Największa wpadka fizyki XX wieku, czyli zimna fuzja jądrowa

23 marca 1989 roku dwaj fizycy, Stanley Pons z University of Utah i Martin Fleischmann z University of Southampton, jedni z najznakomitszych elektrochemików na świecie, ogłosili, że odkryli zimną fuzję. Tak nazwano zjawisko, w którym dwa atomowe jądra łączą się ze sobą w temperaturze pokojowej lub niewiele wyższej. Była to nie lada sensacja.

Od dekad wiadomo było, że fuzja dwóch dowolnych jąder atomowych zachodzi, dopiero gdy jądra mają na tyle dużą energię, by pokonać odpychanie protonów między jądrami. Obliczenia i eksperymenty wskazywały, że do tego trzeba naprawdę olbrzymich ilości energii. Jądra mogą ulegać fuzji dopiero w temperaturze rzędu milionów stopni lub gdy są rozpędzane do olbrzymich prędkości i zderzane.

Każda metoda, która doprowadziłaby do fuzji w znacznie niższych temperaturach (i nie za pomocą zderzeń jąder przyspieszanych w specjalnych akceleratorach), byłaby by przełomem. Dałaby ludzkości praktycznie niewyczerpane źródło energii na miliony lat.

Gdy dwa jądra się łączą, uwalnia się bowiem energia. Jest jej o kilka razy więcej (w przeliczeniu na jednostkę masy) niż w przypadku rozpadu promieniotwórczego jąder atomowych. I miliony razy więcej niż w przypadku innych reakcji chemicznych, na przykład spalania paliw.

To fuzja jądrowa jest źródłem energii gwiazd (i wybuchów termojądrowych). W gwiazdach jądra wodoru (czyli protony) zderzają się, tworząc hel. Ze zderzeń jąder helu powstają zaś inne, cięższe pierwiastki, od węgla, przez tlen, azot, po żelazo. W gwiazdach jednak panują ekstremalne ciśnienie i temperatury.

Fleischmann i Pons odkryli nieoczekiwane zjawisko, gdy prowadzili elektrolizę ciężkiej wody z użyciem porowatej elektrody palladowej. Z ich odczytów wynikało, że w eksperymencie pojawiła się nadwyżka energii oraz ślady cząstek świadczących o tym, że zachodzi fuzja atomowych jąder. Sensacją było to, że efekt zaobserwowali w temperaturze niemal pokojowej i bez wysokiego ciśnienia.

Pracę opisującą odkrycie Fleischmann i Pons wysłali do renomowanego czasopisma “Nature". Została pozytywnie oceniona przez recenzentów naukowych, ale nie została przyjęta do publikacji. Powodem było właśnie to, że inne podobne eksperymenty nigdy takich wyników nie przyniosły. Oraz to, że odkrycie zaprzeczało wyliczeniom, że fuzja może zachodzić tylko w ekstremalnych warunkach.

Pracę przyjęło do publikacji jednak inne czasopismo, “Fusion Technology". “Zimna fuzja" stała się medialną sensacją. Podobne wyniki zaczęły napływać z kilku innych laboratoriów.

Z czasem jednak okazało się, że to pomyłka. Im bardziej sprawdzano przyczyny nadmiaru energii w takich eksperymentach, tym bardziej okazywało się, że żadnego nadmiaru nie ma. Efekt rozpłynął się niczym fatamorgana. Już w ostatnich dniach kwietnia tego samego, 1989 roku, “New York Times" uznał zimną fuzję za “martwą".

Do dziś część badaczy twierdzi, że Fleischmann i Pons przypadkiem wpadli na trop nowego zjawiska fizycznego. Jednak nikt potem nie potrafił odtworzyć dokładnych warunków, w jakich przeprowadzono ich eksperyment. A to w nauce rzecz kluczowa.

Dlaczego to tak istotne? Bo wynik pojedynczego eksperymentu naukowego może być zwykłym przypadkiem. Żeby wykluczyć, że wynik eksperymentu jest dziełem przypadku, trzeba go powtórzyć. Najlepiej wiele razy. Dopiero to daje pewność, że doszło do prawdziwego odkrycia.

Dlatego też tak ważne jest, żeby w naukowej pracy znalazł się też jak najdokładniejszy opis, jak eksperyment przeprowadzono. To pozwala innym naukowcom przeprowadzić identyczne eksperymenty i potwierdzić obserwowany za pierwszym razem efekt - albo stwierdzić, że wynik pierwszego był dziełem przypadku lub błędu.

Fleischman i Pons jednak o to nie zadbali. Ich praca nie zawierała na tyle dokładnego opisu, by móc ich eksperyment dokładnie powtórzyć.

Podobnie rzecz miała się później z rzekomą szkodliwością szczepionek (wskazywało na to jedno badanie, późniejsze niczego takiego nie wykazały) czy ze szkodliwością GMO (badania te prowadzone były w sposób nierzetelny, na przykład na starych szczurach rasy szczególnie podatnej na nowotwory).

Nadwyżka energii z rzekomej "zimnej fuzji" mogła być na przykład wynikiem efektu Mössbauera, który zachodzi, gdy wzbudzone atomy w krystalicznej sieci oddają nadwyżkę energii. Zjawisko to znane jest fizykom od 1958 roku.

Możliwe też, że chemicy zaobserwowali dość rzadką reakcję jądrową. Niektóre pierwiastki (w tym platyna, którą wykorzystywali) posiadają odmiany o "wzbudzonych" jądrach (tak zwane metastabilne izomery jądrowe). Po pewnym czasie zamieniają się w zwykłe jądra, oddając przy tym energię.

Dwaj elektrochemicy nie musieli jednak znać się na szczegółach fizyki jądrowej. Najpewniej sądzili, że naprawdę dokonali przełomowego odkrycia. Może rzeczywiście w ich eksperymencie zaszło jakieś nieznane dziś zjawisko. Do dziś nie wiadomo, skąd pochodziła nadwyżka energii w oryginalnym eksperymencie z 1989 roku.

"Zimna fuzja" stała się w nauce synonimem naukowej wpadki lub mistyfikacji. Jednak badania nad osiągnięciem tego samego celu toczą się do dziś, ale pod zupełnie innymi nazwami.

Jeśli spotkacie kiedyś określenie “reakcje jądrowe o niskiej energii", “chemicznie wspomagane reakcje jądrowe", “reakcje jądrowe w sieci krystalicznej" albo “zjawiska jądrowe w materii skondensowanej", to chodzi właśnie o zimną fuzję.

W styczniu 2011 roku dwóch fizyków z Uniwersytetu Bolońskiego zaprezentowało reaktor LENR ("reaktor jądrowy o niskiej energii"). Według nich działa poprzez reakcję fuzji atomów niklu i wodoru w obecności katalizatora. Po ich ogrzaniu powstają atomy miedzi. Z dostarczanej mocy 1 kW reaktor miał rzekomo dostarczać aż 12 kW energii cieplnej.

Twórcy tego reaktora - podobnie jak Fleischman i Pons - zostali skrytykowani za luki w opisie swojego eksperymentu. Mimo to w kwietniu 2011 roku. włoski urząd patentowy przyznał jednemu z fizyków patent na "katalizator energii".

Było to dwanaście lat temu i “katalizatory energii" zamieniające nikiel i wodór w miedź jakoś na świecie się nie pojawiły. A powinny, bo przecież tania energia to marzenie całego świata. I to chyba najlepszy dowód na to, że najwyraźniej zimnej fuzji jednak wcale nie ma.