Kernfusion auf dem Labortisch

Ein pyroelektrischer Kristall lässt Deuteriumkerne verschmelzen.

Der Wunschtraum von der Kernfusion auf dem Labortisch war bisher unerfüllt geblieben. Weder durch Katalyse bei Zimmertemperatur („Cold Fusion“) noch durch Sonolumineszenz bei einigen Tausend Grad Celsius ließen sich Deuteriumkerne miteinander verschmelzen. Bei keinem dieser Experimente entstanden Neutronen mit einer Energie von ca. 2,5 MeV, wie sie für die Deuteriumfusion charakteristisch sind. Doch jetzt scheint der Traum der Fusionsforscher in Erfüllung gegangen zu sein: Wissenschaftler der University of California in Los Angeles haben mit einem verblüffend einfachen Gerät Deuteriumkerne verschmolzen. Zwar kann das Gerät die Fusionsenergie nicht nutzen, doch eine handliche Neutronenquelle ist es allemal.

Um die Deuteriumatome zu ionisieren und anschließend die Atomkerne auf eine für die Kernfusion benötige Geschwindigkeit zu beschleunigen, benutzten Brian Naranjo und seine Kollegen eine ungewöhnliche Spannungsquelle: einen pyroelektrischen Kristall. Solch ein Kristall trägt ein elektrisches Dipolmoment, das normalerweise durch Verunreinigungen der Kristalloberfläche kaschiert wird. Erwärmt man den Kristall, dann ändert sich sein Dipolmoment und macht sich durch das Auftreten von positiven und negativen Landungen an den Kristalloberflächen bemerkbar.

In ihrem Experiment benutzten die Forscher einen pyroelektrischen LiTaO ₃-Kristallzylinder, der eine Höhe von 1 cm und einen Durchmesser von 3 cm hatte. Er war mit seiner „negativen“ Grundfläche geerdet und auf einem Hohlzylinder aus Kupfer befestigt, der sich mit flüssigem Stickstoff kühlen und mit einer elektrischen Heizung erwärmen ließ. Auf der gegenüberliegenden „positiven“ Grundfläche des Kristalls war eine Kupferscheibe angebracht, auf der eine Wolframspitze saß. Kristall und Spitze befanden sich in einem mit Deuteriumgas gefüllten Behälter.

Die experimentelle Apparatur zur Kernfusion ist vergleichsweise klein und überschaubar. (Quelle: Naranjo)

Zunächst wurde der Kristall auf eine Temperatur von -33 °C gekühlt und dann innerhalb von etwa drei Minuten auf 7 °C erwärmt. Dabei baute sich eine elektrische Spannung zwischen den beiden Grundflächen des Kristalls auf, die mehr als 100 kV erreichte. An der positiv geladenen Wolframspitze traten elektrische Feldstärken von über 25 V/nm auf, die zur Feldionisation von Deuteriumatomen führten. Die Deuteriumkerne wurden dann von der Wolframspitze abgestoßen und zu einem 10 cm entfernten deuteriumhaltigen Target hin beschleunigt, das auf einer Spannung von 40 V lag. Ein geerdetes Kupfernetz zwischen dem Target und der Wolframspitze verhinderte, dass Elektronen vom Target zur positiv geladenen Spitze gelangen konnten und die Beschleunigungsspannung vorzeitig zusammenbrach.

Beim Aufprall der Deuteriumkerne auf das deuteriumhaltige Target kam es dort zu einzelnen Kernverschmelzungen. Dabei entstanden Neutronen und Helium-3-Kerne, und darüber hinaus auch Elektronen und Röntgenstrahlen. Mit verschiedenen Detektoren maßen die Forscher die Intensität und die Energie der entstandenen Röntgen- und Neutronenstrahlung. Dabei gewannen sie folgendes Bild von den Ereignissen. Nachdem der pyroelektrische Kristall etwa eineinhalb Minuten lang erwärmt worden war, begann die Feldionisation. Wenige Sekunden später setzte merkliche Neutronenstrahlung ein, die schnell zunahm. Es entstanden bis zu 800 Neutronen pro Sekunde (mehr als 400mal soviel wie der Strahlungshintergrund), deren Energie tatsächlich bei 2,5 MeV lag.

Nach einigen Minuten schalteten die Forscher die Heizung des Kristalls aus. Zunächst wurden die Deuteriumatome noch weiterhin an der Wolframspitze feldionisiert. Doch die dabei freiwerdenden Elektronen sammelten sich auf der positiven Grundfläche des Kristalls, dessen Polarisation daraufhin ebenso abnahm wie die Beschleunigungspannung. Schließlich gingen auch die Kernfusion und die Neutronenproduktion zurück. Nach etwa sechseinhalb Minuten entlud sich der Kristall durch einen Funkenüberschlag und das Fusionsexperiment war beendet.

Die Forscher glauben, dass sie mit einer größeren Wolframspitze oder einer Anordnung von mehreren Spitzen die Feldionisation beträchtlich verstärken können. Sie hoffen, dadurch etwa eine Million Neutronen pro Sekunde erzeugen zu können. Soviel schaffen auch kommerzielle Neutronenquellen, die allerdings technisch wesentlich aufwendiger sind. Doch schon jetzt eignet sich die pyroelektrische Neutronenquelle für Laboruntersuchungen und für Demonstrationsexperimente. Ob sich mit ihr vielleicht einmal Miniaturraumschiffe antreiben lassen, wie die Forscher spekulieren, wird die weitere Entwicklung zeigen.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  B. Naranjo, J. K. Gimzewski & S. Putterman, Observation of nuclear fusion driven by a pyroelectric crystal, Nature 434, 1115 (2005).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature03575
• Pyroelektrische Röntgenquellen, die man kaufen kann:
  http://www.amptek.com/coolx.html
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema Fusion finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Kernphysik.

Weitere Literatur:

• B. Naranjo and S. Putterman: Search for Fusion from Energy Focusing Phenomena in Ferroelectric Crystals. (Preprint 2002)
  http://www.physics.ucla.edu/~naranjo/ucei/ucei.pdf
• Stephen M. Shafroth and James D. Brownridge: Pyroelectric Crystals such as LiNbO ₃ and LiTaO ₃ in Dilute Gases: Phenomenology and Applications. (Preprint 2004)
  http://www.binghamton.edu/physics/Brownridge%20Summary.pdf
• Jeffrey A. Geuther and Yaron Danon: Electron and positive ion acceleration with pyroelectric crystals. J. Appl. Phys. 97, 074109 (2005).
  http://www.rpi.edu/~danony/Papers/...crystals.pdf