Observation of Thermal Deuteron-Deuteron Fusion in Ion Tracks

Tief im Inneren der Kerne von Sternen und in den Gebilden von Riesenplaneten wie Jupiter werden Atome mit einer solchen Intensität zusammengedrückt, dass sie verschmelzen und dabei die Energie freisetzen, die diese Himmelskörper zum Leuchten bringt und erwärmt. Auf der Erde versuchen Wissenschaftler seit langem, diesen Prozess im Labor zu replizieren, doch die Aufgabe ist notorisch schwierig. Atomkerne sind positiv geladen und stoßen sich von Natur aus ab, wie zwei starke Magnete, die einander wegdrücken. Um sie zur Verschmelzung zu bringen, müssen sie mit unglaublich hohen Geschwindigkeiten zusammengestoßen werden, um diese Abstoßung zu überwinden – eine Barriere, die normalerweise Temperaturen von Millionen von Grad erfordert. Doch in den dichten, kühlen Umgebungen im Inneren von Planeten bewegen sich die Atome viel langsamer, und eine Fusion sollte eigentlich unmöglich sein. Es existiert jedoch eine subtile Kraft in der materiellen Welt, die dieses Bild verändern könnte: Die umgebenden Elektronen in einem Metall können als Abschirmung wirken, die abstoßende Kraft zwischen den Kernen abschwächen und es ermöglichen, dass sie einander nahe genug kommen, um selbst bei relativ niedrigen Temperaturen zu verschmelzen.

Seit Jahrzehnten versuchen Forscher, dieses Phänomen, das als Elektronen-Abschirmung (electron screening) bekannt ist, zu beobachten, indem sie Deuteriumstrahlen – eine schwere Form des Wasserstoffs – in Metallziele feuern. Während frühere Experimente zeigten, dass die Reaktionsrate zunahm, wenn der Strahl langsamer wurde, hatte noch nie jemand erfolgreich beobachtet, wie die Fusionsreaktion bei echten thermischen Energien stattfindet, also wenn sich die Atome so langsam bewegen, wie sie es in einem warmen Raum tun würden. Ein Team von Physikern aus Polen hat nun einen entscheidenden Schritt nach vorne gemacht und die erste direkte Beobachtung der Deuterium-Deuterium-Fusion bei diesen thermischen Geschwindigkeiten gemeldet. Durch das Abfeuern von Deuterium-Ionen in Blöcke aus Zirkonium, Titan und Palladium entdeckten sie ein überraschendes neues Verhalten: Bei den niedrigsten Energien verlangsamte sich die Reaktion nicht einfach und stoppte wie erwartet. Stattdessen pendelte sie sich in einer stetigen, konstanten Rate ein, die bestehen blieb, unabhängig davon, wie langsam der Strahl wurde.

Die Forscher erreichten dies durch den Einsatz eines hochpräzisen Beschleunigersystems, das in der Lage war, Deuteriumstrahlen auf Energien von nur 625 Elektronenvolt abzubremsen – ein Präzisionsniveau, das für diese Art von Experiment bisher unerreichbar war. Sie beschossen Metallziele, die mit Deuteriumatomen gesättigt waren, und maßen die Protonen, die entstehen, wenn die Kerne fusionieren. Als sie die Energie des Strahls senkten, sank die Anzahl der Fusionsereignisse drastisch und folgte einer vorhersagbaren Kurve, die durch die zunehmende Schwierigkeit verursacht wurde, die atomare Abstoßung zu überwinden. Sobald die Energie jedoch unter einen bestimmten Schwellenwert fiel, hörte die Ausbeute der Reaktion nicht mehr auf zu sinken. Sie flachte in ein Plateau ab, einen stetigen Strom von Fusionsereignissen, der auch dann anhielt, wenn die einfallenden Teilchen sich mit thermischen Geschwindigkeiten bewegten.

Dieses Plateau war nicht bloß eine flache Linie; es kam mit einer deutlichen Signatur daher, die die Natur des Ereignisses offenbarte. In einer Standard-Fusionsreaktion fliegen die resultierenden Protonen mit einer spezifischen Geschwindigkeit heraus, die durch die Energie der Kollision bestimmt wird. Aber in diesem Niedrigenergie-Plateau hatten die detektierten Protonen Energien, die signifikant höher waren, als es der langsam bewegliche Strahl hätte erzeugen können. Dies deutete darauf an, dass die Fusion nicht zwischen dem schnell beweglichen Strahl und dem stationären Target stattfand, sondern zwischen Deuteriumatomen, die sich im Verhältnis zueinander praktisch im Ruhezustand befanden. Die Reaktion fand in einem Zustand des thermischen Gleichgewichts statt, in dem die Kerne aufgrund der innerhalb des Metalls erzeugten Hitze fusionierten, anstatt aufgrund der Geschwindigkeit des einfallenden Strahls.

Um zu erklären, wie dies geschehen konnte, wandte sich das Team einem Modell zu, das die mikroskopischen Schäden durch den Strahl selbst beinhaltet. Wenn ein hochenergetisches Ion auf das Metall trifft, erzeugt es einen winzigen, zylindrischen Pfad intensiver Hitze, bekannt als Ionenspur (ion track). Innerhalb dieser mikroskopischen Spur steigt die Temperatur so stark an, dass das Metallgitter augenblicklich schmilzt, wodurch eine Region extremer thermischer Agitation entsteht. In diesem geschmolzenen, hoch angeregten Zustand werden die im Metall gefangenen Deuteriumatome extrem mobil, diffundieren schnell und kollidieren miteinander. Die Forscher fanden heraus, dass die Eigenschaften des Metalls eine entscheidende Rolle spielten: Palladium, das Wasserstoff sehr leicht durch sich hindurchwandern lässt, zeigte einen viel stärkeren Effekt als Zirkonium oder Titan. Dies bestätigte, dass die Leichtigkeit, mit der Deuteriumatome durch die erhitzten Spuren wandern können, ein Schlüsselfaktor ist, der die Fusionsreaktion antreibt.

Die Studie hob auch die Bedeutung der internen Struktur des Materials hervor. Die verwendeten Metalle enthielten winzige Unvollkommenheiten und Verunreinigungen, die halfen, Elektronen einzufangen, was den Abschirmungseffekt weiter verstärkte und die Kerne nah genug zusammenbrachte, um zu fusionieren. Im Fall von Titan war der Effekt so ausgeprägt, dass die Reaktionsrate im Vergleich zu dem, was ohne diese Effekte zu erwarten gewesen wäre, um den Faktor zehntausend anstieg. Das Team berechnete, dass die Kombination aus dieser Elektronen-Abschirmung, einer spezifischen Resonanz im Heliumkern, die als temporäre Brücke für die Reaktion fungiert, und den hohen Temperaturen innerhalb der Ionenspuren die Fusionsrate um viele Größenordnungen steigern kann.

Diese Entdeckung bedeutet nicht, dass morgen ein neues Kraftwerk gebaut werden kann, aber sie verändert unser Verständnis grundlegend davon, wie Kernfusion in der natürlichen Welt ablaufen kann. Sie legt nahe, dass in den dichten, kühlen Innenräumen von Riesenplaneten, wo die Temperaturen für die traditionelle Fusion viel zu niedrig sind, ähnliche Prozesse unter Beteiligung von Elektronen-Abschirmung und lokaler Erwärmung Energie erzeugen könnten. Die Ergebnisse öffnen auch eine neue Tür für die Laborforschung und zeigen, dass Wissenschaftler durch die sorgfältige Auswahl von Materialien und das Verständnis ihres mikroskopischen Verhaltens Bedingungen schaffen können, unter denen Fusion bei thermischen Energien stattfindet. Die Arbeit liefert eine konkrete Erklärung für ein Phänomen, das einst als unmöglich galt, und schlägt die Brücke zwischen den kalten, langsamen Atomen eines Metalls und dem feurigen Herzen eines Sterns.