Об истории LENR. Часть 2. Флейшман и Понс.

[fearen-log]

Продолжая цикл записей о LERN я хотел бы рассказать не только о твердых результатах, но и об ошибочных. В этот раз я сильно забегу вперед по временной линии и расскажу об эксперименте ещё одной американской группы - Мартина Флейшмана и Стенли Понса. Их работа считается спорной даже среди приверженцев направления и я объясню почему. Тем не менее их работа вызвала некоторый резонанс, интерес к такому направлению как "твердотельный синтез" или "ядерные реакции внутри твердого тела" (Condensed Matter Nuclear Science, что по сути лишь другое название для LENR). Более того, эта работа стала началом для одной из основных систем по генерации избыточного тепла, о которых я расскажу позже.
Для разбора любой научной работы я для себя вывел некоторую систему: Гипотеза, Описание эксперимента, Постановка проверочного эксперимента, Результаты. В таком ключе я и постараюсь разобрать работы которые буду описывать.
В чем же состояла гипотеза этой американской группы?

Здесь мне немного сложно будет популярно объяснить, но тем не менее я постараюсь и начну издалека, по сути нужно объяснить кратко курс физики твердого тела. Итак как мы с вами помним из предыдущего поста водород хорошо растворяется в металлах. Что это означает и как это выглядит? Давайте разберемся чем же металлы отличаются от других веществ? Как вы наверное знаете металлы образуют кристаллическую решетку, что по сути фиксирует положение каждого атома относительно других, конечно в некотором пределе они могут колебаться, но по сравнению с другими веществами эти колебания незначительны. Так как химические связи - это по сути обобщение орбит электронов между несколькими атомами, к кристаллах атомы объединяются так, что орбита электронов обобществляется так, что электроны могут свободно путешествовать по всему объему кристалла (что кстати формирует электрическую проводимость веществ, но к делу это не относится). Кроме того, как вы тоже наверное знаете, атом на 99,9999% состоит из пустоты, то есть весь объем атома формируется размерами электронной оболочки. Следовательно есть некоторое пространство, которое, при преодолении некоторого сопротивления электронных оболочек атомов составляющих кристалл, можно в принципе заполнить "небольшими" атомами. Логично, что атом с наименьшей электронной оболочкой будет как бы "менее объемным", в этом плане водород представляется самым маленьким из всех. Вот так, сильно утрируя, можно представить себе процесс растворения водорода в металлах. Палладий же в силу своей кристаллической структуры (кубическая, гранецентрированная, то есть условно говоря плотные стенки и достаточно полый центр) позволяет набивать себя водородом значительно легче, чем другие металлы.
Теперь давайте разбираться в чем же состоит отличие дейтерия от водорода. Сразу поясню, дейтерий - это всего лишь особое название для изотопа водорода и можно было бы его называть как и любой другой изотоп в формате: водород-два. Однако для изотопов водорода придумали отдельные названия, так сложилось исторически. Так например водород-три называется тритий. В чем разница между изотопами? По сути название атома - это его фамилия, а имя - это его изотопы. Фамилия определяется числом протонов в ядре, или зарядом ядра, что в общем-то одно и то же. Имя же определяется числом нейтронов в ядре, которое может варьироваться, но на заряд, а следовательно и на электронную оболочку атома влиять не будет. Так водород - это ядро из одного протона, а чтобы скомпенсировать его заряд вокруг него вращается один электрон. Ядро дейтерия состоит из одного протона и одного нейтрона, но так как заряд ядра всё равно равен единице, то вокруг всё равно вращается один электрон. Тритий соответственно имеет 2 нейтрона и один протон. В принципе никто не мешает при должном старании напихать ещё нейтронов в ядро, однако в таком случае ядро становится неустойчивым (не буду вдаваться в подробности, тем более что мне необходимо ещё поработать над этой темой) и переходит в состояние с наименьшей энергией (вообще всё в природе сводится к "как бы так усесться, чтобы энергии тратить поменьше" то есть к лени :gigi выбрасывая лишние нейтроны или претерпевая бета-распад (о котором как-нибудь в другой раз). В случае последнего атом кроме всего прочего ещё и фамилию меняет.
Ещё одним необходимым знанием для понимания последующих (и возможно того что я писал раньше, не помню) постов является тот факт, что большинство химических элементов в природе представляют собой на самом деле смесь разных изотопов этого элемента. Так например олово (кажется рекордсмен по количеству стабильных изотопов) представляет собой смесь из 10 различных изотопов. Встречаются и элементы, которые представлены всего лишь одним изотопом, например золото. Соотношение изотопов всегда остаётся одинаковым, если их конечно специально не разделять, однако это весьма сложный и дорогостоящий процесс. Вопросы о том, почему изотопы химических элементов находятся в тех или иных соотношениях, а также откуда они взялись, ведь никакие цепочки распада тяжелых элементов не дают на выходе этих изотопов, остаются открытыми и пока никак не объясняются. В последних частях этого цикла, обсуждая уже соображения моего наставника, я вернусь к этим вопросам, хотя ответов конечно же до сих пор нет (иначе бы это была нобелевка )
Так как все химические процессы обусловлены исключительно электронной оболочкой атомов, то в химических процессах нет никакой разницы между изотопами и следовательно никакие химические процессы не разделят изотопы и никаким образом не повлияют на их соотношение между собой.
Теперь я сделаю ещё одно пояснение, необходимое для понимания эксперимента. Теперь надо разобраться почему же реакции синтеза ядер более тяжелых элементов из легких не происходят сами по себе. Тут всё довольно просто, как я уже писал выше ядро имеет заряд, и когда оно экранировано электронами, то с точки зрения стороннего наблюдателя атом - нейтрален. Соответственно атомы могут "сталкиваться" и вообще всячески взаимодействовать между собой. Однако, объединение электронной оболочки не меняет сути атомов, для синтеза требуется чтобы и их ядра объединились. Когда ядра сближаются ближе чем радиус их электронной оболочки (отдельный вопрос ещё как их так сблизить, ведь электронные оболочки имеют одноименный заряд), то эффекта экранирования уже быть не может, электроны находятся где-то там, за пределами двух ядер, и вот тут они начинают "чувствовать" заряд друг друга. Как мы все помним, заряженные частицы с одинаковым знаком расталкиваются. Более того, сила расталкивания - кулоновская сила, пропорциональна квадрату расстояния между заряженными частицами. Правда кулоновская сила не единственная действующая на нуклоны (частицы ядра, протоны и нейтроны), есть ещё ядерные силы, отвечающие за взаимодействие между нуклонами, которые связывают нуклоны в ядро. Однако ядерные силы убывают с расстоянием значительно быстрее чем кулоновские. В итоге чтобы два ядра сблизились на расстояние при котором ядерные силы будут больше кулоновских (порядка 1 фемтометра или 1*10^-15 м, что чуть больше радиуса протона) требуется довольно прилично энергии.
Однако это более или менее классическая физика, и в таком виде процесс синтеза был бы вообще очень труден, однако с открытием квантовой физики нашёлся один забавный эффект, который называется туннелирование. Опять же, если не уходить глубоко в дебри, то скажу так, на самом деле все элементарные частички даже по одиночке подчиняются законам статистики. Что это даёт? А даёт это некоторую неопределенность в положении в пространстве, вероятность нахождения частицы в том или ином месте (закон неопределенности Гейзенберга), при чем чем больше скорость тем больше неопределенность в положении в пространстве (что в принципе довольно логично). Так вот даже самая медленная (или холодная, что синонимы) частица имеет небольшой шанс проскочить сквозь барьер, то есть проделать эдакий "туннель" и оказаться по ту сторону. Соответственно с ростом температуры (или скорости) вероятность этого эффекта растет.

Вернёмся к гипотезе Флейшмана и Понса. По их мнению, если растворить водород, а точнее дейтерий в палладии, то он свалившись в центр кристаллической решетки (в силу симметрии этой решетки), будет находиться при таком высоком давлении, сжимаемый теми самыми кулоновскими силами ядер палладия находящихся вокруг, что электронная оболочка атомов дейтерия обобществится и они будут находиться в некоем подобии металлического состояния, электроны блуждают свободно между всеми атомами и проводят больше времени "снаружи" кластера атомов, а не между ядрами, что несколько уменьшает ширину кулоновского барьера, что в свою очередь увеличивает вероятность туннелирования сквозь него. Кроме того, по некоторым косвенным признакам они показали, что атомы дейтерия внутри палладиевой кристаллической решетки довольно подвижны, то есть вероятность ещё увеличивается. Из всего этого следует, что вероятность реакции дейтерий-дейтерий (D-D) возрастает.

Ещё одно небольшое отступление. Почему собственно дейтерий-дейтерий? Почему не водород? Тут всё довольно просто. Всё дело в строении ядра. Если взять два ядра водорода и соединить их получится конечно гелий (просто по количеству протонов), но у такого ядра будет явный недостаток нейтронов, из-за чего оно не сможет просуществовать сколько-нибудь длительное время. Условно говоря он не приводит к минимуму энергии, а значит невыгоден. Но вообще по некоторым законам ядерной физики такой процесс просто запрещен. Теперь возьмем ядра дейтерия, там уже есть протон и нейтрон, соединим и получим нормальный гелий, 2 протона, 2 нейтрона. Правда опять же, такой процесс в обычных условиях довольно маловероятен. Чаще при соединении дейтерия с дейтерием происходит синтез либо трития и опосредованно гамма-кванта с высокой энергией (или скоростью, просто напоминаю), либо гелия-3 с нейтроном. В итоге так как это наиболее вероятные события, то признаком таких реакций являются либо гамма-, либо нейтронное излучение.

Перейдём к описанию эксперимента. Тут всё довольно просто. Дейтерировали фольгу (толщина 0,2 см, 8 на 8 см), слитки (куб 1 на 1 на 1 см) и стержни (длина – 10 см, диаметр – 0,1, 0,2, 0,4 см) палладия с помощью электролиза в растворе 0,1 моль LiOD (и на мой взгляд это довольно важно, хотя, как мне показалось никто не обращает на это внимание) и 99,5% D2O (тяжелая вода, остальные 0,5% – H2O). При электролизе тяжелой воды она распадается соответственно на дейтерий (D2) и кислород (O2 соответственно). В связи с тем, что реакция проходит на палладиевом катоде дейтерий довольно хорошо набивается в него и там задерживается. Ну а дальше они просто мерили температуру установки и, зная подаваемую мощность, обнаружили что излучаемая в виде тепла энергия превышает затраченную. Естественно это не новый perpetuum mobie, и избыточное тепло должно быть связано с ядерными реакциями в палладии. Так как они ожидали D-D реакций, то стали мерить поток гамма- и нейтронного излучения. Калибровали (а куда же без калибровок измерительных приборов?) нейтронный детектор по фону над аналогичной установкой сделанной из тех же материалов и находящейся в 50 метрах от основной установки.
Какие результаты они получили в ходе эксперимента? Во-первых было выяснено, что избыточное тепло пропорционально объему палладиевых электродов и плотности тока, что в принципе логично и сходится с гипотезой о протекании реакций в объеме палладия. По утверждению авторов за 120 часов эксперимента выделилось 3 МДж тепла. С чем это сравнить? Почему это не может быть связано с какими-нибудь химичекими процессами? Скажу сразу, приблизительная оценка (и в принципе это может повторить каждый) энергии выделившейся за счет химических реакций, пусть даже все атомы палладия прореагирует с таким же количеством атомов дейтерия, кислорода или водорода, с энергией в 10 эВ на реакцию (что в 3 раза выше, чем энергия выделяющаяся при горении водорода, хотя это одна из самых сильных химических реакций), то получатся порядка сотни кДж, что на порядок меньше чем требуется для объяснения результата эксперимента. В последующих постах мы будем возвращаться к этой оценке, однако там эта энергия будет ещё меньше, так как в этом опыте просто довольно большой объем рабочего тела. Тем не менее, если сравнивать такой источник энергии с любыми другими современными источниками, типа аккамуляторов и топлива, то последние будут отставать по плотности запасенной энергии на порядки. Это заставляет рассматривать эксперимент в качестве нового источника энергии.
Ещё одним заявленным результатом авторов является утверждение о регистрации большого потока нейтронов. Если мне не изменяет память, то порядка 10^5 нейтронов в... секунду? минуту? в течение всего эксперимента? К сожалению я либо подзабыл уже, либо в тех статьях что я видел не очень четко об этом сообщается. Тем не менее даже если такой поток нейтронов был зарегистрирован в течении всего эксперимента, результат является весьма сомнительным. Что опять же требует некоторого пояснения. Дело в том, что детектор нейтронов - это довольно небольшой прибор, который регистрирует только те нейтроны, которые случайно попадают в него, то есть он покрывает лишь небольшой процент всей сферы вокруг источника нейтронов. Соответственно, так как у нейтронов нет предпочтительного направления куда бы они вылетали, то полный поток нейтронов много больше чем регистрируемый на детекторе. Так как человек по своему объему больше детектора то и дозу он получит большую, нежели регистрируемый поток. В общем суть в том, что при регистрируемом потоке нейтронов, авторы не смогли бы написать свои статьи по причине своей скорой смерти. Вывод сделан не мной, а знающими дозиметристами, которые ознакомились со статьями. Позже мы рассмотрим как на нейтронном детекторе регистрируются ложные сигналы, которые не являются нейтронами, возможно именно это регистрировали американские ученые.
Работа получила огромное количество вполне обоснованной критики, особенно касательно последнего факта. Кроме того, после такого громкого заявления, работу авторов решили повторить в ЦЕРНе. Однако никакого результата получить не удалось, что лишь добавило негатива и подозрений в достоверности эксперимента.
Не смотря на всё это, работа дала движение направлению о котором я говорил в самом начале, и теперь очень много групп работают с палладий-дейтериевыми установками, проводят очень аккуратные и хорошие эксперименты и получают интересные результаты. Об одной из таких групп я расскажу в следующем посте.