Der respektable Cousin der Kalten Fusion wurde endlich genau angeschaut

Quanta Magazine stellte diese Woche die Frage im Titel: Ist an der Kalten Fusion mehr dran als Scheitern und Betrug? Die Antwort lautet ja – und sie liegt seit siebzig Jahren in derselben Schublade.

Die „Kalte Fusion", die 1989 zusammenbrach – Martin Fleischmann und Stanley Pons, Palladium-Elektroden, eine Pressekonferenz vor dem Paper –, ist nicht das Thema. Die myonenkatalysierte Fusion (μCF) ist ein anderes Tier: 1948 von Andrei Sacharow vorhergesagt, Ende der 1950er in Luis Alvarez' Blasenkammerexperimenten in Berkeley erstmals beobachtet. Sie funktioniert.

Der Mechanismus ist fast unverschämt einfach. Ein Myon ist ein schweres Elektron: gleiche Ladung, rund 207-fache Masse. Tauscht man in einem Wasserstoffmolekül das Elektron gegen ein Myon, kollabiert die Bahn – die Kerne sitzen etwa 200-mal näher beieinander als in gewöhnlichem Wasserstoff. Auf dieser Distanz tunneln Deuterium- und Tritiumkerne ineinander und verschmelzen bei Raumtemperatur: kein Plasma, keine Laser, kein Vakuumgefäß bei hundert Millionen Grad.

Das Myon ist Katalysator, nicht Brennstoff: Nach der Fusion wird es meist freigesetzt und kann erneut starten. Zwei Dinge halten es auf. Das Myon zerfällt in etwa 2,2 Mikrosekunden, und gelegentlich bleibt es am entstehenden Heliumkern kleben – „Alpha-Sticking", rund 0,7 Prozent der Zyklen – und scheidet damit dauerhaft aus. Die Energiebilanz ist brutal: Eine D-T-Fusion liefert 17,6 MeV, die Erzeugung eines Myons kostet in der Größenordnung von 5 GeV. Man braucht also rund 300 Fusionen pro Myon, um auf null zu kommen. Die besten Experimente erreichten etwa die Hälfte.

Damit entscheidet die Bildungsrate alles. Und die Bildungsrate läuft über einen Reaktionsschritt, den niemand beobachtet hatte: das myonische Molekül im Resonanzzustand. Theorien sagten, diese Zustände seien entscheidend; das Experiment konnte ihre Röntgensignatur nicht vom viel helleren Leuchten gewöhnlicher myonischer Atome trennen, und die Abweichung zwischen Theorie und Messung blieb jahrzehntelang stehen.

Im April veröffentlichte ein Team um Yuichi Toyama und Shinji Okada von der Chubu University, mit Takuma Yamashita und Yasushi Kino in Tohoku sowie Tadayuki Takahashi am Kavli IPMU, die Lösung in Science Advances. Mit einem supraleitenden Mikrokalorimeter auf Basis von Transition-Edge-Sensoren – einem bei NIST entwickelten Detektor mit genug Auflösung, um überlappende Röntgenlinien zu trennen – schieden sie Photonen aus myonischen Molekülen von denen aus myonischen Atomen. Die Resonanzzustände des Deuterium-Deuterium-Moleküls ddµ zeigten sich auf Ebene einzelner Schwingungsquantenzustände, die Besetzungsverhältnisse wurden gemessen statt angenommen, und das Spektrum stimmte mit der hochpräzisen Rechnung überein.

Das ist kein Kraftwerk. Es ist die Messung, auf der ein Kraftwerk bemessen werden müsste: Die Modelle der Reaktionsrate sind nun an Daten kalibriert statt an sie angepasst. Die Arbeit läuft im Rahmen von Japans Moonshot-Ziel 10, das μCF für die praktische Nutzung fördert.

Die Rahmung des Quanta-Essays ist die richtige. Das Feld wird die Energiekrise nicht in einem planbaren Zeitrahmen lösen und bleibt durch den Preis der Myonen und das Sticking-Problem begrenzt. Aber ein Forschungsprogramm, das durch die Nähe zu einer anderen, gescheiterten Behauptung verschüttet wurde, hat still quantenaufgelöste Messungen einer Kernreaktion geliefert, die in einer Flasche abläuft. Das ist ein seltsamer und nützlicher Besitz.

Die Zahlen, die man auseinanderhalten sollte: 207-fache Elektronenmasse; rund 1/200 des Kernabstands; 2,2 Mikrosekunden; etwa 0,7 Prozent Sticking; 17,6 MeV heraus, rund 5 GeV hinein. Die Lücke zwischen den letzten beiden ist das ganze Feld.