Saadaanko kylmäfuusiosta ilmainen energialähde?

Koejärjestely laboratoriovälineineen ja johtoineen olisi voinut olla mahdollinen melkein minkä tahansa lukion kemianluokassa. Kun heikko sähkövirta kytkettiin, syntyi lämpöä ja enemmän energiaa kuin oli syötetty.

Sähkökemian tutkijat Martin Fleischmann ja Stanley Pons tekivät kokeensa Yhdysvalloissa vuonna 1989. He päättelivät tuloksesta, että he olivat onnistuneet jäljittelemään Auringon fuusioreaktioita huoneenlämmössä.

Päätelmä oli jymyuutinen. Jos se piti paikkansa, sähköä voitaisiin tuottaa erittäin edullisesti. Hämmästys vaihtui kuitenkin pian pettymykseksi: toiset tutkijat eivät pystyneet toistamaan koetta niin, että tulos olisi todistanut kylmäfuusion mahdolliseksi. Vieläkään ei tiedetä tarkalleen, mitä tutkijaparin laboratoriossa tapahtui. Fleischmann ja Pons saattoivat kuitenkin olla oikeilla jäljillä.

Muun muassa Googlen tuella tehty tutkimus vihjaa nimittäin, että Fleischmannin ja Ponsin menetelmä voi tuottaa lämpöä. Useat eri tutkijaryhmät ovat kehittämässä eteenpäin alkuperäistä koetta, jotta ihmiskunta pystyisi tyydyttämään energiantarpeensa paitsi rahaa myös ympäristöä ja ilmastoa säästävällä tavalla.

Fuusio vaatii 15 miljoonaa astetta

Auringosta Maahan säteilevä lämpö on peräisin tapahtumasarjasta, joka tulee mekanismina niin lähelle ikiliikkujaa kuin vain on mahdollista.

Kun vety-ytimet fuusioituvat tähdessä heliumiksi, kehittyy valtavasti lämpöä. Äärimmäisen – noin 15 miljoonan asteen – kuumuuden ansiosta fuusioreaktiot voivat jatkua loputtomiin.

Jo vuosikymmenien ajan on tutkittu mahdollisuuksia jäljitellä Auringossa tapahtuvien kaltaisia ydinreaktioita suurissa koereaktoreissa, kuten Saksassa Greifswaldissa sijaitsevassa Wendelstein 7-X:ssä. Fuusiovoimalaa, joka tuottaa selvästi enemmän energiaa kuin siihen syötetään, joudutaan ilmeisesti odottamaan vielä melko kauan. Ei siis ollut ihme, että Fleischmannin ja Ponsin vuonna 1989 tekemän kylmäfuusiokokeen hämmentävästä tuloksesta innostuttiin tavallaan helppona vaihtoehtona.

Tulos kyseenalaisti kuitenkin fysiikan teorioiden fuusiota koskevat oletukset. Fyysikkojen piti selvittää ja selittää, kuinka matalassa lämpötilassa kahden atomin on mahdollista sulautua yhteen. Asia olikin Fleischmannin ja Ponsin kokeen suurin tieteellinen haaste.

Sähkökemisteillä ei nimittäin ollut tieteellisen menetelmän vaatimaa työhypoteesia eli ehdotusta ilmiön – tässä tapauksessa kokeen aikana syntyvän fuusion – selitykseksi. Ilman vahvaa teoriapohjaa oli vaikea todistaa, mihin lämmön kehittyminen perustui. Siksi oli mahdollista, että se energiamäärän kasvu, jonka tutkijat havaitsivat, johtui virheestä, sattumasta tai ennalta arvaamattomista kemiallisista reaktioista.

Fleischmannin ja Ponsin koejärjestely oli melko yksinkertainen. He sovelsivat elektrolyysiä, joka on helposti hallittava ja hyvin tunnettu fysikaalis-kemiallinen prosessi. Siinä hajotetaan vettä sähkön avulla hapeksi ja vedyksi.

Tutkijat käyttivät kokeessaan raskasta vettä (D₂O), jossa happiatomit ovat liittyneet deuteriumiin. Myös raskaana vetynä tunnetun deuteriumin ytimessä on protonin lisäksi neutroni. Tavallisen vedyn ytimessä neutronia ei siis ole.

Toisella elektrodilla – platinaa olevalla anodilla – syntyi happea. Toisen elektrodin, palladiumkatodin, ympärille kehittyi sen sijaan deuteriumia.

Normaalisti deuteriumatomit muodostavat tavallisten vetyatomien tapaan pareja ja esiintyvät kaasuna, mutta tutkijat väittivät, että pieni osa deuteriumatomeista pakkaantui palladiumkatodissa niin lähekkäin, että ne sulautuivat yhteen eli fuusioituivat itsestään.

Fysiikan lakien mukaan deuterium voi fuusioitua kolmella eri tavalla ja kaikissa tapauksissa vapautuu tietty määrä energiaa.

Nimenomaan energia vakuutti Fleischmannin ja Ponsin siitä, että vain hieman huoneenlämpöä korkeammassa lämpötilassa tehdyn kokeen aikana oli tapahtunut fuusio. Joillain koekerroilla 30-asteinen raskas vesi lämpeni yhtäkkiä noin 50-asteiseksi.

Muutos tarkoitti käytännössä sitä, että koejärjestely tuotti 40 kertaa niin paljon energiaa kuin elektrodeihin oli syötetty sähkövirtana.

Tutkijat päättelivät lämpenemisen johtuvan fuusiosta. Sen olisivat voineet todistaa protonit, neutronit tai gammasäteily, mutta mitään niistä ei pystytty havaitsemaan. Niinpä Fleischmannilta ja Ponsilta puuttui pitävä tieteellinen näyttö siitä, että deuteriumatomit olivat sulautuneet yhteen.

Periaatteessa lämpenemisen voi siis aiheuttaa jokin muu tekijä kuin fuusio, kuten laboratorion lämmitys.

Google panostaa kylmäfuusioon

Jo muutaman kuukauden kuluttua siitä, kun Fleischmann ja Pons olivat julkistaneet kokeensa ja sen hämmästyttävän tuloksen, yli sata muuta tutkimusryhmää oli yrittänyt toistaa sen.

Kaikki vetivät vesiperän, vaikkakin jotkut olivat olleet havaitsevinaan mahdollisia fuusion merkkejä. Ongelmallista oli se, että tulokset hajosivat jyrkästi. Suuri vaihtelu on leimannut kylmäfuusiokokeiden satoa sittemminkin.

Tutkijoiden on ollut vaikea toistaa omia saati sitten muiden kokeita niin, että tulokset vastaisivat toisiaan. Tieteellinen menetelmä vaatii toistettavuutta, sillä koe, jota ei ole mahdollista tehdä uudelleen samoin tuloksin, ei herätä luottamusta, eikä se ole siten todistusvoimainen.

Kiinnostus kylmäfuusiota kohtaan ei ole kuitenkaan hävinnyt täysin. Itse asiassa monissa taloudellisesti menestyvissä suuryhtiöissä on tunnettu viime vuosina mielenkiintoa tätä kiistanalaista tutkimusaihetta kohtaan.

Google ja kolmekymmentä neljässä arvostetussa pohjoisamerikkalaisessa tutkimuslaitoksessa työskentelevää tutkijaa polkaisivat vuonna 2015 käyntiin hankkeen, joka tähtää tähänastisten kokeiden puutteiden paljastamiseen ja menetelmien kehittämiseen.

Paremmalla tekniikalla, jossa käytetään deuteriumia plasmana eli ionisoituneena kaasuna, onkin kyllä saatu aikaan kylmäfuusio, mutta tuloksella ei ole käytännön merkitystä, sillä fuusion käynnistäminen vaatii paljon enemmän energiaa kuin se tuottaa.

Tutkijat havaitsivat fuusiosta lähtöisin olevia neutroneja, kun kyseessä oli deuteriumin kolmesta mahdollisesta fuusioitumisvaihtoehdosta se, joka tuottaa vähiten energiaa. Toista menetelmää, jossa syntyy gammasäteilyä ja kahdeksankertainen energiamäärä, ei onnistuttu soveltamaan.

Japanissa kuumenee

Myös sellaiset isot japanilaisyhtiöt kuin erityisesti autonvalmistajina tunnetut Toyota ja Nissan ovat kiinnostuneet kylmäfuusion tutkimuksesta.

Yritykset tekevät yhteistyötä Osakan yliopiston entisen ydintekniikan professorin Akito Takahashin kanssa. Kokeissa on käytetty palladiumkatodeja, jotka sisältävät nikkeliä ja zirkoniumia nanohiukkasina. Yhdistelmä voi ottaa vastaan enemmän deuteriumia ja siten pakata ytimet tiiviimmin, mikä parantaa fuusion mahdollisuuksia.

Huoneenlämmössä tehdyissä kokeissa onnistuttiin tuottamaan hetkellisesti hieman ylimääräistä energiaa, mutta kun lämpötila nostettiin 200–300 asteeseen, alkoi tapahtua ihmeitä.

Tuloksena oli 3–24 watin lisäys, ja energiantuotantoa oli mahdollista pitää yllä viikkoja. Tulos oli useimmilla koekerroilla sama, ja koe pystyttiin toistamaan kahdessa eri yliopistossa.

Näyttöä siitä, että kokeessa todellakin syntyi ylimääräistä energiaa ja ettei tulos johtunut virheestä eikä sattumasta, voitiin hyvin perustein pitää vahvana.

Akito Takahashin tutkimusryhmällä oli kuitenkin ongelma: niitä reaktiotuotteita, joita syntyy deuteriumin fuusiossa, ei löytynyt. Siksi fuusion tapahtumisesta ei voitu olla varmoja.

Japanilaistutkijat eivät edes puhuneet fuusiosta, kun he julkaisivat hämmästyttävät tuloksensa vuonna 2018. He tyytyivät toteamaan, että vakaa energiantuotto ei ollut selitettävissä tunnetuilla kemiallisilla prosesseilla.

Vaikka kylmäfuusiota verhoaa yhä salaperäisyys, se, mitä tutkimusaiheesta nykyään tiedetään, vihjaa, etteivät Martin Fleischmann ja Stanley Pons välttämättä olleet pahasti hakoteillä vuonna 1989.

Tuolloin tutkimus tyrmättiin nopeasti, mutta nykyään tutkijoille on tarjolla parempia materiaaleja ja mittauslaitteita. On hyvinkin mahdollista, että pian kokeet voidaan toistaa eivätkä tulokset heilahtele epäilyttävästi.

Ongelmallisena pidetään kuitenkin sitä, ettei fuusioon yhdistettyjä reaktiotuotteita pystytä – ainakaan helposti – osoittamaan. Toistaiseksi saattaa olla viisainta ottaa mallia Akito Takahashista ja välttää fuusio-sanan käyttämistä. Sen sijaan voi puhua uudesta energiantuotantotavasta.