alternatieve energie

Twee Italiaanse wetenschappers, Andrea Rossi and Sergio Focardi van de universiteit van Bologna, beweerden begin 2011 een werkende kernfusiecentrale te hebben gebouwd met uitgerekend nikkel. En toonden een demonstratiemodel. We kennen de details uiteraard niet, maar zou deze centrale werken? Zou het ding überhaupt kúnnen werken?

Nikkelisotoop is stabielste atoomkern denkbaar
Op het eerste gezicht lijkt de gedachte alleen al krankzinnig. Nikkel-62 (de nikkelisotoop met een atoomgewicht van 62, m.a.w. 62 kerndeeltjes in de kern) is namelijk de atoomkern met de hoogste bindingsenergie per kerndeeltje. Nikkel kent maar liefst vijf stabiele isotopen, een ander teken dat aantoont hoe stabiel atoomkernen in dit gebied zijn. Ter vergelijking; goud, een zeer zwaar metaal, heeft maar één stabiele isotoop: goud-197. Het kost dus netto energie om nikkel-62 in welke andere atoomkern dan ook te veranderen. Aan de andere kant: slechts drie procent van alle nikkel bestaat uit nikkel-62. Als je net als de onderzoekers beweren te doen, gebruikt maakt van natuurlijk nikkel, dan zal je het meeste te maken hebben met de isotopen nikkel-58 (68%) en nikkel-60 (26%). De overige twee stabiele isotopen, nikkel-59 en nikkel-64, maken elk ongeveer een procent uit van alle nikkel.

Hoe werkt het proces?

Rossi en Focardi beweren dat bij het proces waterstofgas (dat uit twee waterstofatomen bestaat)  onder zeer hoge druk (2-80 atmosfeer) en temperatuur in nanodeeltjes nikkel wordt geperst. Op de een of andere manier zou het waterstof uiteenvallen in losse atomen, die zoals bekend uit een enkel proton, waaromheen een enkel elektron hangt, bestaan. De protonen reageren met de nikkelkernen waardoor energie vrijkomt en uiteindelijk koper ontstaat. Volgens de twee onderzoekers stopt de reactie als het nikkel “uitgeput” raakt, wat het geval zou zijn terwijl het grootste deel van het nikkel nog aanwezig is. Dit zou er op wijzen dat vermoedelijk nikkel-59, nikkel-64 of nikkel-62 betrokken zijn bij de reactie.

Koper kent twee stabiele isotopen: koper-63 en koper-65. Koper volgt op nikkel in het periodieke systeem. Het heeft een proton meer in de kern dan nikkel. Als nikkel een proton absorbeert (en niet uiteenvalt), verandert het dus in koper.

Energetische overwegingen
Als we ervan uitgaan dat de kernreactie vrij eenvoudig is en alleen het absorberen van een proton omvat, zijn er twee mogelijke reactiepaden: ⁶²Ni + p -> ⁶³Cu of ⁶⁴Ni + p ->⁶⁵Cu. Dit zijn de enige twee reactiepaden waarbij door het opnemen van een proton, een stabiele vorm van nikkel in een stabiele vorm van koper verandert. De vraag is uiteraard of dat energie oplevert. Hiervoor moeten we de massa’s van de betrokken isotopen vergelijken. Massa is immers equivalent aan energie; als (bijvoorbeeld) nikkel-62 en een proton samen meer wegen dan koper-63, dan hebben we een proces dat energie oplevert.

Geen paniek, waarde lezer. De berekening is van lagere-school gehalte. NB: de atoomkernmassa’s worden hier uitgedrukt in daltons (een twaalfde van de massa van een koolstof-12 kern; een proton is 1.007282675 dalton). Een positief massaverschil betekent dat er massa verdwenen is, oftewel energie vrijgekomen is.

Nikkelisotoop	Atoomgewicht Ni-isotoop	Inclusief proton	Koperisotoop	Atoomgewicht Cu-isotoop	Massaverschil: Ni-Cu
nikkel-62	61,928345	62,935628	koper-63	62,929597	0,006031
nikkel-64	63,927966	64,935249	koper-65	64,927789	0,007460

De conclusie: als deze reactie optreedt komt er inderdaad energie vrij, omgerekend 5,6 tot acht miljoen elektronvolt. Dat is naar nucleaire begrippen niet erg veel. Ter vergelijking: als een uranium-235 atoom splijt, komt er 211 MeV vrij, dat is 25 tot 30 maal zoveel. Aan de andere kant: het gaat hier wel om een proces waarbij slechts minieme hoeveelheden straling vrijkomen, laat staan neutronen (die stabiele atoomkernen radioactief kunnen maken) en allerlei akelige radioactieve isotopen. Daarvoor is de hoeveelheid energie die vrijkomt domweg te klein. Als dit toestel werkt, met de nadruk op als, dan kan er dus inderdaad in iedere huiskamer een veilige kernreactor worden geplaatst. Een aantal heren met aandeeltjes in kolenmijnen of oliebronnen zullen dan heel hard vloeken. Er is ook geen fundamenteel fysische reden waarom dit niet zo kunnen werken.

Technische overwegingen
Het voornaamste probleem bij kernfusie, ook bij deze vorm, is om twee positief geladen deeltjes bij elkaar te brengen zonder dat ze elkaar afstoten of zo hard botsen dat ze weerkaatsen zonder dat er een kernreactie plaats kan vinden. Daarom is de temperatuur in de kernen van sterren of in de experimentele fusiereactoren JET en ITER ook zo hoog. In dit geval gaat om het positief geladen proton en positief geladen nikkel. Om de elektrostatische afstoting tussen beide deeltjes te overwinnen, moet het proton een energie hebben van ongeveer een kwart MeV. Dit vereist gewoonlijk een temperatuur van tientallen miljoenen graden, zoals in het binnenste van sterren. Geen wonder dat kernfysici dus “onmogelijk” roepen.

Aan de andere kant heeft een nikkelkern een aantal zeer aantrekkelijke eigenschappen. Een massieve nikkelkern kan een veel breder energiespectrum absorberen dan een kleine kern als waterstof-2 (deuterium) of boor. Dit maakt kernfusie juist makkelijker: het proton hoeft niet exact de juiste snelheid te hebben. Ook is een nikkelkern ongeveer vijftien keer zo makkelijk te raken als een waterstof- of deuteriumkern (grotere nucleaire dwarsdoorsnede).

Koude-kernfusie experimenten worden gewoonlijk uitgevoerd met metalen die waterstof absorberen. Met andere woorden: dat nikkelatomen kunnen degenereren als er heel veel waterstof in wordt geperst. Bij extreem hoge druk kunnen er inderdaad tot enige massaprocenten waterstof in bepaalde metalen als palladium worden geperst. Ook bij nikkel is dit mogelijk. Focardi en Rossi gaan inderdaad uit van het zeer kortstondig bestaan van extreem instabiele zogeheten mini-atomen van waterstof, waarbij de elektronen veel dichter op het proton zitten. Deze atomen zouden ongeveer een 10^-18 seconden bestaan. Kort, maar ongeveer 100 maal zo lang als kernreacties duren[2].

Hiermee zou inderdaad de Coulomb-afstoting worden overwonnen en kernfusie mogelijk zijn. Aan de andere kant: Bewijzen van dit soort atomen zijn nog nooit waargenomen. Experimenten moeten uitwijzen of dit klopt. Ook is prof. Christos Stremmenos, de schrijver van dit artikel, verantwoordelijk voor het naar Griekenland halen van deze vorm van koude kernfusie. Belangeloos is hij dus niet. Aan de andere kant: als ex-ambassadeur en professor heeft hij een reputatie te verliezen. En als de armlastige Grieken op dit moment Iets kunnen gebruiken is dat wel een bron van overvloedige bijna gratis energie…

Helaas is het laatste nieuws dat de proefopstelling vermoedelijk niet werkt.
Er rijzen ook sterke twijfels aan de geloofwaardigheid van Rossi, omdat zijn claims niet blijken te kloppen en hij, in tegenstelling tot eerdere beweringen, hij toch vooruitbetaling eist.

Bronnen:

1. George Marx, Life in the Nuclear Valley, Phys. Ed (2001)
2. Stremmenos. C., Hydrogen/Nickel cold fusion probable mechanism, Journal of Nuclear Physics (2011)
3. Italian scientists claim to have demonstrated cold fusion, physorg.com (2011)