Старый холодный ядерный синтез — новый источник энергии! Часть 2

Вторая из цикла статей на портале AsiaTimes, посвященного прорыву в исследованиях холодного ядерного синтеза, известного немецкого ученого и популяризатора науки Джонатана Тенненбаума «Холодный синтез 2: Япония побеждает с помощью систематического подхода» посвящена Японии и США — лидерам экспериментальных разработок этого стратегического направления современной физики.

* * *

Япония, которая без сомнения, сегодня является мировым лидером в области экспериментальных исследований в области холодного ядерного синтеза, представила наиболее убедительные доказательства его существования и воспроизводимости.

Япония во многом обязана своим лидирующим положением последовательной институциональной и производственной поддержке и систематическому, поэтапному подходу с упором на разработку передовых материалов для устройств холодного синтеза. Исследования в области холодного синтеза находятся на пересечении ядерной физики и материаловедения, и успехи Японии в области холодного синтеза были бы невозможны без сильной промышленной базы в области наноматериалов и нанотехнологий.

Начинания Японии в этом направлении увенчались успехом благодаря Акито Такахаши из Университета Осаки, известного своей работой по «горячему» синтезу и в других областях ядерной физики, который очень давно и активно участвует в поиске технологий холодного синтеза.

Прорыв в исследованиях был достигнут два года назад, после того как только завершился проект, спонсируемый Организацией по развитию новой энергетики и промышленных технологий (New Energy and Industrial Technology Development Organization — NEDO), одним из крупнейших государственных агентств, работающим под управлением Министерства экономики, торговли и промышленности Японии. В проекте участвовали Университет Кюсю, Университет Тохоку, Университет Нагоя, Nissan Motor и Technova (технологическая фирма, основным акционером которой является Toyota Motor).

Серия из 16 совместных экспериментов была направлена на выяснение природы «феномена аномального тепловыделения» в металлах, насыщенных водородом, и на последующее воспроизведение этих явлений. С этой целью совместные усилия участников проекта были сосредоточены на технологии, которую японские ученые довели до высокого уровня зрелости: наполнение газом специально подготовленных «наноструктурированных материалов».

БУДЬТЕ В КУРСЕ

• 12.11.20   НАСА выбирает средний путь между холодным и термоядерным синтезом
• 19.10.20   Старый холодный ядерный синтез — новый источник энергии! Часть 1

Стоит описать этот метод немного подробнее, чтобы читатель мог лучше понять, как технология получения энергии с помощью холодного синтеза может выглядеть в будущем. Насыщение газом — это альтернативный подход тому, который изначально был использован Мартином Флейшманом и Стенли Понсом. Образец металла помещается в закрытую камеру, которая затем заполняется под давлением газообразным водородом (или дейтерием), в результате чего часть водорода абсорбируется образцом. При правильном выборе материалов этот метод позволяет добиться высокого насыщения металлического образца ядрами водорода.

В соответствующих экспериментах в камере были установлены нагревательные элементы, так что эксперименты можно было проводить как при комнатной температуре, так и при температурах в диапазоне 100−450 °C.

Как свидетельствует почти тридцатилетний опыт, главный ключ к успеху заключается в выборе и подготовке материала образца. Наиболее важна кристаллическая структура металла в масштабе от микрона до нанометров — миллионных долей миллиметра.

Возникнут ли эффекты холодного синтеза и насколько они велики, зависит от точной геометрии кристаллической структуры образца, типа и плотности дефектов кристаллов и примесей, их положения в кристаллической решетке, характеристик поверхности и т.д.

В обычных промышленных металлах микроструктура и наноструктура могут очень сильно отличаться от партии к партии. «Палладий — это не палладий!» Нет двух одинаковых палладиевых стержней с одинаковой микроструктурой, каждый из них сохраняет в своей структуре память обо всем своем прошлом.

Это обстоятельство, включая неспособность достичь достаточно высокой плотности водорода в металлическом образце, в значительной степени объясняет, почему прошлые попытки воспроизведения результатов экспериментов по холодному синтезу так часто заканчивались неудачей.

Соответственно, японские ученые прикладывают большие усилия для «разработки» специальных материалов для холодного синтеза, используя методы производства, которые позволяют в высокой степени контролировать наноструктуру металлического образца.

В экспериментах по программе NEDO использовались металлические композиционные порошки, синтезированные из различных комбинаций элементов меди, никеля и палладия, в виде наночастиц, внедренных в более крупные (микрометровые) частицы циркония и оксида кремния.

В качестве демонстрации возможности воспроизводимости образцы порошка оксида палладия-никеля-циркония, взятые из одной партии продукции, были использованы в независимых параллельных испытаниях в лабораториях Университета Кобе и Университета Тохоку. Обе лаборатории наблюдали устойчивое избыточное тепло в течение более чем 10 дней. Данные двух лабораторий были качественно и количественно схожи.

Другие совместные эксперименты подтвердили непрерывное выделение избыточного тепла длительностью до месяца. Все 11 экспериментов с использованием специально приготовленных образцов из палладия-никеля-циркония и меди-никеля-циркония продемонстрировали чистое тепловыделение. Общее количество выделяемой энергии на атом было больше, чем в любой известной химической реакции, иногда в несколько сотен раз.

В ходе этих экспериментов японские исследователи подтвердили существование других явлений, о которых часто сообщают в экспериментах по холодному синтезу, таких как периодические выбросы энергии в виде резких всплесков.

Важным для будущего коммерческого применения технологии было подтверждение того, что сопоставимую, хотя и немного меньшую по количеству, энергию можно получить с использованием обычного водорода, а не дейтерия, производство которого намного дороже.

Результаты проекта NEDO не стали сюрпризом для тех, кто следил за японскими экспериментами по холодному синтезу. Эти эксперименты дали множество аналогичных или даже лучших в количественном отношении результатов за последние годы.

Другая глава исследований холодного синтеза в Японии касается перспектив использования технологий, связанных с холодным синтезом, для нейтрализации высокоактивных радиоактивных отходов атомных электростанций, включая Фукусиму. Основная идея была подсказана часто наблюдающимися трансмутациями химических элементов в экспериментах по холодному синтезу.

Примечание ИА REGNUM

В 2018 году в Южной Корее была проведена успешная государственная экспертиза российской технологии утилизации жидких радиоактивных отходов (точнее, биологической трансмутации радиоактивного изотопа цезия Cs¹³⁷ в стабильный изотоп бария Ba¹³⁸) с помощью синтрофных микробных ассоциаций. Технология разработана под руководством известного физика-ядерщика из МГУ им. М. В. Ломоносова Аллы Корниловой. Результаты экспертизы были опубликованы в февральском номере Journal of Condensed Matter Nuclear Scienceза 2019 год (см. Kyu-JinYum et al. «An Experiment in Reducing the Radioactivity of Radionuclide (137Cs) with Multi-component Microorganisms of 10 Strains»). В отличие от российских исследователей, корейские ученые разработали специальную ассоциацию из 10 устойчивых к радиации генетически модифицированных микроорганизмов. На конференции, которую в мае 2018 года провел председатель Комитета по новым технологиям, было упомянуто, что подобные работы параллельно проводятся в Японии с похожими результатами (см. «Как Росатом тихо отдаёт иностранцам многомиллиардный рынок»).

Более десяти лет компания Mitsubishi Heavy Industries (MHI) поддерживала исследования в этом направлении, и результате были опубликованы статьи, описывающие многообещающие результаты. Совсем недавно группа MHI, возглавляемая Ясухиро Ивамура, была переведена в новый Центр исследований ядерных реакция в конденсированных средах при Университете Тохоку.

Google включается в игру

В то время как японцы незаметно и неторопливо развивают свои исследования в направлении коммерческого применения холодного синтеза, самые сенсационные новости об этой технологии пришли из Америки.

27 мая 2019 года самый престижный в мире научный журнал Nature опубликовал подробную исследовательскую статью по холодному синтезу, написанную учеными из Массачусетского технологического института (MIT), Университета Мэриленда, Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, Университета Британской Колумбии, Канадского института перспективных исследований и Google Inc.

Для Nature сенсацией стал сам факт публикации об исследовании, касающемся якобы дискредитированной области исследований, но присутствие представителя Google в списке авторов гарантировало ещё большее удивление. Кроме того, публикация посылала другой важный сигнал — исследование, о котором рассказывалось в статье, спонсировалось Google при одновременной финансовой поддержке государственных фондов и научных центров США и Канады.

В статье, озаглавленной «Уроки холодного синтеза, 30 лет спустя», описаны предварительные результаты совместных экспериментов, дающих независимый и свежий взгляд на холодный синтез.

Программа, финансируемая Google, была запущена в 2015 году. Она объединила в единую сеть исследовательские группы, которые приступили к проектированию и проведению экспериментов для проверки обоснованности ключевых утверждений, сделанных первыми экспериментаторами холодного синтеза. Опытных специалистов, уже проводивших исследования холодного синтеза, сознательно не включали в эти команды.

В статье Nature подчеркивается, что команды Google проводили исследования по решению сложных технических проблем, которые мешали экспериментам по холодному синтезу с самого начала, и отмечается, что «несколько лет, а не несколько месяцев, а также значительное количество экспериментов потребуются для создания необходимого оборудования и проведения статистических исследований».

Итак, каковы результаты? По словам авторов, пока не выявлено никаких признаков явлений холодного синтеза. Некоторые читатели могут воскликнуть: «Ага! Еще одно доказательство того, что холодного синтеза не существует!» Но это явно не тот вывод, к которому приходят сами авторы.

Фактически, как я узнал на конференции ICCF-22, исследования, спонсируемые Google, продолжаются и расширяются. Ясно, что цель исследований заключается не в экспериментальных результатах как таковых, которые являются лишь предварительными, а в том, чтобы сломать табу на исследования холодного синтеза в научном сообществе. И привлечь к работе большее количество людей.

Статья в Nature завершается необычным «призывом к действию», в котором авторы, в частности, заявляют:

«Основная мотивация для наших исследований заключается в том, что наше общество остро нуждается в прорыве в области чистой энергии. Для достижения прорыва требуется риск, и мы считаем, что возвращение к холодному синтезу — это риск, на который стоит пойти. Мы надеемся, что наша убежденность в получении положительного результата, вдохновит других на создание данных для этого интригующего пространства параметров.

Это не стремление к принципу «все или ничего». Даже если мы не найдем революционный источник энергии … поиск эталонного эксперимента по холодному синтезу остается достойным занятием, потому что научные эксперименты для понимания необычных состояний материи и управления ими одновременно интересны и важны».

Ощупывание слона

Это подводит нас к теоретической стороне исследования холодного синтеза. В настоящее время не существует единой, экспериментально подтвержденной теории, объясняющей явления, наблюдаемые в экспериментах по холодному синтезу. Вместо этого у нас есть множество интересных гипотез, многие из которых противоречат друг другу.

Мне вспоминается старинная притча о «слепцах, ощупывающих слона». Ощупывая руками разные части животного, каждый слепой приходит к своему выводу. Не имея правдоподобной теории, которой они могли бы руководствоваться, экспериментаторы по холодному синтезу также блуждают в темноте.

В этом контексте одним из самых ярких моментов конференции ICCF-22 стала серия презентаций Питера Хагельстайна и его сотрудников из Массачусетского технологического института, где планируются новые исследования по холодному синтезу. Теория Хагельстайна имеет то преимущество, что она предсказывает важные и проверяемые физические эффекты, которые напрямую не связаны с холодным синтезом.

Центральным вопросом любой теории холодного синтеза является понимание того, как изменяется поведение атомного ядра, когда ядро находится в плотной и высокоструктурированной среде кристалла.

До недавнего времени ядерная физика почти полностью игнорировала возможное влияние такой среды на то, что мы могли бы назвать внутренней жизнью ядра. В этом смысле ядерная физика и физика твердого тела рассматривались как совершенно отдельные дисциплины.

Однако, согласно Хагельстайну, современная квантовая теория предполагает наличие связи между ядром и колебаниями кристаллической решетки, в которую оно заключено — колебательными волнами, известными как фононы.

Среди прочего, ядра могут передавать фононам большое количество энергии, которая в конечном итоге проявляется в виде тепла, а не виде высоко энергетического излучения. Применительно к ядрам, которые образовываются в результате реакции синтеза, это могло бы объяснить отсутствие большого количества излучения в экспериментах по холодному синтезу.

Кроме того, способность соседних ядер взаимодействовать друг с другом через фононы может обеспечить ядерные реакции, такие как синтез, которые происходят с гораздо более высокими скоростями в кристаллической среде. Все это указывает на возможное объяснение холодного синтеза.

Однако независимо от этого теория Хагельстайна предсказывает возможность передачи энергии от одного ядра к другому на значительном расстоянии друг от друга внутри кристалла. Впоследствии группа Массачусетского технологического института смогла получить убедительные экспериментальные доказательства именно этого явления.

Недавно открытая форма «передачи ядерного возбуждения» в кристаллах может иметь собственное важное технологическое применение. Это один из многих примеров потенциальных побочных эффектов исследований холодного синтеза.

Послесловие ИА REGNUM

Справедливости ради надо заметить, в центре внимания участников 22-й Международной конференции по ядерным реакциям в конденсированных средах (ICCF-22) оказался другой доклад, одним из соавторов которого был Питер Хагельстайн:

V.I.Vysotskii, M.V.Vysotskyy, A.A. Kornilova, T.B. Krit, S.N. Gaydamakaand P.L. Hagelstein. «Distant Behind-screen Action of Undamped Temperature Waves (Long-distance Propagation, X-ray Generation, LENR Stimulation».

Соавторы сенсационного доклада слева направо: Питер Хагельстайн (США), Алла Корнилова (Россия) и Владимир Высоцкий (Украина). ICCF-22, Ассизи, Италия, 9 сентября 2019 года

В этой работе для объяснения экспериментальных результатов, полученных в Московском государственном университете группой Аллы Корниловой, была использована как фононная модель LENR Питера Хагельстайна, так и теория когерентных коррелированных состояний Владимира Высоцкого, берущая начало от обогнавших своё время нескольких теоретических работ Эрвина Шредингера и Говарда Перси Робертсона, написанных на рубеже 1920−30-х годов.

Авторы квантово-механической модели когерентных коррелированных состояний Эрвин Шредингер и Говард Робертсон

В чем суть результатов, полученных группой Аллы Корниловой? В большом цикле исследований знаменитой установки или ячейки Колдомасова, в которой кавитационная струя бьёт в стенку из диэлектрического материала, вызывая многочисленные эффекты: выделяется водород, возникает свечение, регистрируются нейтроны. Выяснилось, что с наружной стороны установки формируется рентгеновское излучение.

В.И. Высоцкий, А.А. Корнилова, Ю.В. Корнеева, Т.Б. Крит. «Исследование аномальных радиационных и тепловых явлений при кавитации струи жидкости. 1. Аномальные эффекты при генерации рентгеновского излучения стимулированного процессом кавитации жидкости» // Инженерная физика, №2, 2016. С.33−45.

Схема установки для изучения тепловой волны, рентгена и стимуляции реакций ядерного синтеза в мишени из дейтерированного титана

Без ответа оставался вопрос, почему установка не нагревалась, несмотря на то, что для создания кавитационной струи работал мощный плунжерный насос. Решение загадки оказалось возможным только после открытия в 2012 году нового типа физической волны, существование которой было предсказано Львом Ландау и Петром Капицей. Волна, названная Аллой Корниловой «тепловой», парадоксальным образом распространяется с невозможной (для воздуха) частотой в десятки мегагерц и скоростью 50 м в секунду.

С помощью тепловой волны удалось реализовать бесконтактный теплосъем для различного типа двигателей. Вызывает недоумение, что открытие, открывающее новые перспективы для развития авиационного двигателестроения и для создания принципиально новой холодильной техники до сих пор остается не понятым и игнорируется отраслевыми специалистами.

В.И. Высоцкий, А.А. Корнилова, А.О. Василенко, В.И. Томак, Ю.В. Корнеева, Т.Б. Крит, М.В. Высоцкий // «Исследование аномальных радиационных и тепловых явлений при кавитации струи жидкости. Часть 2. Генерация и исследование незатухающих тепловых волн, формируемых при кавитации» // Инженерная физика, №4. 2016, С.9−20.

В экспериментах 2018 года кратковременном воздействию тепловой волны при комнатной температуре были подвергнуты таблетки из прессованного порошка титана, насыщенного дейтерием. В результате были зарегистрированы альфа-частицы и тритий (продолжавший генерироваться в таблетках более полугода), кристаллическая структура титана оплавилась на 25%.

A.А. Корнилова, B.И. Высоцкий, Ю.А. Сапожников, И.Э. Власова, С.Н. Гайдамака, А.А. Новакова, В.М. Авдюхина, И.С. Левин, М.В. Высоцкий, Е.И. Хаит, Н.Х. Волкова. «Проблема и реализация устойчивой генерации альфа-частиц дейтерированным титаном, находящимся в поле тепловой волны» // Инженерная физика, №5. 2018, С.3−12.

При этом количество альфа-частиц было прямо пропорционально времени воздействия тепловой волны. Таким образом, холодный ядерный синтез оказался реализован при комнатной температуре. Что, впрочем, уже не удивляет на фоне зафиксированных Аллой Корниловой в 2004 году в повсеместно распространенных в земной коре минералах реакций ядерного синтеза «бор + протон», для которых по теории термоядерного синтеза требуется температура более миллиарда градусов, а в природе оказалось достаточно — 3 °C (см. «Stimulated (B₁₁p) LENR and Emission of Nuclear Particles in Hydroborates in the Region of Phase Transfer Point»).

Владимир Высоцкий, Жан-Поль Биберьян и Алла Корнилова во время церемонии награждения профессора В.И. Высоцкого медалью имени Джулиано Препарата за вклад в развитие теории холодного ядерного синтеза на ICCF-22 в Ассизи, Италия, 16 сентября 2019 года

Продолжение следует…