Kaldur samruni gæti breytt Íslandi

„Hinn ofurþétti vetnisfasi Leifs Holmild er þá orðinn líklegasta ferlið sem hefur valdið hinum dularfullu niðurstöðum um kaldan samruna síðustu 25 árin,“ segir Sveinn Ólafsson, vísindamaður við HÍ, um uppgötvun hans og sænsks efnafræðings. Sveinn segir aðferðina gætu umbylt orkuvinnslu á Íslandi.

Sveinn segir rúman aldarfjórðung liðinn síðan greint var frá fyrstu niðurstöðunum varðandi kaldan samruna. Síðan hafi mikið vatn runnið til sjávar.

Frétt mbl.is: Yrði endalaus orka

„Fyrir 26 árum, nánar tiltekið 23. mars 1989, tilkynnti Utah-háskólinn í Bandaríkjunum á frægum blaðamannafundi, að tekist hefði að framkvæma kaldan samruna við venjulegar herbergisaðstæður og fá fram kjarnasamruna tveggja vetnisatóma og myndun helíns. Rafefnafræðingarnir Stanley Ponz og Martin Fleichmann stóðu að baki þessari vinnu en þeir voru báðir virtir vísindamenn á sínu sviði.

Þetta varð heimsfrétt sem varð þess valdandi að hafnar voru tilraunir til að staðfesta niðurstöður þeirra Fleischmann og Ponz. Eftir stuttan tíma, eða innan mánaðar, fóru niðurstöður að berast og voru flestar neikvæðar og til að gera langa og dramtíska sögu stutta yfirgaf vísindaheimurinn þá félaga innan árs og má segja að rannsóknasviðið hafi lent í vísindalegu einelti sem birtist einkum í þögn og fálæti,“ segir Sveinn og tekur dæmi.

Var neitað um birtingu greinarinnar

„Ritstjórar virtra vísindarita fylgdu hóphugsuninni og neituðu greinum birtingu. Nóbelsverðlaunahafanum Julian Schwinger var til dæmis neituð birting á kennilegri grein sem olli því að hann sagði sig úr Bandaríska eðlisfræðifélaginu. Frasar á ensku eins og pathological science (vísindi þar sem falskar niðurstöður ráða för) festust fljótt við rannsóknarsviðið og í harðri baráttu um rannsóknarfé var ekki vænlegt að nefna cold fusion, eða kaldan samruna, í umsóknum, eða þá fyrir ungt vísindafólk að hætta sér á þessa braut. Fjármagn til rannsókna hvarf á þessu sviði,“ segir Sveinn.

Hvað er þá samrunaorka og af hverju er kaldur samruni talinn vera svona óhugsandi?

„Í hnotskurn má segja að venjuleg heit samrunaorka sé undirstaða orku og lífs á jörðinni. Samrunaorka á sér stað í innsta kjarna sólarinnar, orkulosunin hitar hana upp og breytir henni í þann hitalampa sem við þekkjum á himni.

Í sólinni eiga sér stað nokkrar gerðir af mjög hægum en líka hröðum samrunahvörfum sem þurfa háa hreyfiorku og þéttni til að hvörfin viðhaldist. Í kjarna sólarinnar er þyngdarkrafturinn og hitastig það hátt að þéttnin er á við 160-falda þéttni vatns og er hitastigið um 16 milljón gráður. Þetta mikla hitastig – og þar með hreyfiorka vetniskjarna í sólinni – gerir þeim kleift að yfirvinna fráhrindikrafta milli tveggja vetniskjarna sem verða til vegna þess að þeir eru báðir jákvætt hlaðnir. Samruni tveggja vetniskjarna verður hins vegar fyrst þegar fjarlægð milli agnanna fer að nálgast einn þúsundasta af fjarlægð tveggja atóma í venjulegri vetnisameind H₂.“

Nálgast 50.000 rafeindavolt

Sveinn heldur áfram að útskýra samrunaferlið.

„Við þessa fjarlægð er svonefnd fráhrindirafstöðuorka eindanna að nálgast 50.000 rafeindavolt en við þessa fjarlægð byrjar þriðji frumkraftur eðlisfræðinnar, sterki krafturinn, eða kjarnakrafturinn, að verða virkur. Eins og nafnið gefur til kynna þá yfirvinnur þessi kraftur fráhrindandi rafkraftinn og kjarnarnir sameinast. Við samruna tveggja vetniskjarna verður engin orkulosun og kjarnarnir falla í sundur aftur nema hvað það kemur örsjaldan fyrir að fjórði kraftur eðlisfræðinnar, veiki krafturinn, nær að breyta vetniskjarna (róteind) í óhlaðna nifteind og fiseind.

Við þá umbreytingu verður orkulosun og samruni einnar róteindar og einnar nifteindar í einn sameiginlegan kjarna sem gengur undir nafninu tvívetni. Tvívetnið verður þá aðal samruna- og brennsluefni sólarinnar, enda er samruni þess við annað tvívetni og myndun helínkjarna mun líklegri en umbreyting vetnis í tvívetni. Fyrsta skrefið er hinsvegar hægasta ferlið og ákveður grunnbrunahraða sólarinnar. Gróft á litið má því segja að fjórir vetniskjarnar myndi einn helínkjarna í nokkrum hvarfaskrefum,“ segir Sveinn.

Stærð sólarinnar skiptir máli

 „Þrátt fyrir þessa yfirþyrmandi aðstæður framleiðir innsti kjarni sólar minni orku en sambærilegt rúmmál líkama okkar brennir til að viðhalda starfsemi sinni. Það er hin gríðarleg stærð sólar og hæg orkuútgeislun sem veldur því að hún hitnar og verður að þessum sóllampa sem við þekkjum. Þessi hæga orkuframleiðsla sólarinnar  veldur því hinsvegar að hún geislar orku sinni og mun baða jörðina í geislum sínum næstu milljarða ára,“ segir Sveinn.

Hvert er þá orkuinnihald samrunaorkunnar í til dæmis einu glasi af vatni?

 „Gróflega má margfalda með milljón og segja að lítri af vatni sé á við milljón lítra að bensíni. Lindarvatnið er því ansi magnað af orku ef hægt væri að finna leið til að nýta hana.“

Sveinn segir að síðustu áratugi hafi farið fram miklar rannsóknir til að líkja eftir starfsemi sólarinnar í tilraunaklefum, með því að hita vetnis- og tvívetnisgas upp í hitastig sem líkist sólinni. „ITER er sameiginlegt rannsóknarverkefni sem miðar að því að geta með samruna brennt þrívetni og tvívetni á stórum skala um miðjan næsta áratug. Þetta er gífurlega erfitt verkefni og mun erfiðara en ella þar sem hitastig í ITER-samrunaofninum þarf að vera mun hærra en í sólinni til að orkuframleiðslan verði nógu hröð. Því er ITER í raun að líkja eftir samruna sem á sér stað eftir að sprengistjarna hefur sprungið. Einn af kostum heits kjarnasamruna er talinn vera minni geislavirkni en verður til í venjulegum kjarnakljúfum eins og í Chernobyl og Fukushima," segir Sveinn um kjarnorkuverin í Úkraínu og Japan.

Aðrir hópar staðfestu niðurstöðurnar

Af hverju er kaldur samruni aftur kominn á tilraunaborðið sem rannsóknarefni?

„Staðreyndin er sú að þegar árið 1989 náðu aðrir rannsóknarhópar að endurtaka og staðfesta tilraun Fleishman og Ponz en þeir voru þó ekki margir. Segja má að þegar árið 1992 hafi endanlega verið búið að staðfesta að Fleishman og Ponz höfðu haft rétt fyrir sér varðandi umframorku. Tilraunirnar gáfu stundum í stuttan tíma merki um umframorku sem var of mikil til að hún gæti verið vegna venjulegra efnafræðihvarfa. Þetta var þó ákaflega erfitt að endurtaka; 5-10% tilrauna gáfu jákvæð svör um umframorku. En einn stór vandi var á höndum; aðeins sáust smávægileg ummerki um geislavirkni í tilraununum. Geislavirknin var alltof lítil miðað við það sem vænta mátti frá samrunakjarnahvörfum. Hér er komið helsta vandamál kalds samruna. Það er ekki til nein fræðileg útskýring á fyrirbærinu!“ 

Sveinn segir vísindamenn sem trúa á aðferðina hafa orðið að jaðarhópi.

„Þeir vísindamenn sem staðfestu tilraunina frá 1989 urðu að einangruðum hópi vísindamanna sem hittust á sameiginlegum ráðstefnum um kaldan samruna (ICCF) og var sú 19. haldin í maí síðastliðnum í Padua á Ítalíu. Hópurinn samanstóð mest af eldri vísindamönnum sem gerðu þessar rannsóknir samhliða öðrum viðurkenndari rannsóknum á rannsóknastofum sínum. Jafnframt voru rannsóknir oft fjármagnaðar af einkaframtakinu einu saman.“

Vöktu ekki mikla athygli í vísindaheiminum

Sveinn segir langan aðdraganda að samstarfi hans og sænska efnafræðingsins Leif Holmilds.

 „Árið 2008 birti Leif Holmlid, prófessor við Gautaborgar-háskóla í Svíþjóð, fyrstu grein sína um tilvist ofurþétt vetnisfasa. Geislun á þennan vetnisfasa með orkulitlum „púlsuðum“ leysigeisla sýndi fram á tilvist samruna. Leif hefur síðan birt fjölda greina um eðli og hegðun þessa ofurþétta vetnisfasa. Niðurstöður hans vöktu ekki mikla athygli í vísindaheiminum og þóttu of ótrúlegar og enginn hefur reynt að staðfesta eða rengja niðurstöður hans. 

Það var svo í lok árs 2013 að ég hafði samband við hann vegna hugsanlegra tengsla þessara mælinga við fyrirbærið kaldan samruna. 

Ég spurði Holmild hvort hann hefði reynt að fá fram kaldan samruna með þessum tiltekna vetnisfasa. Svarið var fyrst nei. Ég reiknaði þá dæmið og fann út að þetta gæti gengið upp. Í kjölfarið hófst samstarf okkar,“ segir Sveinn og útskýrir málið nánar.

„Holmild hefur notað þennan tiltekna hvata í tilraunum með vetni til fjölda ára. Þessi hvati myndar tiltekinn fasa af vetni. Þessi fasi umbreytist síðan í ofurþétt vetni, en það þýðir að mjög lítil fjarlægð er milli sameinda. Þegar fjarlægðin er orðin svona lítil eru líkindin á samruna vetnis í helín orðin miklu meiri.“

Líklegasta ferlið að baki hinum dularfullu niðurstöðum

Til upprifjunar er vetnið fyrsta frumefnið í lotukerfinu og er helín, frumefni númer 2 í lotukerfinu, gert úr tvívetniskjörnum.

„Fyrsta greinin í samstarfinu birtist 14. júli í International journal of Hydrogen Energy og sýnir greinin fram á að ofurþétti vetnisfasinn er að senda orkuríkar eindir frá sér án þess að leysigeislinn sé notaður til að hefja ferlið. Hinn ofurþétti vetnisfasi Leifs er þá orðinn líklegasta ferlið sem hefur valdið hinum dularfullu niðurstöðum um kaldan samruna síðustu 25 árin,“ segir Sveinn sem telur þessar niðurstöður geta rutt brautina fyrir aðra vísindamenn.

Nýframkvæmdir við jarðvarmavirkjanir gætu lagst af

Hann segir kaldan samruna gætu haft víðtæk áhrif fyrir heimsbyggðina.

„Kaldur samruni mun stórminnka þörf á jarðeldsneyti og þar með draga úr kolefnislosun vegna bruna eldsneytis. Fyrsta samfélagsbreyting kalds samruna verður landfræðileg. Það verður hægt að afla orku hvar sem er. Köld, heit, blaut, eða há landsvæði verða byggileg og munu því hugsanleg draga úr aðdráttarafli þéttra borgarsamfélaga.

Ísland mun njóta góðs af köldum samruna á sama hátt og önnur lönd. Sérstaða landsins mun breytast hvað varðar að landið mun ekki verða eftirsótt vegna ódýrrar orku fyrir stóriðju. Líklega munu núverandi fjárfestingar og mannvirki á sviði raforku halda samkeppnishæfni svo lengi sem eigendur hafa áhuga á að nýta orkuna næstu áratugina en nýframkvæmdir á sviði jarðhita og vatnsorku munu líklega leggjast af.  

Jarðhitaþekking gæti að hluta orðið óþörf, en áframhaldandi þörf yrði fyrir þekkingu á sviði gufuframleiðslu, túrbínuhverflum, kæliturnum og raforkuframleiðslu. Orkufyrirtæki landsins munu þurfa að fylgjast grannt með þessu rannsóknarsviði strax á þessu ári til að fara ekki í nýjar fjárfestingar sem gætu verið yfirgefnar eða hætt við innan einhvers árafjölda,“ segir Sveinn Ólafsson vísindamaður.