Ursprunglig fråga:
Hej! Jag undrar vad du tror om den senaste rapporten om kall fusion? Vad är nytt jämfört med det som kom upp 1989?
/Arne S

Svar:
Det finns både likheter och skillnader. Likheten är att man presenterar nyheten på en presskonferens och förbigår den normala proceduren att publicera en fullständig rapport i en refereegranskad tidskrift. Den största skillnaden är att man föreslår en helt annan typ av fusion än vätefusion, nämligen fusion mellan väte och nickel. Mer om detta nedan.

Två italienska forskare, Focardi och Rossi, har den 14 januari 2011 demonstrerat en apparat som under en timme levererat en effekt på 12 kW med en input-effekt på 400 W. Hur apparaten är konstruerad säger man inte (av patentskäl), men den innehåller nickel och väte. Se NyTekniks artikel (länk 1) och nedanstående bild på apparaten (från länk 2).

Om funktionen hos apparaten verkligen är vad man hävdar är detta utan tvekan den största uppfinning som mänskligheten någonsin åstadkommit -- den skulle utgöra en i praktiken outsinlig källa till energi. Problemet är att det är ganska säkert inte sant eftersom det skulle kräva en fundamental ändring i fysikens lagar som vi uppfattar dem i dag. Detta är mycket likt Randell Mills idéer (fråga 14237 ) om ett nytt grundtillstånd i väte som kan utnyttjas som energikälla.

Uppgifter om data för demonstrationen är ganska vaga, men vi använder följande som approximationer för nedanstående överslagsberäkningar:

Tid för fortfarighetstillstånd i demonstrationen: 1 timme
Nettoeffekt (P_ut-P_in): 10 kW
Mängd väte förbrukat: 1 g
Flöde av vatten: 4.9 g/s

Vi antar dessutom i fortsättningen att sedan många decennier etablerade lagar i kärnfysiken gäller.

Artikeln av och Focardi och Rossi

Uppfinningen kallas energikatalysator (Energy Catalyser Boiler), men kunde även kallats evighetsmaskin. Det senare namnet kunde emellertid ställa till problem vid patentansökan .

Artikeln (länk 2) har refuserats i flera tidskrifter. I stället har författarna skapat en ny (webb)tidskrift kallad Journal of Nuclear Physics där ett antal märkliga artiklar publicerats.

Artikeln har flera av de i fråga 14237 listade kriterierna på pseudovetenskap. Mycket i artikeln är korrekta men triviala textboksfakta som t.ex. inledningen om bindningsenergi för atomkärnor och diskussionen om kvantmekanisk tunnling mot slutet.

Det som brister är emellertid beskrivning av apparaten. Det som i normala artiklar kallas experimentella procedurer saknas helt. Detta är helt i strid med det vetenskapliga arbetssättet (fråga 14237 ): alla experimentella resultat skall kunna reproduceras. Vem som helst skall alltså kunna upprepa experimentet och få samma resultat, men detta kan man ju inte göra utan en detaljerad beskrivning.

I diskussionen mot slutet i artikeln förklaras barriärpenetreringen med någon effekt att elektron och proton kommer mycket nära varandra. Elektronen skulle då skärma protonens laddning och protonen skulle därmed inte utsättas för en repulsiv coulombbarriär. Det skulle kanske kunna bli en ny film: Honey, I Shrunk the Hydrogen Atom (jämför Honey,_I_Shrunk_the_Kids ), men någon ny energikälla är det knappast.

Det finns andra märkligheter i artikeln där författarna visar att deras kunskaper i kärnfysik är mycket begränsade. I stället för att i detalj dissikera artikeln och utvärderingsrapporten (som också finns under länk 2) gör vi några enkla beräkningar.

Kemisk energi från väte

Energipotentialen från väte (den energi man maximalt kan få ut av en massenhet väte genom kemiska reaktioner) är enligt figuren i fråga 17516 drygt 140 MJ/kg. Från ett gram väte kan man alltså få ut 140 kJ. Om vi dividerar detta med den utvecklade medeleffekten får vi

(140 kJ)/(10 kJ/s) = 14 sekunder.

1 g väte skulle alltså räcka i 14 sekunder - långt från en timme som demonstrationen varade. Kemiska reaktioner med väte kan alltså inte förklara energiutvecklingen.

Strålning från fusion

Den mest förekommande nickelisotopen är ⁵⁸Ni. Den dominerande fusionsreaktionen bör då vara:

¹H + ⁵⁸Ni -> ⁵⁹Cu

Denna reaktion har Q-värdet 3.4 MeV. Det betyder att den exciterade ⁵⁹Cu kärnan måste på något sätt göra sig av med 3.4 MeV för att hamna i sitt grundtillstånd. Det enda kända processen för detta är genom gammasönderfall. ⁵⁹Cu är radioaktiv och sönderfaller med halveringstiden 80 s med b⁺-sönderfall:

⁵⁹Cu -> ⁵⁹Ni + e⁺ + v

Q-värdet för sönderfallet är 4.8 MeV. Totala utvecklade energin per reaktion är då 3.4+4.8=8.2 MeV. Detta värde är helt i linje med den maximala bindningsenergin per nukleon i figuren i fråga 1433 på drygt 8 MeV.

⁵⁹Ni är mycket långlivat så vi kan bortse från det sönderfallet. Vi bortser även att en del energi försvinner ut ur systemet i form av neutriner.

Antal fusionsreaktioner som krävs per sekund för att generera 10 kW:

(10*10³ [J/s])/(8.2 MeV * 1.6*10^-13 [J/MeV]) = 0.8*10¹⁶ /s

För varje fusion med ⁵⁸Ni får vi även ett sönderfall av ⁵⁹Cu. Vi har alltså minst 2*0.8*10¹⁶=1.6*10¹⁶ gammasönderfall/s.

Aktiviteten blir 1.6*10¹⁶/(3.7*10¹⁰)=4.3*10⁵ Ci.

Detta är en enorm aktivitet. I Curie sägs att

A radiotherapy machine may have roughly 1000 Ci of a radioisotope such as cesium-137 or cobalt-60. This quantity of nuclear material can produce serious health effects with only a few minutes of exposure.

Den visade apparaten är alldeles för liten för att innehålla tillräckligt med strålskydd. Alla närvarande borde alltså ha fått en dödlig stråldos. Man har dessutom mätt med strålningsdetektorer och konstaterat att strålnivån inte överstiger bakgrundsnivån.

Ett annat problem är att om en stor andel av gammastrålningen slipper ut, så blir det för liten effekt för att skapa apparatens påstådda positiva nettoeffekt.

Strålskydd/infångande av energi

Om fusionen sker med etablerade lagar så kommer energin i huvudsak ut i form av gamma-strålning. Låt oss se hur mycket strålskydd man behöver för att fånga in så mycket strålning att det inte är farligt att gå nära apparaten. Observera att man måste ändå stoppa det mesta av strålningen för att kunna ta tillvara energin.

Halveringstjockleken för bly för gammastrålning med energin 2-4 MeV är c:a 20 g/cm². Med blys densitet 11 g/cm³ blir halveringstjockleken i cm

20 g/cm²/(11 g/cm³) = 2 cm

Med aktiviteten ovan på 4*10⁵ Ci och en rimlig säker nivå på 1 mCi (som en vanligt lab-preparat) får vi en absorptionsfaktor på

1*10^-6/(4*10⁵) = 2.5*10^-12

Vi antar vi behöver x halveringstjocklekar:

2^-x = 2.5*10^-12

(-x)*log10(2) = log10(2.5) -12

(-x)*0.30 = 0.40 -12 = -11.6

x = 11.6/0.3 = 39

Vi behöver alltså ett blyskydd på 39*2 = c:a 80 cm för att få ett säkert strålskydd! Detta hade man uppenbarligen inte vid demonstrationen!

Energi från fusion

Antag att vi har 0.8*10¹⁶ fusionsreaktioner per sekund (se ovan). 1 g väte är 1 mol väte. 1 g väte innehåller 6.022*10²³ väteatomer. Konstanten är Avogrados tal. 1 g väte räcker då i

6*10²³/(0.8*10¹⁶) = 7.5*10⁷ s = 21000 timmar. Energipotentialen i 1 g väte vid fusion är alltså mer än tillräcklig.

Demonstrationen av nettoeffekten på 10 kW

Apparaten värmer vatten från 13^oC till 100^oC (DT=87 K). Enligt fråga 14203 är vattens specifika vämekapacitet 4.18 J/gK. Sedan förångas vattnet (kräver 2260 J/g). Med vattenflödet 4.9 g/s får vi den utvecklade effekten

(4.9 [g/s])*(4.18 [J/(g*K)]*87 K + 2260 [J/g]) = (1.8+11.1)*10³ = 12.9 kW

vilket är nära den påstådda effektutvecklingen.

Sammanfattning och slutsats

Om den uppvisade apparaten skulle fungera krävs en fullständig revision av våra kunskaper om atomkärnor. Artikeln är dessutom av pinsamt låg kvalité med många tecken på pseudovetenskap. Att artikeln refuserats i flera tidskrifter visar bara att refereesystemet fungerar bra.

Det finns tre alternativ för den s.k. energikatalysatorn:

1. Den fungerar som beskrivet och uppfinnarna blir rika som troll (osannolikt)
2. Man har gjort ett oavsiktligt misstag (knappast, eftersom den påstådda effekten är mycket stor)
3. Det är ett medvetet bedrägeri för att lura till sig riskkapital (troligaste; detta är numera tyvärr ganska vanligt)

Låt oss fundera på om den utvecklade effekten på 10 kW är rimligt. En normal spisplatta utvecklar c:a 1 kW. När den varit igång en stund är det lätt att känna värmen från plattan om man står inom c:a 1 meter. Effekten 10 kW (som ju måste ta vägen någonstans) borde vara märkbar för alla som var i rummet vid demonstrationen - det borde blivit varmt som i en bastu! Inget sägs emellertid om att det blev varmt i rummet.

Vart tog energin vägen då? Lagrades i apparaten? Nej, det finns inget material med så hög specifik värmekapacitet att det skulle vara möjligt. Försöket är alltså inte enbart tvivelaktigt vad gäller våra kunskaper i kärnfysik. Det verkar även som om apparaten strider mot fysikernas heligaste lag: lagen om energins bevarande.

Man skall inte avslöja trollkarlens trick, men jag har ett förslag till lösning av mysteriet. Det sägs ingenstans, och syns ingenstans i videor och på bilder vad man gör med ångan som genereras. Om denna kondenseras inne i apparaten och släpps ut som vatten återfås ångbildningsvärmet. Enligt ovan används huvuddelen av effekten till att förånga vattnet, så återvinning skulle göra att man kan få en effektbalans utan att blanda in fusion.

Det finns många saker som tyder på att energikatalysatorn inte kan fungera som man hävdar. För mig är de viktigaste problemen avsaknaden av tydlig netto-effektutveckling och avsaknaden av gammastrålning.

Energiutveckling:
Vart tog den utvecklade energin (i första hand i form av vattenånga) vägen under demonstrationen? Kan man verkligen vara säker på att allt kylvatten förångades? Den mesta energin upptas genom ångbildningsvärmet, så det är helt avgörande att visa att allt vatten i form av vattenånga tas ut ur systemet.

Kärnfysikproblem:
I artikeln (länk 1) sägs att det är frågan om fusion mellan nickel och väte till isotoper av koppar. Man hävdar även (utan någon beskrivning av metoden) att man detekterat ett från det naturliga förhållandet avvikande värde på isotopförhållandet för kopparisotoper.

Var och en med elementära kunskaper i kärnfysik kan se ett antal problem med Rossis demonstration och beskrivning.

1. I tabell 3 i Rossis artikel anges den totala utvecklade energin (Q-värdet) för vätefusion med ⁵⁸Ni till 41.79 MeV. Detta är totalt felaktigt, det korrekta värdet är 8.2 MeV. Det senare värdet är i god överenskommelse med bindningsenergin per nukleon i detta område, se figur 1 i artikeln.

2. Coulomb-barriären för en proton mot nickel är av storleksordningen 1 MeV. Transmissionen beräknad med etablerade kvantmekaniska metoder är nästan noll - ett faktum som även Rossi konstaterar i artikeln. Det är svårt att se hur den kemiska miljön skulle väsentligt kunna påverka kärnans Coulomb-barriär.

3. Även om man accepterar att barriärpenetrationen inte är något problem så är det svårt att se hur den resulterande kärnan överför sin överskottsenergi till omgivningen utan gammastrålning.

4. Det finns absolut inget skäl att den bildade radioaktiva ⁵⁹Cu-kärnan skulle sönderfalla på ett helt annorlunda sätt än vad som är väl etablerat. Man borde alltså detektera gammastrålning och annihilationsstrålning.

5. I fusionen med ⁵⁸Ni bildas en stor aktivitet av ⁵⁹Cu (av storleksordningen 10¹⁶ Bq, se ovan) som b⁺-sönderfaller till ⁵⁹Ni med en halveringstid på 82 sekunder. I artikeln sägs att "No radioactivity has been found also in the Nickel residual from the process". Med tanke på den mycket höga aktivitet som måste ha producerats när energikatalysatorn kördes är detta uttalande ytterst förvånande: det borde vara lätt att verifiera produktionen av ⁵⁹Cu genom att detektera gammastrålning.

Diskussion
För nästan exakt 100 år sedan (7 mars 1911) presenterade Rutherford sin modell av atomen med en mycket liten kärna (10^-15 m) som innehåller nästan hela atomens massa och elektroner som rör sig omkring kärnan inom ett område på c:a 10^-10 m. Sedan dess har ett stort antal experimentalister med sofistikerad utrustning och teoretiker med kraftfulla datorer studerat atomkärnans egenskaper. I dag måste man säga att vi förstår atomkärnan mycket väl. Det är svårt att tro att 100 års forskning om atomkärnan är så bristfällig som punkterna ovan indikerar.

Vad gäller tunnlingen skulle man kunna tänka sig att elektroner på något sätt skärmar barriären och släpper in protonen. Problemet med detta är att Heisenbergs obestämdhetsrelation förbjuder elektroner att vistas en längre tid i ett så litet område som atomkärnan. Denna förklaring skulle alltså på ett grundläggande sätt förändra kvantmekaniken som vi känner den.

En annan förklaring av tunnlingen som framförts (Widom-Larsen Theory Portal ) är att protonen växelverkar med en elektron och förvandlas till en neutron och en neutrino (neutronen är ju neutral och har inga problem att ta sig in i kärnan):

p + e^- -> n + v

Denna reaktion är fullt tillåten, men problemet är att den sker med den svaga växelverkan och har därmed en mycket liten sannolikhet. Om man vill använda ovanstående reaktion i förklaringen måste man väsentligt modifiera den väl etablerade teorin för den elektrosvaga växelverkan. Dessutom borde man vänta sig att en del av de bildade neutronerna "smiter ut". De skulle då reagera med omgivningen och ge upphov till lätt detekterbar gammastrålning.

I punkterna 3, 4 och 5 ovan är problemet att man i Rossis försök inte observerar någon gammastrålning. En förklaring som framförts är att gammastrålningen från kärnan på något (magiskt?) sätt förvandlas till värmestrålning. Detta är något som aldrig observerats och det står helt i strid med vad vi vet om elektromagnetisk strålning.

Bakgrundsmätning
Om man verkligen vill visa att energikatalysatorn fungerar borde man göra en blind bakgrundstest: Enligt Rossis artikel är vätet nödvändigt för att apparaten skall producera energi. Låt en oberoende person kontrollera väteflödet utan att konstuktörerna vet om flödet är på eller av. Kontrollera att energiproduktionen är fullständigt korrelerad med vätetillförsel.

Låt oss avsluta med ett citat från Carl Sagan: Extraordinary claims require extraordinary evidence.

Bra sammanfattning av Göran Ericsson, Uppsala universitet: Kall fusion i Italien
En uppdaterad diskussion av Peter Ekström: Kall fusion på italienska
Kjell Alekletts synpunkter och diskussionsforum (på engelska): Rossi energy catalyst – a big hoax or new physics? .

Nyckelord: kall fusion [8]; pseudovetenskap [11]; nyheter [11];

1 http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/energi/article3073394.ece
2 http://fragelada.fysik.org/resurser/Rossi-Focardi_paper.pdf