1. Was ist die (kalte) Kernfusion?

Normalerweise stoßen sich Atomkerne auf Grund ihrer positiven Ladung stark ab. Unter bestimmten Umständen verringert sich ihr Abstand jedoch so sehr, dass sie verschmelzen: Es kommt zu einer Kernfusion, und ein neues Element entsteht. Ist das Endprodukt leichter als die beiden ursprünglichen Kerne zusammen, wird Energie frei und man spricht man von einer exothermen Reaktion. Diese Reaktionen treten nur bei der Verschmelzung von relativ leichten Kernen auf (Eisen ist das schwerste Element, das durch eine exotherme Kernfusion entstehen kann.). Besonders viel Energie wird frei, wenn sich Wasserstoffkerne verbinden. Die "fehlende" Masse wandelt sich in Bewegungsenergie der Reaktionsprodukte und in Strahlungsenergie um. Die bislang bekannten exothermen Kernfusionen laufen nur bei extremer Hitze ab – etwa im Inneren der Sonne. Hier kommen sich bei Temperaturen um zehn Millionen Grad Celsius und einem Druck von 200 Milliarden Bar Wasserstoffkerne so nah, dass sie zu Kernen von Heliumatomen verschmelzen. Solche Bedingungen sind auf der Erde nicht realisierbar. Fusionsreaktoren, die Energie produzieren, könnten aber dennoch funktionieren: Schwere Wasserstoffisotope (Deuterium/Tritium) verschmelzen schon bei einem geringen Druck von einigen Bar – allerdings erst bei 100 Millionen Grad Celsius. Solche extremen Temperaturen werden etwa in einem Wasserstoffplasma erreicht; diese aber dauerhaft aufrechtzuerhalten, ist den bisherigen Forschungsprojekten noch nicht gelungen. Bei der Explosion einer Wasserstoffbombe entsteht diese hohe Temperatur mit Hilfe von Kernspaltung und setzt damit den Fusionsprozess in Gang.

Um die Kernfusion tatsächlich als Energiequelle zu nutzen, wäre es vorteilhaft, wenn sie auch bei niedriger Umgebungstemperatur ablaufen könnte. Theoretisch ist nicht ausgeschlossen, dass es eine solche exotherme Kernfusion bei Raumtemperatur geben könnte – doch sie ist experimentell bislang nicht beobachtet. Heutzutage wird vermehrt auch der englische Begriff "low energy nuclear reactions" (LENR) benutzt, weil möglicherweise eine kalte Kernfusion im klassischen Sinn nicht existiert. Wie kalte Fusionen oder zumindest niedrigenergetische Kernreaktionen dennoch funktionieren könnten, lesen Sie unter Punkt 3 und 4.

Kernfusion
© Spektrum der Wissenschaft / Janosch Deeg
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernKernfusion
Schwere Wasserstoffkerne (Deuterium und Tritium) verschmelzen zu einem Heliumkern. Ein Neutron und Energie wird frei.

2. Wie kam es zum Begriff der kalten Fusion?

Im Jahr 1926 berichteten die Chemiker Fritz Paneth und Kurt Peters erstmals von der erfolgreichen Umwandlung von Wasserstoff zu Helium bei Umgebungstemperatur. Ein Jahr später revidierten sie diese Aussage wieder. 22 Jahre später prognostizierte der russische Physiker Andrei Sacharow, dass die mit den Elektronen verwandten Myonen einen kalten Fusionsprozess einleiten könnten. Sie würden quasi als Katalysator wirken, so dass eine hohe Temperatur überflüssig wäre. Der Begriff der kalten Fusion war geboren. Bekräftigt wurde diese Annahme 1956 durch den Physik-Nobelpreisträger Luis Alvarez. Anhand seiner Beobachtungen in einem Teilchendetektor vermutete er, dass eine durch Myonen induzierte Kernfusion stattgefunden haben müsste.

1989 berichteten die beiden Chemiker Martin Fleischmann und Stanley Pons auf einer Pressekonferenz der University of Utah von einem Fusionsprozess, der bei Zimmertemperatur im Reagenzglas abgelaufen sei. Die Presse war begeistert und maßgeblich daran beteiligt, dass der Begriff der kalten Fusion eine Auferstehung feierte. Die beiden Forscher wollen damals beobachtet haben, wie schwere Wasserstoffisotope während der Elektrolyse an der Oberfläche einer Palladiumkathode zu Helium fusionierten. Im Folgenden sahen die beiden Wissenschaftler sich jedoch massiver Kritik ausgesetzt. Kollegen warfen ihnen grobe Fehler in ihrer Versuchsdurchführung bis hin zur absichtlichen Täuschung vor. Während heutzutage die Mehrheit der Experten der kalten Fusion sehr kritisch gegenübersteht, wenn nicht gar ihre Existenz bezweifelt, gibt es dennoch eine wachsende Forschergemeinde, die immer wieder neue Ansätze und gar angeblich funktionierende Prototypen für die kalte Kernreaktionen liefert. Mehr dazu lesen Sie unter Punkt 3 und 4.

3. Wie könnte die kalte Fusion funktionieren?

Damit Atomkerne bei niedriger Umgebungstemperatur verschmelzen, müssen andere Mechanismen als hohe Temperaturen die Kerne sehr nahe zusammenbringen. Die Theorie der myoneninduzierten Kernfusion war die erste, die den Begriff der kalten Fusion benutzte: Ein Myon ist in der Lage, ein Elektron aus dessen Umlaufbahn zu verdrängen und selbst um den Atomkern zu kreisen. Passiert das in einem Molekül aus den Wasserstoffisotopen Tritium und Deuterium, dann sind die beiden Atomkerne ungefähr 200-mal näher zusammen. Denn das Myon schirmt die positive Ladung der Kerne deutlich besser ab als das ursprüngliche Elektron und verringert so deren Abstoßung. Jetzt kann es vergleichsweise leicht zur Kernverschmelzung kommen – so die Theorie. Für die Energiegewinnung würde die Methode indes nicht taugen: Die erzeugte Fusionsenergie wäre kleiner als diejenige, die zur Herstellung eines neuen Myons nötig wäre.

Die wohl bekannteste Methode stammt von Pons und Fleischmann. Die beiden Forscher vermuteten, dass schwere Wasserstoffkerne (Deuteriumkerne) dermaßen stark in ein Gitter aus Palladiumatomen gezogen werden können, dass sie ihre Abstoßungskraft überwinden und fusionieren. Die Beobachtungen der beiden Chemiker konnten jedoch von der Mehrheit der Forscher, die die Experimente zu reproduzieren versuchten, nicht bestätigt werden. Dennoch gibt es auch heutzutage renommierte Wissenschaftler, darunter der Physikprofessor Robert Duncan der University of Missouri und Michael McKubre, der Direktor des Stanford Research Institute (SRI), die behaupten, dass diese Methode tatsächlich überschüssige Wärme generiere. Für diese Wärme gäbe es noch keine herkömmliche elektrochemische Erklärung. Die Forscher vermuten, dass eine Art langsame Kernreaktion stattfindet, die keine oder zumindest wenig Gammastrahlung produziert. Die Zweifel an ihren Behauptungen sind groß, unter anderem weil es bislang keine ausreichend überprüfte Theorie gibt, wie Kerne fusionieren, ohne dass energiereiche Strahlung auftritt. 2005 präsentierten Forscher um Seth Putterman eine Methode namens Pyrofusion. Sie ionisierten Deuteriumatome und beschleunigten sie mit Hilfe eines speziellen Kristalls angeblich dermaßen, dass sie bei Kollisionen verschmolzen. Als starkes Indiz für das Auftreten von Kernfusionen werten sie die gemessene Neutronenstrahlung. Ein Beweis für eine erfolgreiche exotherme Kernfusion bei niedrigen Temperaturen liegt bis dato aber nicht vor.

4. Wie steht es heute um die kalte Fusion?

Nachdem zahlreiche unabhängige Forscher daran scheiterten, die Ergebnisse von Pons und Fleischmann zu reproduzieren, legten sie die kalte Fusion ad acta, bezeichneten sie gar als unbrauchbare oder pathologische Wissenschaft. Seit einiger Zeit wird der kalten Fusion wieder mehr Beachtung geschenkt, wie etwa aus einem Bericht des amerikanischen Verteidigungsnachrichtendienstes DIA von 2009 hervorgeht. Forscher, die sich heutzutage mit diesem Phänomen beschäftigen, sprechen jedoch mehrheitlich von LENR. Dieser Begriff löst erstens keine negativen Assoziationen hervor, viel wichtiger aber ist, dass die beobachteten Phänomene sehr wahrscheinlich gar keine Kernfusionen im herkömmlichen Sinn sind. Der Begriff der "kalten Fusion" wäre deshalb irreführend.

LENR wurde von den Physikern Allan Widom und Lewis Larsen geprägt. Ihre Theorie versucht die von Larsen selbst und einigen anderen Forschern beobachtete und nicht erklärbare Wärmeentwicklung als auch die Umwandlung von Metallen (Transmutationen) zu erklären. Diese Anomalien treten angeblich während kalter Fusionsexperimente – ähnlich zu denen von Pons und Fleischmann – auf. Die Basis ihrer Theorie bildet ein inverser Betazerfall: Ein Proton fängt ein Elektron ein und wird zum ungeladenen Neutron. Dieses kann nun problemlos von einem Kern eines Metallatoms absorbiert werden, da keine Abstoßung mehr auftritt. Es entstehen instabile Isotope, die wiederum zerfallen. Die Strahlung, die dabei auftritt, wird durch Wechselwirkungen im Material in Wärme umgewandelt. Ihre Theorie veröffentlichten sie 2006 in der Fachzeitschrift "European Physical Journal C", sie konnte jedoch bislang nicht verifiziert werden. Unklar ist etwa, woher die hohe benötigte Energie für diese Reaktion stammen soll. Darüber hinaus existieren zahlreiche weitere Modelle, die versuchen, die Anomalien zu erklären – jedoch keines, das ausreichend belegt wäre.

Das hindert den italienischen Erfinder und Geschäftsmann Andrea Rossi nicht daran, ein angeblich bereits funktionsfähiges Gerät zu präsentieren: Nickelatome sollen durch Aufnahme von Neutronen zu Kupfer umgewandelt werden. Dieser so genannte E-Cat wurde nun schon mehrmals von Wissenschaftlern Prüfungen unterzogen. Tatsächlich behauptete vor Kurzem ein Team um den theoretischen Physiker Hanno Essén und den Kernphysiker Bo Höistad, das Gerät produziere eine ungewöhnlich hohe Überschussenergie. Kritiker bemängeln jedoch, dass Versuche nie unabhängig oder methodisch gründlich genug waren. Zudem schweigt Rossi über die genaue Bauweise seines E-Cats, was eine ernste wissenschaftliche Analyse kaum möglich macht, und Rossi verliert so an Glaubwürdigkeit.

5. Wie sieht die Zukunft aus?

Die Zukunft der kalten Fusion beziehungsweise des LENR-Phänomens liegt im Ungewissen: Den Experimenten fehlt es oft an Reproduzierbarkeit, und viele Experten bestreiten nach wie vor, dass es die beobachteten Effekte überhaupt gibt. Falls diese Anomalien jedoch existieren, dann finden sehr wahrscheinlich keine Fusionsprozesse im herkömmlichen Sinn statt, sondern unbekannte Kernreaktionen. Zur Sensation taugt ein physikalischer Vorgang, bei welchem ungewöhnlich viel Energie frei wird, aber allemal. Denn er könnte in der Tat Energieprobleme lösen, was selbst Forscher der NASA dazu bewog, sich mit dem LENR-Phänomen zu beschäftigen. Ob die Indizien jedoch dauerhaft einer seriösen wissenschaftlichen Betrachtung standhalten und schließlich auch zur Energiegewinnung taugen, bleibt abzuwarten. Falls der Forschungszweig der kalten Fusion endgültig zur pathologischen Wissenschaft degeneriert, so hat sie aber vielleicht den Weg geebnet für die Erforschung von bislang nicht verstandenen Phänomenen.