Kall fusion i Italien?
Göran Ericsson är docent i tillämpad kärnfysik vid Uppsala universitet och kommenterar här en pågående historia om kall fusion.
En duo forskare kallar till presskonferens och hävdar att man löst gåtan med världens energibehov genom ”kall fusion”. De använder en apparat med ett delvis okänt innehåll som ger ett stort energiöverskott: endast några hundra Watt av tillförd eleffekt ger 10, 20, ja kanske 100 gånger mer värmeeffekt ut. Produktion av stora mängder billig energi ligger inom räckhåll; man spekulerar kring kärnreaktioner av hittills okänt slag [1].
Känns det igen? Har vi helt plötsligt blivit förflyttade 20 år tillbaka i tiden, till University of Utah, 1989 [2]? Nej, detta är inte ”Fleischman och Pons” i repris, utan en italiensk uppfinnare, ingenjör Andrea Rossi, och professor emeritus Sergio Focardi, från Bolognauniversitetet, som kommer med påståendena vid en presskonferens i januari 2011. Och de har en apparat som ”bevis” för sina påståenden; man kallar den Energikatalysatorn. Men mycket känns förstås igen från tidigare, och för en skeptiker ringer så gott som alla varningsklockor man kan tänka sig: det är gott om påståenden och spekulationer, men väldigt lite av detaljerade beskrivningar och verifierbara data.
Detaljer undanhålls med hänvisning till liggande patentansökningar och affärshemligheter. Introduktionen av uppfinningen kommer att ske den kommersiella vägen, med början i Grekland i oktober, och sedan mer allmänt i november 2011. En artikel [3] som beskriver apparaten har blivit refuserad, ja, patentet [4] visar sig också ha fått preliminärt avslag (men Ny Teknik skriver i maj 2011 att ett italienskt patent nu beviljats). Apparaten har visserligen demonstrerats inför speciellt inbjuden publik vid några tillfällen de senaste månaderna (mest uppmärksammad blev presskonferensen den 14 januari, 2011), men ingen utom Rossi själv får inspektera apparatens kärna, ”reaktorn”. Mätningar (av gammastrålning) utförda av utomstående personer tilläts ej heller under januaridemonstrationen [5] – och den av uppfinnarna sanktionerade mätningen av strålning gav vid handen att inget utöver bakgrund kunde observeras [6]. Så nog finns det god anledning att vara skeptisk.
Eftersom Rossi medvetet ställt sig vid sidan av den vetenskapliga processen så går det inte att komma så särskilt långt i en vetenskaplig granskning av apparaten och fenomenet i nuläget. Vad man kan göra är att försöka hitta små korn av information i tidningar och på hemsidor och spekulera utifrån det. Sverige är faktiskt ett av de länder där detta fått relativt stort genomslag; det är framför allt tidskriften Ny Teknik som varit aktiv med att rapportera, bjudit in Rossi på besök, och även varit med vid privata demonstrationer av apparaten.
Även TV4 och DN har haft inslag. Och de två svenska forskarna Hanno Essén och Sven Kullander har också fått vara med på en privat demonstration av apparaten i slutet av mars [7].
I korthet hävdar Rossi och Focardi att de kan utvinna stora mängder överskottsenergi genom att tillföra vätgas till ett uppvärmt pulver av mestadels nickel, med några ytterligare tillsatser. Rossi och Focardi framför som sin hypotes att en kärnreaktion mellan proton (vätekärnan) och nickel ligger bakom det stora energiöverskottet. Det kan vara värt att i sammanhanget notera att Focardi under 1990-talet var med och publicerade en rad artiklar i italienska Il Nuovo Cimento om överskottsenergi från Ni- H-system [8].
Ett PR-argument?
En stor del av informationen och diskussionen om Energikatalysatorn finns på en hemsida med det pretentiöst klingande namnet ”Journal of Nuclear Physics” [9]. Namnet till trots får detta nog anses vara mer av en blogg där Rossi och andra lägger upp olika inlägg kring den nya apparaten och de processer som skulle kunna ligga bakom energiöverskottet. Här hittar man t.ex. den artikel där Rossi och Focardi ger sig ut för att förklara den nya apparaten och dess funktion. Artikeln har som sagt refuserats för publikation (oklart vilken tidskrift man vände sig till), och det till synes på goda grunder. Artikeln innehåller helt enkelt inte tillräckligt med information för att man på något rimligt sätt ska kunna bedöma trovärdigheten i deras påståenden och inga egentliga detaljer om apparaten. Det är alltså omöjligt för någon annan att testa deras påståenden.
Varken artikeln eller patentansökan innehåller några detaljerade beskrivningar och de kan därför inte bedömas på ett vetenskapligt sätt. Att Rossi och Focardi då inte heller kan förklara fenomenet teoretiskt är av mindre vikt, har man bara säkra och väldokumenterade observationer och en klar beskrivning av sin instrumentering så borde en publicering kunna genomföras. Men nej, sådant klarspråk är man inte beredda att tala – affärshemligheter sätter hinder i vägen. Man skulle ju kunna tycka att de som för fram sådana här sensationella påståenden borde ha lärt sig vad som krävs för att få publicera i vetenskapliga tidskrifter vid det här laget, här är ju dessutom en professor emeritus en av författarna. Jag får en känsla av att man förstås vet att man kommer att bli refuserad, men vill kunna använda bara det faktum att man försökt som ett PR-argument – och i de kretsar där ”forskningsetablissemanget” ses som korrumperat och konservativt är det väl snarast ett plus att ha blivit refuserad.
Rossi och Focardi medger alltså att man inte förstår hur energiproduktionen går till i detalj. Samtidigt ger man sin artikel om apparaten en titel som innehåller ”nuclear fusion” och hävdar att kärnreaktioner mellan protoner och nickel är ursprunget till energiöverskottet. Hur man skulle kunna övervinna den mycket starka elektriska repulsionen (Coulombbarriären) mellan kärnorna vid den temperatur ”under 1000 K” som apparaten drivs vid kan man inte förklara, men spekulerar i någon typ av skärmningseffekt där en elektron i metallen binds till protonen i ett tillstånd med mycket liten radie, så att kärnkrafterna mellan proton och nickelkärna skulle kunna verka och därmed möjliggöra en kärnreaktion (som då bildar koppar). Detta försök till förklaring måste ses som ytterst spekulativt, men uppfinnarna betonar att det viktiga är att apparaten fungerar; hur den fungerar får man reda ut senare, menar de.
Den uteblivna gammastrålningen
Kärnreaktioner (infångning) mellan proton och nickelkärna är förstås väl kända för kärnfysiker, och i de acceleratorexperiment som genomförts åtföljs den reaktionen alltid av prompt gammastrålning vid själva proton-infångningen (processen är en s.k. ”radiative capture”-reaktion). Den kopparkärna som bildas avger ofta egen karakteristisk gammastrålning och är dessutom i många fall s.k. betainstabil, så att den omvandlas tillbaka till nickel. Detta sönderfall sker via beta-plus-sönderfall då en positron avges varvid en proton i kopparkärnan omvandlas till en neutron och kärnan därmed omvandlas till en nickelkärna igen, fast nu en isotop med en enhet högre masstal än den ursprungliga.
Denna nickelkärna avger normalt också karakteristisk gammastrålning. Så om kärnreaktioner proton+nickel är grunden till energiutvinningen borde karakteristisk gamma från ett antal kopparoch nickelisotoper kunna observeras, liksom en stark komponent av annihilationsstrålning (den frigjorda positronen förintas snabbt mot en elektron i omgivningen vilket ger upphov till två gammakvanta av 511 keV energi vardera). Och omvänt – om ingen sådan gammastrålning observeras förefaller hypotesen att det rör sig om någon typ av kärnreaktion som ytterst osannolik. Men som sagt, vid mätningen av gammastrålning i samband med demonstrationen av apparaten i januari 2011 kunde ingen strålning utöver bakgrundsnivån noteras och kanske var det tur för de ca 50 gästerna vid januaridemonstrationen att denna ”fusion” inte bara är kall utan även strålningslös. Hur de påstådda kärnreaktionerna i apparaten skulle kunna ske utan gammastrålning är alltså ytterst oklart, men på Rossis hemsida spekuleras i att apparaten är så väl skärmad så att ingen strålning skulle ”läcka ut”. Som bekant attenueras gammastrålning av skärmning, men en viss andel (om än liten) tränger alltid igenom – det borde alltså finnas strålning att mäta om den föreslagna processen är korrekt. Och enligt vad som angivits och visats upp är apparaten inte alltför skrymmande och tung, så det är knappast fråga om mer än cmtjocka lager skärmning kring själva ”reaktorn”. Och om man är riktigt seriös borde förstås ett kontrollerat experiment utan skärmning ske och redovisas, för att bekräfta den nukleära hypotesen.
Har något hänt inuti?
Om kärnreaktioner är ansvariga för den påstådda energiutvecklingen borde, förutom strålning, även en förändring av materialet inne i ”reaktorn” kunna observeras genom att man mäter isotopsammansättningen hos nickelpulvret före och efter körning av apparaten. Det är ju trots allt en omvandling av nickel till koppar (och eventuellt tillbaka till nickel igen) som påstås vara grunden till energiutvinningen.
Kullander rapporterar [7] att Rossi överlämnat några materialprover från en Energikatalysator, prover som därefter utsatts för olika typer av materialanalys. Det rör sig om två prover, ett från det nickelpulver som sätts in i apparaten (oklart om även de ”hemliga” ingredienserna ingår här) och ett prov av det pulver som finns i reaktorn efter en längre tids körning. Resultaten visar att det ”använda” provet innehåller både nickel, koppar och en del järn.
Men framför allt ger mätningarna ingen indikation på en isotopsammansättning av vare sig nickel eller koppar som avviker från den naturliga. Detta är mycket märkligt, då naturligt förekommande koppar är en blandning av de stabila isotoperna 63-Cu (69%) och 65-Cu (31%), medan nickel består av en lång rad stabila isotoper, framför allt 58-Ni (68%) och 60-Ni (26%), men även 61-Ni (1.1%), 62-Ni (3.6%) och 64-Ni (0.9%). Om proton-nickel-reaktioner verkligen sker borde rimligen några av de radioaktiva isotoperna 59-Cu, 61-Cu och 62-Cu kunna upptäckas i provet, åtminstone genom sitt karakteristiska sönderfall.
Och även om bara stabilt koppar skulle bildas verkar det ytterligare märkligt att detta sker till en isotopfördelning som inte avviker från den naturliga; förekomsten av de två nickelisotoperna 62 och 64 är i förhållandet 80–20, medan koppar 63 och 65 förekommer i förhållandet 70–30. Det verkar i dagsläget mer närliggande att anta att kopparn i det analyserade provet är just av naturligt ursprung, och inte har något med eventuell energiomvandling i Energikatalysatorn att göra.
Vilken förklaring är bäst?
För att hypotesen om kärnreaktioner som grund för energiutvinningen ska hålla måste alltså en lång rad väletablerade fysiklagar brytas samtidigt. Att Rossi ”snubblat” över ett fenomen som bryter mot något enstaka etablerat samband hade inte varit omöjligt, men att kräva att 4-5 väletablerade fysiklagar måste brytas samtidigt verkar högst orimligt. Då verkar det rimligare att söka enklare förklaringar på annat håll.
Så om det nu inte finns några direkta belägg för att kärnreaktioner skulle ske i Energikatalysatorn, varför tar man då till denna förklaringsmodell? Jo, Rossi m.fl. menar att den värmeutveckling man kunnat mäta är större än vad som kan förklaras genom kemiska reaktioner eller elektrisk uppvärmning, och då ”är den enda alternativa förklaringen att någon form av kärnprocess ger upphov till den uppmätta energiproduktionen” [fritt översatt från Ref. 7]. Slutsatsen bygger alltså på resultaten av s.k. kalorimetriska mätningar och beräkningar. Sådana är inte så konceptuellt komplicerade, men kräver att man har god kännedom om apparaturen och fullständig kontroll över alla in- och utgående flöden av energi och material – i det här fallet gäller det flöde och egenskaper hos vatten/ånga, vätgas och elektricitet.
Svårigheten med kalorimetri ligger alltså i att ha kontroll på detaljerna. Men i detta fall har vi tyvärr inte fått tillgång till alla detaljer, då en del är dolt bakom ”affärshemligheter”. Och så länge man spelar med dolda kort finns alltid möjligheten kvar att det rör sig om medveten eller omedveten vilseledning.
Ett flertal demonstrationer har som sagt genomförts med Energikatalysatorn under sena 2010 och de första månaderna 2011, och i samtliga fall har den utvecklade energin/effekten uppskattats genom mätning på vissa av de ingående och utgående flödena och några miljövariabler, fr. a. Temperaturen hos ingående och utgående vatten/ ånga [10]. Rapporterna från demonstrationerna är oftast ganska fragmentariska och inte så fullständiga att man som utomstående kan verifiera slutsatserna. Och man får intrycket att alla utom Rossi snarast agerat observatörer än exprimentalister, även om man fått vrida och vända på en del av apparaterna och kollat ”under bordet” efter dolda anslutningar.
Energiberäkningarna
De energiberäkningar som presenterats utgår i så gott som samtliga fall från antagandet att allt vatten som flödar in i systemet omvandlas till torr ånga. Detta är en viktig punkt i sammanhanget, då energiåtgången för att bilda ånga av en viss temperatur (och tryck) är mycket större än den för att värma upp vattnet till samma temperatur (och tryck), så om slutprodukten är vatten eller ånga, eller en blandning av de två faserna, innebär en stor skillnad för beräkningarna av energibalansen. Om det handlar om ett blandningstillstånd går det inte att genom endast en enkel temperaturmätning tala om vilken ”kvalitet” vattnet/ångan har, för detta krävs speciell mätutrustning för fuktig vattenånga. Här kan det också vara lätt att lura sig, då ånga upptar ca 1000 gånger högre volym än vatten av samma massa, så att även en liten massandel ånga kan ge ett stort intryck. I några av demonstrationsrapporterna diskuteras ångkvaliteten, men utrustningen som använts verkar vara avsedd för mätning av kvalitet (fukthalt) hos inomhusluft (DeltaOhm HD374AB1347 instrument, HP474AC prob [11]), vilket inte verkar helt ändamålsenligt i sammanhanget.
Av någon anledning har också energiproduktionen i de apparater som Rossi demonstrerat successivt minskat och man har kommit allt närmare den gräns där påståendet om energiöverskott helt och hållet beror av ångans kvalitet.
Detta exemplifieras tydligt av de i nuläget senaste demonstrationerna, dokumenterade i Ny Teknik [13]. Där påstås att en effekt på ca 2.5 kW produceras, grundat på antagandet att det produceras torr ånga. Men någon ordentlig mätning av ångkvaliteten verkar inte ha genomförts, och om man i stället antar att vattnet som flödar genom Energikatalysatorn endast värms upp till kokpunkten, utan att ånga bildas, räcker den tillförda elektriska effekten på ca 300W för att förklara i stort sett hela vattnets temperaturökning inget energitillskott från ”reaktorn” behövs.
Ett sätt att undvika sådana oklarheter vore att genomföra demonstrationerna med en rejäl temperaturhöjning hos vattnet, men utan ångbildning – tyvärr verkar Rossi av någon anledning föredra kokningsprocessen. Det är också viktigt att försäkra sig om att vattenflödet genom apparaten är känt och konstant, liksom den totala tillförseln av elektrisk effekt till samtliga komponenter. Här har endast punktmätningar rapporterats, så tidsutvecklingen av dessa storheter kan man bara gissa sig till de har oftast antagits konstanta under drift men detta är som sagt inte väl dokumenterat. Några försök till osäkerhetsuppskattningar verkar man heller inte ha brytt sig om att utföra hittills.
Intressant att notera är att Rossi enligt uppgift har etablerat ett vidare samarbete med professor G. Levi vid Bologna-universitetet för att undersöka detaljer i Energikatalysatorn. Levi har samarbetat med Rossi och Focardi de senaste fyra åren och var tidigare listad som ”Advisor” på Rossis hemsida, men hans namn togs bort i slutet av januari 2011. Några resultat från det nya samarbetet har ännu inte presenterats, men här finns förhoppningsvis förutsättningar att få ordentligt och systematiskt genomförda mätningar presenterade.
En pikant detalj i hela affären är att Rossi verkar har ett visst ”förflutet” [12]. På 80-talet var han inblandad i illegal import av guld till Italien från Schweiz, och även hans företag för att omvandla sopor till biobränsle kom på kant med ”rättvisan”. Av vad som går att läsa på internet blev han i ett läge arresterad för dessa aktiviteter.
Vilken hållning är rimlig?
Vad är en rimlig vetenskaplig hållning? Ja, som sagts ovan ger inte upphovsmännen tillräckligt med information för att en ordentlig vetenskaplig granskning ska kunna göras.
För det behövs mycket mer detaljer i beskrivningar av apparatur, mätningar och resultat. Klart är att den ”nukleära hypotesen” inte är förenlig med dagens kunskap i kärnfysik och att en rad nya – ja, idag helt okända – fysikaliska fenomen måste samverka för att den typ av ”fusionreaktioner” som Rossi och Focardi diskuterar ska kunna vara grunden för eventuellt energiöverskott. Det använda pulvrets sammansättning talar också emot att någon form av kärnreaktion är inblandad. Demonstrationerna har hittills varit alltför kontrollerade av Rossi för att man ska kunna dra några mer långtgående slutsatser ur de kalorimetriska mätningarna.
Så länge som så mycket hålls dolt och hemligt kan man inte utesluta att misstag eller till och med medveten eller omedveten ”bluff ” ligger bakom. Men som engelsmännen säger: ”the proof of the pudding is in the eating”; om apparaten, efter noggrann och oberoende kontroll, verkligen visar sig fungera spelar det ingen roll hur oklar dess funktion är. Det ska förstås bli intressant att följa den fortsatta utvecklingen, men de månader som gått sedan januaridemonstrationen har snarare väckt fler nya frågor än de besvarat. Kommer några Energikatalysatorer att levereras för oberoende granskning vid Bologna-universitet? Kommer vi då att få se fullständiga strålnings-, material- och kalorimetriska data för Energikatalysatorn? Kommer det 1MW värmeverk som ska stå klart i Aten till hösten [13] att levereras – och kommer det att kunna studeras så noga att värmeeffekten kan fastställas? Kommer Energikatalysatorer att erbjudas till allmän försäljning i november, vilket Rossi antyder på sin hemsida? Tiden får utvisa.
Man kan alltid hoppas att en ny revolutionerande uppfinning just sett dagens ljus i och med Rossis Energikatalysator. Men förhoppningar är ingen bra grund för seriös vetenskap. Så för ögonblicket kommer jag personligen inte satsa några av mina sparslantar på denna uppfinning eller dess uppfinnare.
Se även debatten mellan Hanno Essén och Johan Rönnblom i detta nummer av Folkvett.
Referenser
1. Ny Teknik 20 januari, 2011, http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/energi/article3073394.ece
2. M.Fleischmann, S.Pons, (1989), ”Electrochemically induced nuclear fusion of deuterium”, Journal of Electroanalytical Chemistry 261 (2A): 301–308, doi:10.1016/0022- 0728(89)80006-3
3. A.Rossi, S.Focardi, (2010), “A new energy source from nuclear fusion”, http://www.journal-of-nuclear-physics.com/files/Rossi-Focardi_paper.pdf
4. Patentansökan kan hittas på t ex: http://newenergytimes.com/v2/news/2011/36/Rossi-Patent-Application-WO- 2009-125444.pdf; Patentverkets avslagsuttalande: http://newenergytimes.com/v2/news/2011/36/Rossi-Patent-Application-WO-2009-125444-PrelimReport.pdf
5. https://news.newenergytimes.net/2011/01/14/focardi-and-rossi-reality-or-scam/
6. Mätning av strålning (Bianchini) (länken krånglar tyvärr ofta): http://www.journal-of-nuclear-physics.com/files/Levi,%20Bianchini%20and%20Villa%20Reports.pdf
7. http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/energi/article3144772.ece
8. Focardi, S., R. Habel, and F. Piantelli, Anomalous heat production in Ni-H systems., Nuovo Cimento Soc. Ital. Fis. A, 1994. 107A: p. 163.; Focardi, S. Et al., Large excess heat production in Ni-H systems. Nuovo Cimento Soc. Ital. Fis. A, 1998. 111A: p. 1233.
9. Journal of Nuclear Physics; http://www.journal-of-nuclearphysics.com
10. Uppskattning av genererad värmeeffekt (Levi): http://www.Journal-of-nuclear-physics.com/files/Levi,%20Bianchini% 20and%20Villa%20Reports.pdf
11. DeltaOhm hemsida: http://www.deltaohm.com/ver2010/uk/st_airQ.php?str=HD37AB1347
12. Italiensk Wikipediaartikel om ”Petroldragon” med hänvisningar till italienska tidningar: http://it.wikipedia.org/wiki/Petroldragon
13. http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/energi/article3166451.ece