Оригинал материала
Холодный термояд à la Google
Немного истории
Алхимики не только верили в возможность превращения элементов (скажем, свинца или ртути в золото), но и пытались (подчас с риском для себя) воплотить эту веру с жизнь. Научная химия провозгласила неизменность элементов и тем самым наложила запрет на подобные превращения — как тогда говорили, трансмутации. Этот запрет был опровергнут открытием радиоактивности в конце XIX века — трансмутация оказалась возможной.
Физическую природу нестабильности элементов удалось понять лишь в 1930-е годы, когда появилась квантовая механика, были открыты нейтроны и нейтрино и созданы теории альфа- и бета-распада. Однако за пару десятилетий до того в научной печати не раз сообщалось о новооткрытых трансмутациях, которые, как мы сейчас понимаем, были решительно невозможны. Когда эта невозможность была осознана на базе новой физики, такие сенсации стали уделом фриков.
Тридцать лет назад эта тенденция была нарушена, причем с большим шумом. 23 марта 1989 года Университет Юты объявил в пресс-релизе, что переселившийся в США член британского Королевского общества и экс-президент Международного общества электрохимиков Мартин Флейшман (Martin Fleischmann) и руководитель химического факультета Стэнли Понс (Stanley Pons) запустили самоподдерживающуюся реакцию ядерного синтеза при комнатной температуре. Президент университета Чейз Петерсон сказал журналистам, что это эпохальное достижение сравнимо лишь с овладением огнем, открытием электричества и созданием культурных растений. Законодатели штата срочно выделили 5 млн долл. на учреждение Национального института холодного синтеза (а университет запросил у Конгресса США еще 25 миллионов!).
Это сообщение, сразу ставшее мировой сенсацией, приветствовали специалисты и в США, и за рубежом. Крестный отец американской водородной бомбы Эдвард Теллер поздравил авторов открытия и даже объявил об организации в Ливерморской национальной лаборатории исследовательской группы для работы по этой теме.
Флейшман и Понс утверждали, что заставили ядра дейтерия сливаться друг с другом при обычных температурах и давлениях. Их «реактор холодного синтеза» представлял из себя калориметр с водным раствором соли, через который пропускали электрический ток. Правда, вода была не обычной, а тяжелой, не H2O, а D2O. Катод был изготовлен из палладия, а в состав растворенной соли входили литий и опять-таки дейтерий. Через электролит месяцами безостановочно пропускали постоянный ток, так что на аноде выделялся кислород, а на катоде — тяжелый водород. Флейшман и Потс якобы обнаружили, что температура электролита периодически возрастала на десятки градусов, а иногда даже больше, хотя источник питания давал стабильную мощность. Они объяснили этот нагрев поступлением внутриядерной энергии, выделяющейся при слиянии ядер дейтерия.
Насколько это реально?
В их объяснении, бесспорно, была своя логика. Хорошо известно, что палладий принадлежит к числу немногих элементов, которые очень эффективно абсорбируют водород. При атмосферном давлении и комнатной температуре на каждые десять атомов палладия в кристаллической решетке может приходиться до семи атомов водорода. Флейшман и Понс сочли, что плотность дейтерия внутри палладиевого катода достигает очень высоких значений, позволяющих дейтронам сливаться в альфа-частицы, ядра основного изотопа гелия. Этот процесс идет с выделением энергии, которая в соответствии с их гипотезой нагревает электролит. Это объяснение подкупало простотой и вполне убедило не блещущих научными познаниями политиков, журналистов и даже, как ни странно, некоторых химиков.
Тем не менее физики-ядерщики отнеслись к нему, мягко говоря, скептически. Они-то знали, что два дейтрона могут вступить в термоядерную реакцию, но шансы подобного исхода при комнатных (и даже куда более высоких!) температурах пренебрежимо малы. Для слияния эти частицы должны подойти друг к другу на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил — приблизительно 10–15 м. Поскольку обе они заряжены положительно, им надо преодолеть барьер кулоновского отталкивания, для чего необходима кинетическая энергия порядка двух кэВ, двух тысяч электронвольт. Такая энергия соответствует температуре звездных недр — 20 млн и более кельвинов.
Но дело не только в этом. Допустим, что каким-то загадочным образом дейтроны внутри палладия действительно сближаются на нужное расстояние. Что будет дальше, хорошо известно. Ядерная реакция между парой дейтронов почти наверняка завершается рождением ядра трития и протона или же возникновением нейтрона и ядра гелия-3, причем вероятности этих превращений примерно одинаковы (возможно также рождение альфа-частицы и гамма-кванта, но шансы этого исхода не превышают одной десятимиллионной). Если внутри палладия действительно шел ядерный синтез на макроскопическом уровне (иначе раствор бы не нагревался!), он должен был генерировать большое число нейтронов с энергией около 2,45 МэВ. Их нетрудно обнаружить либо непосредственно (с помощью нейтронных детекторов), либо косвенно (поскольку при столкновении такого нейтрона с ядром тяжелого водорода должен появиться гамма-квант с энергией 2,22 МэВ, который опять-таки можно зарегистрировать). Энергия гамма-кванта, который должен родиться при синтезе альфа-частицы из двух дейтронов, тоже хорошо известна — 24 MэВ. В общем, гипотезу Флейшмана и Понса было просто проверить с помощью стандартной радиометрической аппаратуры.
Однако из этого ничего не вышло. Флейшман использовал связи на родине и убедил сотрудников британского ядерного центра в Харуэлле проверить работу его «реактора» на предмет генерации нейтронов. Харуэлл располагал сверхчувствительными детекторами этих частиц, но они ничего не показали. Поиск гамма-лучей нужной частоты тоже обернулся неудачей. К такому же заключению пришли и физики из Университета Юты. Сотрудники Массачусетского технологического института попытались воспроизвести эксперименты Флейшмана и Понса, но опять-таки безрезультатно. Поэтому не стоит удивляться, что заявка на великое открытие подверглась разгрому на конференции Американского физического общества (American Physical Society, APS), которая состоялась в Балтиморе 1 мая.
От такого удара незадачливые претенденты на открытие холодного термояда оправиться не смогли. Летом 1989 года и американские, и зарубежные ученые пришли к окончательному выводу, что претензии химиков из Юты — либо проявление крайней некомпетентности, либо элементарное жульничество. Правда, имелись и диссиденты — даже среди научной суперэлиты. Эксцентричный нобелевский лауреат Джулиан Швингер, один из создателей квантовой электродинамики, настолько уверовал в открытие химиков из Солт-Лейк-Сити, что в знак протеста аннулировал свое членство в APS. В начале 1990-х в нескольких лабораториях пытались воспроизвести видоизмененные версии экспериментов химиков из Юты, но искомый эффект так и не обнаружили. Кое-какие попытки в этом роде делали и позднее, и опять-таки с нулевым результатом. От них осталась разве что новая аббревиатура LENR — low energy nuclear reactions.
Академическая карьера Флейшмана и Понса завершилась быстро и бесславно. В 1992 году они ушли из Университета Юты. Правда, им удалось убедить корпорацию «Тойота» создать во Франции лабораторию для дальнейшей работы над холодным термоядом. Она просуществовала шесть лет и за отсутствием результатов закрылась. Флейшман вернулся в Англию, где умер 3 августа 2012 года в возрасте 85 лет. Стэнли Понс поселился во Франции, где живет и поныне.
Вмешательство Google
«Холодный термояд» Флейшмана и Понса остался в истории науки в качестве патологического курьеза, ненадолго раздутого СМИ. Казалось, он навеки обречен на заслуженное забвение. Однако вмешалась судьба в лице корпорации Google, которая четыре года назад выделила 10 млн долл. для всесторонней проверки их работы. В проекте согласились участвовать тридцать специалистов из Канады, США и Британии. В 2016 году они начали эксперименты, которые растянулись на пару лет. 27 мая отчет о результатах этого проекта появился на сайте журнала Nature1. Надо признать, что команда «проверяльщиков» подобралась весьма солидная, а профессор химии и химико-биологических технологий Университета Британской Колумбии Кёртис Берлингуэтт и его коллеги проделали большую и непростую работу. Они придумали и испытали несколько образцов палладиевых электродов, позволявших увеличить степень абсорбции дейтерия из электролита, повысили его концентрацию внутри кристаллической решетки катода до восьми атомов дейтерия на десять атомов палладия, чего, безусловно, не удалось достичь Флейшману и Понсу. Были созданы также высокоэффективные калориметры и улучшена методика температурных измерений. В общем, потрудились на славу.
Легко видеть, что участники гугловского проекта воспроизвели эксперименты Флейшмана и Понса в максимально благоприятных условиях, повышающих вероятность наблюдения анонсированного эффекта. Тем не менее их усилия ни к чему не привели. Как пишут авторы статьи в Nature, «пока что мы не обнаружили никаких аномальных эффектов, декларированных сторонниками холодного синтеза, которые не могли бы получить менее экзотическое объяснение».
Однако профессор Берлингуэтт и его коллеги на этом не остановились. Они также воспроизвели эксперимент физиков из Лос-Аламосской национальной лаборатории, которые в середине 1990-х годов подвергли палладиевый катод бомбардировке сильно разогнанными ионами дейтерия. Руководитель группы Томас Клейтор и его коллеги тогда сообщили, что эксперимент привел к появлению атомов трития, которые могли возникнуть только в реакциях термоядерного синтеза. Члены гугловской команды проверили это заявление и получили нулевой результат. В третьей серии контрольных опытов они подвергли нагреву металлические порошки в средах с высоким содержанием водорода, но тоже не выявили никаких признаков термоядерных реакций.
Что же в сухом остатке? Участники гугловского коллектива создали очень совершенные калориметры, заново исследовали процессы взаимодействия водорода и палладия и получили еще ряд результатов, представляющих интерес для электрохимии и материаловедения. Нет сомнений, что они честно отработали свой щедрый грант. В конце концов, было бы противоестественно, если бы экспериментаторы не воспользовались возможностью освоить полученные деньги на благо своих научных дисциплин. Они также проявили несомненную смелость, согласившись работать в столь нетрадиционном проекте. Всё это понятно. Непонятно другое: почему Google выделил аж десять мегадолларов на эксперимент с заранее известным результатом. Так ведь можно спонсировать и проекты perpetuum mobile!
Алексей Левин
1 Curtis P. Berlinguette, Yet-Ming Chiang, Jeremy N. Munday, Thomas Schenkel, David K. Fork, Ross Koningstein & Matthew D. Trevithick. Revisiting the cold case of cold fusion.