na parę wodną na energię elektryczną odbywa się zwykle z bardzo niską sprawnością. Jest to również procedura bardzo wymagająca nakładów inwestycyjnych.

Przewiduje się, że elektrownia termojądrowa Helion będzie charakteryzowała się znikomymi kosztami paliwa, niskimi kosztami operacyjnymi, długim czasem pracy i konkurencyjnymi kosztami kapitałowymi. Nasze maszyny wymagają znacznie niższych kosztów wyposażenia kapitałowego, ponieważ możemy przeprowadzić syntezę termojądrową tak wydajnie i nie potrzebujemy dużych turbin parowych, wież chłodniczych ani innych kosztownych wymagań tradycyjnych podejść do syntezy jądrowej.

Obecnie Helion działa trzydzieści, jest 6^th reaktor generacji, który osiągnął ponad 10,000 100 impulsów i temperaturę XNUMX milionów stopni Celsjusza.

Źródło: helion

Obecnie przenosi się do Polaris, jej następny model miał wytwarzać impulsy magnetyczne 100 razy szybsze niż Trenta, co oznaczałoby, że byłaby to pierwsza synteza jądrowa generująca zysk netto w postaci energii elektrycznej.

Warto zauważyć, że Polaris miałby 19 m długości, co nie byłoby gigantyczną instalacją w porównaniu z innymi, bardziej klasycznymi konstrukcjami reaktorów termojądrowych.