Slunce na pracovním stole

Celá naše existence závisí na termonukleárních reakcích, které "pohánějí" Slunce. V jeho nitru vytvářejí obrovské teploty a tlaky z izotopů vodíku hélium, přičemž se uvolňuje velké množství energie. I na zemi je v mořské vodě dost deuteria - izotopu vodíku s jedním neutronem, jenž by šel k takové reakci použít. Kdyby se povedlo ji spustit, bylo by navždy po starostech s energetickou krizí: pouhých 500 litrů mořské vody by uspokojilo celoživotní potřebu energie průměrného obyvatele naší planety.

Jenže nemáme k dispozici ony obrovské teploty, přičemž slovo "obrovské" znamená desítky až stovky milionů stupňů. Tedy máme, ale jen prostřednictvím atomové bomby. A jaderné exploze samozřejmě nejsou dobrým způsobem, jak vyrábět elektřinu. Někteří odborníci navíc soudí, že ekonomicky únosná výroba elektřiny touto cestou není možná. V každém případě bude hodně drahá.

Existují ovšem lidé věřící, že téhož lze dosáhnout za pokojové teploty a se zařízením, které není o moc dražší než osobní automobil. Říkají tomu studená fúze či fúze na pracovním stole. Většinová věda je považuje za fantasty, ale jim to moc nevadí. Připomínají, že žádný průkopník nového poznání to neměl lehké.

Clarkova fantazie

Známý autor sci-fi literatury Arthur C. Clarke už roku 1964 napsal ve své knize Profily budoucnosti: "Vedle tepla a tlaku existují jiné způsoby, jak nastartovat reakci. Chemici je znají již léta; používají katalyzátory, které urychlují reakce nebo je umožňují při mnohem nižších teplotách, než za jakých by jinak probíhaly. Existují vedle chemických katalyzátorů i jaderné?"

Ve skutečnosti to však nebyla jen Clarkova fantazie. Pokusy o slučování atomů vodíku za pokojových teplot mají překvapivě dlouhou historii. Koncem 19. století byla objevena schopnost paladia (a také titanu) vázat velká množství atomů vodíku. Už krátce na to němečtí vědci F. Paneth a K. Peters věřili, že pozorují spontánní vznik hélia z vodíku na paladiovém povrchu. Později zjistili, že atomy hélia patrně pocházejí z okolní atmosféry. Přesto od roku 1927 zkoumal Švéd J. Tandberg elektrolýzu vody s pomocí paladiových elektrod. Následně dokonce získal za syntézu hélia z vodíku švédský patent, ten však byl nakonec zamítnut.

Exploze v laboratoři

Skutečný poprask kolem studené fúze začal v 80. letech minulého století. Tehdy anglický vědec českého původu Martin Fleischmann společně se svým americkým žákem Stanleym Ponsem na univerzitě v Utahu uvažovali o alternativních mechanismech vedoucích k zažehnutí reakce, která "pohání" hvězdy. Zdánlivě je to jednoduché: aby se izotopy vodíku spojily v hélium (přičemž se kromě velkého množství energie uvolňují také neutrony), je potřeba překonat odpudivé síly mezi nimi a "dotlačit" je k sobě na velmi malou vzdálenost. V klasických zařízeních termojaderného výzkumu zvaných tokamaky nebo stelarátory (stejně jako ve vodíkové bombě) se toho dociluje vysokými tlaky a teplotami. Fleischmann a Pons ale věřili, že téhož dosáhnou i méně drastickými a podstatně levnějšími metodami. Do roztoku těžké vody (což je vlastně oxid deuteria) ponořili elektrody, z nichž katoda byla z paladia, a zavedli do nich elektrické napětí. Věřili, že při elektrolýze se na povrchu paladia dostanou jednotlivé atomy deuteria do dostatečně těsného sousedství, aby se spojily v hélium.

Vypadalo to nadějně. Roztok se při elektrolýze nadměrně zahříval, což badatelé považovali za projev energie uvolněné při termojaderné fúzi. Přístroje také skutečně zjistily výskyt neutronů. Dokonce během experimentů došlo k explozi, při níž zahynul jeden z laborantů.

Do opakování Fleischmannova pokusu se vrhla řada dalších vědeckých pracovišť, ty už však slibné výsledky nepotvrdily. Neutrony patrně pocházely z kosmického záření a také další naměřené hodnoty bylo nutné připsat na vrub nedokonalé metodice. Za tragickou explozi patrně mohl vodík a kyslík, který se při elektrolýze uvolňoval. Pozdější práce ukázaly, že na paladiové elektrodě se sice atomy deuteria opravdu navzájem přiblíží, ale ne dost na to, aby došlo k jaderné syntéze a uvolňování energie. Pro úplnost je potřeba dodat, že některé obměny tohoto pokusu (například použití niklu, titanu či jiných prvků) vedly občas k udivujícím výsledkům, které se zatím nepodařilo uspokojivě vysvětlit.

Tajemné záblesky

Neslavný konec Fleischmannovy práce způsobil, že fúze za studena byla odkázána do říše pavěd. Jenže některé vědecké odvážlivce to neodradilo. Fúzní reakce za nízkých teplot neodporuje fyzikálním zákonům - a kdyby se povedla, byl by to jeden z největších objevů současnosti.

Jednou z nadějných možností je tzv. fúze v bublinkách, o niž už několik let usilují výzkumníci z amerických pracovišť Oak Ridge National Laboratory a Rensselaer Polytechnic Institute. Jejich postup vychází ze skutečnosti, že při průchodu ultrazvuku některými kapalinami vznikají záblesky světla, které si vědci dlouho nedokázali vysvětlit. Patrně je má na svědomí kavitace, jev, kdy v důsledku zvukových vln v tekutině vznikají a vzápětí kolabují mikroskopické bublinky. Některé teorie se to snažily vysvětlit jadernými reakcemi - a v tom spočívaly i pokusy v Oak Ridge. Skutečně při nich byla naměřena emise neutronů a jako produkt jaderných reakcí vznikalo tritium. Autoři věří, že se jim podařilo dosáhnout fúze za podmínek nesrovnatelně skromnějších, než je tomu v tokamacích. I tyto závěry však mají řadu odpůrců.

Krystaly budoucnosti

Další slibnou cestou je takzvaná fúze v krystalech. Již v 60. letech minulého století pozorovali někteří badatelé vznik neutronů při mechanickém namáhání krystalů obsahujících deuterium. Jedním z vysvětlení je, že piezoelektrické jevy (podobné těm, které produkují jiskry v piezoelektrických zapalovačích) k sobě "přitiskly" atomy deuteria natolik, že mezi nimi došlo k jaderným reakcím.

Do výzkumu se nebál pustit tým Setha Puttermana z Kalifornské univerzity. Použili krystal, který při teplotních změnách produkuje elektrické pole. Posloužila jim sloučenina lithia, tantalu a kyslíku s wolframovou sondou, umístěná do komory se zředěným deuteriem. Po ochlazení a následném zahřátí prokazatelně vzniklo hélium a došlo ke vzniku tolika neutronů, že to vědci považují za spolehlivý důkaz splynutí jader deuteria - termojadernou fúzi. Fúze z krystalů zřejmě k výrobě levné elektřiny nepovede, protože k vyvolání reakce je zapotřebí mnohem víc energie, než se uvolní. Může ale umožnit konstrukci miniaturních zdrojů neutronů pro medicínské účely a materiálový výzkum. A nelze ani vyloučit, že její další studium ukáže cesty, po nichž se budou ubírat další alchymisté moderní doby.

Foto profimedia.cz: Studená fúze má dosáhnout stejného efektu jako reakce, které probíhají v nitru hvězd či při jaderném výbuchu. Experimenty anglického vědce českého původu Martina Fleischmanna a Stanleyho Ponse způsobily v 80. letech minulého století poprask.