Горячие страсти вокруг холодного синтеза

Солнце во льдах Коллаж: Олег Сендюрев/ «Вокруг света» по фотографиям Richard Sweet (SXC licence) и SOHO/ NASA, ESA.

О холодном ядерном синтезе (cold fusion) мир впервые услышал 21 марта 1989 года из пресс-релиза, выпущенного университетом штата Юта (The University of Utah). В пресс-релизе сообщалось, что профессор Мартин Флейшман (Martin Fleischmann) из университета Саутгемптона и профессор Стэнли Понс (Stanley Pons) из университета Юта наблюдали в химической лаборатории университета Юта устойчивую реакцию ядерного синтеза при комнатной температуре; в связи с чем пресс-релиз сообщал о «прорыве в сфере энергетики».

Отмечалось что в лабораторной установке используется процесс электролиза, что один из электродов изготовлен из палладия и что для приготовления электролита использовалась тяжелая вода. В пресс-релизе подчеркивалось, что в ходе эксперимента количество выделившееся энергии превышало количество расходуемой — что и дало основания заявить говорить о новом источнике энергии.

Один из результатов Флейшмана и Понса состоял в том, что количество выделившейся энергии возрастало с увеличением размеров палладиевого электрода. Этот факт они рассматривали как указание на то, что реакция синтеза каким-то образом связана с палладием.

Нетрудно понять, почему авторы пресс-релиза назвали эксперимент Флейшмана и Понса «прорывом в области энергетики». Перспективы решения энергетической проблемы человечества во многом связываются с возможным решением проблемы управляемого термоядерного синтеза.

Такая реакция сопровождается выделением гигантского количества энергии; именно она идет, например, во взрывающейся водородной бомбе, внутри Солнца и других звезд. Там она протекает в неуправляемом режиме. В одной из наиболее распространенных разновидностей реакции термоядерного синтеза в качестве «реагентов» выступают ядра атомов дейтерия (изотоп водорода).

В одном случае в процессе реакции происходит синтез атомов гелия, в другом — синтез атомов трития (также изотоп водорода). Существует также вариант, при котором из атомов дейтерия синтезируется изотоп гелия He-3. Добавим к этому, что существенной особенностью реакций синтеза является образование побочных продуктов: в первом случае это гамма-излучение, во втором — нейтроны.

Сенсация, организованная Флейшманом и Понсом в марте 1989 года, стала главной темой майского номера американского журнала Time. На обложке написано «То ли синтез, то ли обман: как два ученых возбудили — или возмутили — научный мир».

Дейтерий — изотоп водорода, водород же можно легко получить из воды, имеющейся на Земле фактически в неограниченном количестве; именно поэтому с термоядерным синтезом связывают обычно перспективу в решении энергетической проблемы человечества.

Синтез не случайно именуется «термоядерным»: ядра атомов дейтерия (протон + нейтрон) должны иметь достаточно большую энергию, чтобы преодолеть расталкивающую электростатическую силу и сблизиться на расстояние, при котором между ними начнет действовать внутриядерные силы сильного взаимодействия, и станет возможным образование ядер более тяжелых элементов. Температура плазмы во время неуправляемой реакции термоядерного синтеза достигает миллионов градусов — этим в значительной мере объясняются трудности с реализацией управляемой термоядерной реакции. Легко представить степень недоверия, с которым научное сообщество встретило новость из университета Юты.

Если допустить, что в экспериментах Флейшмана-Понса действительно наблюдалась реакция синтеза, то и отсутствие высокой температуры надо каким-то образом объяснять. Некий таинственный механизм должен был обеспечить то, что обычно достигается за счет высоких скоростей ядер разогретой плазмы.

Кажется естественным допустить в этом случае, что такой механизм должен быть связан с особыми свойствами палладия, из которого, напомню, были изготовлены электроды в электролитических ячейках. В электролите, представлявшим собой раствор инертной соли в тяжелой воде (отличающейся от обычной тем, что атомы водорода в ней заменены на атомы дейтерия) происходит диссоциация атомов дейтерия, разделяющихся на ядро (протон + нейтрон) и электрон.

Палладий же обладает специфической способностью абсорбировать большое количество водорода (а в равной степени и дейтерия), а внутри кристаллической решетки палладия ядра атомов дейтерия обладает аномально высокой подвижностью. Предполагается, что именно высокая подвижность и делает возможной реакцию синтеза.

Чтение пресс-релиза сегодня вызывает довольно сложные чувства: кажется, что его авторы ясно представляя себе скептицизм, который вызовут в научном сообществе содержащиеся в нем результаты. Поэтому авторы изо всех сил превозносили высокий профессиональный статус Флейшмана и Понса, ссылались на их академические заслуги и большое число публикаций в престижных научных журналах. В отношении же Флейшмана особо подчеркивалось, что он считается одним из ведущих электрохимиков мира.

К середине весны 1989 года страсти вокруг холодного ядерного синтеза достигли Белого дома. 14 апреля президент США Джордж Буш-старший пригласил к себе для консультаций нобелевского лауреата по химии Гленна Сиборга (Glenn Theodore Seaborg). Фото: Seaborg Lecture - My Service with Ten Presidents, slide H0994 / LBL image library.

Авторы пресс-релиза сообщали, кроме того, что эксперименты Флейшмана и Понса в области холодного ядерного синтеза продолжаются уже более пяти лет, однако умолчивали о том, что у Флейшмана и Понса были предшественники: похожие исследования выполнил Стивен Джонс (Steven Jones) из университета Биргхема Янга (Brigham Young University).

Ещё в июле 1987 года Джонс опубликовал в Scientific American статью под названием «Холодный ядерный синтез» (Cold Nuclear Fusion), в которой обратил внимание на необычно высокие концентрации He-3 в окрестности вулканов, и предположил, что как его появление, так и выделение тепла во внутренних слоях Земли могут обеспечиваться реакцией ядерного синтеза. При этом фактор высокой температуры вероятно заменяется на фактор сверхвысокого давления.

Между Джонсом и тандемом Флейшмана-Понса существовала устная договоренность о том, что свои статьи с описанием экспериментов в области холодного ядерного синтеза они направят для опубликования в журнала Nature в один и тот же день. Но за день до назначенного срока Флейшман и Понс нарушили договоренность и провели пресс-конференцию. Более того, за десять дней до пресс-конференции в университете Юта Флейшман и Понс, не поставив в известность Джонса, направили статью со своими результатами в Journal for Electroanalytical Chemistry. Узнав о таком вероломстве, Джонс немедленно отправил факсом статью в Nature.

Реакция научного сообщества на пресс-конференцию Флейшмана и Понса была весьма бурной. В лабораториях различных университетов мира были предприняты попытки воспроизвести их эксперименты. За десять месяцев более ста сорока статей о холодном ядерном синтезе увидели свет. Более чем в половине случаев авторы негативно отзывались об идее холодного ядерного синтеза, примерно в четверти случаев оценки были позитивными, в остальных — публикациях данные, полученные Флейшманом и Понсом, не подтверждались, но и не опровергались.

Правительственные структуры тоже не остались в стороне: 13 апреля 1989 года десять национальных лабораторий получили указание начать исследования по холодному ядерному синтезу, а в августе 1989 в Солт-Лейк-Сити официально открылся финансируемый государством National Cold Fusion Institute. Однако эксперты, опрос которых провело Министерство энергетики США, в подавляющем большинстве высказались отрицательно, а Флейшман отказался предоставить экспертам доступ к своим лабораторным записям.

В итоге к июню 1991 года National Cold Fusion Institute закрылся, а ещё через год закончился и срок контракта профессоров Флейшмана и Понса с университетом Юта — им пришлось покинуть США и искать себе работу в Европе. Они сумели её найти — во Франции, а финансовую поддержку им теперь оказывают некоторые японские корпорации и частные фонды.

Инфракрасная камера, направленная перпендикулярно электроду в опытах Шпака и Мозье-Босс, зафиксировала температурный градиент. Фото: S. Szpak, P.A. Mosier-Boss «Experimental Evidence for LENR in a Polarized Pd/D Lattice».

В исследованиях «холодного термояда» наступила долгая пауза. Новый виток в этой истории начался только шесть лет спустя, в 1998 году, когда Станислав Шпак (Stanislaw Szpak) и Памела Мозье-Босс (Pamela Mosier-Boss) объявили о получении трития в своем электрохимическом эксперименте. Они тогда работали в Департаменте прикладных наук (Applied science department) расположенного в Сан-Диего Центра космических и морских военных систем ВМФ США (US Navy’s Space and Naval Warfare Center), и были весьма заинтригованы всей этой историей.

К счастью, этот интерес разделял и их руководитель Фрэнк Гордон (Frank Gordon); именно он нашел источники финансирования для новой серии экспериментов. Всего Мозье-Босс и Шпак осуществили сотни экспериментов и опубликовали более двенадцати статей в различных рецензируемых изданиях, среди которых респектабельный журнал Naturwissenschaften. Его авторами в разное время были Альберт Эйнштейн, Вернер Гейзенберг, Конрад Лоренц.

Проходит ещё четыре года, и в 2002 года морское ведомство США публикует доклад, в котором сообщает о наличии новых доказательствах возможности холодного синтеза. А в 2005-м Шпак и Мозье-Босс сообщают о том, что зафиксировали в своих лабораторных установках возникновение новых химических элементов, что, по их мнению, является убедительным аргументом в пользу трансмутации ядер. Исследователи из Сан-Диего модифицировали эксперимент с тем, чтобы ускорить процесс «упаковки» атомов дейтерия в кристаллическую решетку палладия.

Новая методика получила название codeposition. Электрод изготовлялся уже не из палладия, а из никеля или из золота и погружался в раствор хлорида палладия и хлорида лития в тяжелой воде. При протекании тока на электроде выделялся и дейтерий, и палладий, а процесс «упаковки» происходил уже за несколько секунд — в отличие от нескольких дней в прежней установке.

Появилась и ещё одна особенность: на новом этапе исследований главные действующие лица — Станислав Шпак и Памела Мозье-Босс — стараются использовать только тот язык, который максимально близок экспертам из их референтного круга (а он в данном случае включал в себя главным образом физиков-ядерщиков).

Если в период 1989–1992 годов защитники идеи холодного синтеза упирали преимущественно на положительный энергетический баланс в исследуемой ими реакции, то Мозье-Босс и Шпак стали максимально «вкладываться» в методику регистрации побочных продуктов реакции ядерного синтеза. В своих экспериментах они использовали хорошо зарекомендовавший себя в ядерной физике детектор. Попадающие в него нейтроны, протоны, или, к примеру, ядра атомов трития, разрушают межмолекулярные связи в массиве пластмассы, вследствие чего в ней образуются отчетливые треки, которые можно рассматривать с помощью микроскопа.

Следы радиоактивного излучения, обнаруженные детектором в опыте Шпака и Мозье-Босс, оказались очень похожими на следы, оставляемые в таком же детекторе излучением делящегося урана. Фото: S. Szpak, P.A. Mosier-Boss «Experimental Evidence for LENR in a Polarized Pd/D Lattice».

В одном из последних экспериментов Мозье-Босс и Шпак расположили детектор вблизи электрода. Микроскопические треки распределились по поверхности детектора явно неравномерно: в участках, располагавшихся вблизи электрода, их было больше, вдали от электродов — вообще не наблюдались. Как и полагается в подобных случаях, исследователи поставили контрольный эксперимент — с электролитом, в котором отсутствовали соли палладия В этом случае на детекторе было обнаружено лишь несколько треков в случайных точках; их появление было, скорее всего, вызвано фоновым радиоактивным излучением и было никак не связано с проводимыми экспериментами.

Несмотря ни на что научное сообщество продолжает демонстрировать дружное отсутствие единодушия, о чем свидетельствует, в частности, майская публикация «Cold fusion — hot news again?» в журнале New Scientist. Предметом дискуссии становится достаточно традиционный для экспериментаторов вопрос: как интерпретировать показания детектора? Лоуренс Форсли (Lowrence Forsley), президент JWK Technologies (одного из партнеров центра в Сан-Диего), основываясь на собственном шестнадцатилетнем опыте исследований реакций синтеза, считает, что по глубине, размеру, распределению показания детектора похожи на типичные следы, оставляемые заряженными частицами.

С ним соглашается физик-ядерщик Гарри Филлипс (Gary Phillils), имеющий двадцатилетний опыт работы с подобными детекторами: «Наблюдаемые в детекторе следы невозможно связать с какими-либо химическими реакциями».

Но на это выдвигаются возражения, что детектор электрохимиков из Сан-Диего на самом деле фиксирует не излучение, эмитируемое электродом, а фон, возникающий из-за незначительного радиоактивного загрязнения лабораторной установки. Предлагаются и другие возражения, в том числе и весьма экзотические, — например, что обнаруженные на детекторе треке могли возникнуть под воздействием космических лучей. (Наличие столь активного случайного источника, способного вызвать появление такого количества треков, прежде всего повлекло бы гибель экспериментаторов.)

Самым уязвимым местом в позиции Мозье-Босс и Шпака по-прежнему остается воспроизводимость их результатов в других лабораториях. Один из немногих — это Уинтроп Уильямс (Winthrop Williams) из Калифорнийского университета в Беркли. О своих результатах, подтверждающих эксперименты Мозье-Босс и Шпака, он рассказал в своем докладе на съезде Американского физического общества в марте 2007 года.

Общественное мнение научного сообщества пока по-прежнему настроено скептически, но загадка холодного ядерного синтеза уже вновь, как и в 1989 году, начинает привлекать к себе внимание некоторых правительственных учреждений. Дэвид Нагель (David Nagel), физик из столичного университета Джорджа Вашингтона, упомянул в беседе с корреспондентом журнала New Scientist о готовности Министерства энергетики США (US Department of Energy) начать в какой-то форме финансировать соответствующие эксперименты. Нагель упомянул и о растущем интересе к проблеме холодного синтеза со стороны военных. «Нынешний год может стать переломным в отношении к холодному синтезу», — полагает он.

Интересно отметить, что пока тематика холодного ядерного синтеза находится где-то на периферии общественного внимания. Тем не менее по его поводу успели высказаться некоторые общественно значимые фигуры — например, знаменитый писатель-фантаст Артур Кларк (Arthur Clarck) и нобелевский лауреат по физике Юлиус Швингер (Julian Seymour Schwinger, 1918–1994). Кларк, выступая в 2000 году перед участниками Десятого фестиваля науки, организуемого Британской Ассоциацией, заявил, что эра ископаемого топлива подходит к концу, что обществу необходимы новые источники энергии и что решением проблемы может стать холодный синтез, либо другие, как выразился Кларк, «аномальные источники энергии».

Реплика Швингера, хотя относится к более раннему времени, была более предметной: он заметил, что в случае с холодным ядерным синтезом мы сталкиваемся с недостаточным пониманием механизмов макроскопического воздействия на процессы, происходящие на микроуровне. И пока это остается так, история этих исследований далека от завершения.

   
автор: Борис Булюбаш