Observation of Thermal Deuteron-Deuteron Fusion in Ion Tracks

Diep in de kernen van sterren en de binnenste lagen van reuzenplaneten zoals Jupiter worden atomen met zulke intensiteit tegen elkaar toe gedreven dat ze samensmelten, waarbij de energie vrijkomt die deze hemellichamen doet schijnen en opwarmen. Op Aarde proberen wetenschappers dit proces al lang in het laboratorium te reproduceren, maar de taak is berucht moeilijk. Atoomkernen zijn positief geladen en stoten elkaar van nature af, zoals twee krachtige magneten die elkaar wegduwen. Om ze te laten fuseren, moeten ze met ongelooflijk hoge snelheden tegen elkaar aan worden geslagen om deze afstoting te overwinnen, een barrière die normaal gesproken temperaturen van miljoenen graden vereist. Echter, in de dichte, koele omgevingen die in planeten worden gevonden, bewegen de atomen veel langzamer, en zou fusie onmogelijk moeten zijn. Toch bestaat er een subtiele kracht in de materiële wereld die dit beeld kan veranderen: de omringende elektronen in een metaal kunnen als een schild fungeren, waardoor de afstotende druk tussen kernen wordt verzwakt en ze dicht genoeg bij elkaar kunnen komen om te fuseren, zelfs bij relatief lage temperaturen.

Decennialang hebben onderzoekers geprobeerd dit fenomeen, bekend als elektronische afscherming (electron screening), te observeren door bundels deuterium — een zware vorm van waterstof — in metalen doelen te schieten. Hoewel eerdere experimenten aantoonden dat de reactiesnelheid toenam naarmate de bundel vertraagde, had nog nooit iemand succesvol een fusie-reactie waargenomen bij werkelijk thermische energieën, waarbij de atomen net zo langzaam bewegen als in een warme kamer. Een team van natuurkundigen uit Polen heeft nu een cruciale stap voorwaarts gezet door de eerste directe observatie van deuterium-deuteriumfusie bij deze thermische snelheden te rapporteren. Door deuteriumionen in blokken zirkonium, titanium en palladium te schieten, ontdekten zij een verrassend nieuw gedrag: bij de laagste energieën vertraagde de reactie niet simpelweg en stopte deze niet zoals verwacht. In plaats daarvan stabiliseerde het zich op een constante, gestage snelheid die standhield, ongeacht hoe traag de bundel werd.

De onderzoekers bereikten dit door gebruik te maken van een hoogwaardig verfijnd versnellersysteem dat in staat is om deuteriumbundels af te remmen tot energieën zo laag als 625 elektronvolt, een niveau van precisie dat voorheen onbereikbaar was voor dit type experiment. Ze bestraalden metalen doelen die verzadigd waren met deuteriumatomen en maten de protonen die ontstonden wanneer de kernen fuseerden. Terwijl ze de energie van de bundel verlaagden, daalde het aantal fusiegebeurtenissen drastisch, volgens een voorspelbare curve veroorzaakt door de toenemende moeilijkheid om de atomaire afstoting te overwinnen. Echter, zodra de energie onder een bepaalde drempel zakte, stopte de opbrengst van de fusie met dalen. Het vlakte af in een plateau, een constante stroom van fusiegebeurtenissen die doorgaagde, zelfs wanneer de inkomende deeltjes met thermische snelheden bewogen.

Dit plateau was niet slechts een vlakke lijn; het ging gepaard met een duidelijke signatuur die de aard van de gebeurtenis onthulde. In een standaard fusiereactie vliegen de resulterende protonen met een specifieke snelheid die wordt bepaald door de energie van de botsing. Maar in dit laagenergetische plateau hadden de gedetecteerde protonen energieën die aanzienlijk hoger waren dan wat de traag bewegende bundel zou hebben geproduceerd. Dit gaf aan dat de fusie niet plaatsvond tussen de snel bewegende bundel en het stationaire doel, maar tussen deuteriumatomen die in essentie stilstonden ten opzichte van elkaar. De reactie vond plaats in een staat van thermisch evenwicht, waarbij de kernen fuseerden door de hitte die binnen het metaal werd gegenereerd, in plaats van door de snelheid van de inkomende deeltjes.

Om te verklaren hoe dit kon gebeuren, maakte het team gebruik van een model dat betrekking heeft op de microscopische schade veroorzaakt door de bundel zelf. Wanneer een hoogenergetisch ion een metaal raakt, creëert het een minuscuul, cilindrisch pad van intense hitte, een zogenaamd ionentrac (ion track). Binnen dit microscopische spoor stijgt de temperatuur zo hoog dat het metaalrooster moment even smelt, wat een regio van extreme thermische agitatie creëert. In deze gesmolten, hoog geëxciteerde staat worden de deuteriumatomen die in het metaal gevangen zitten extreem mobiel, waardoor ze snel diffunderen en met elkaar botsen. De onderzoekers ontdekten dat de eigenschappen van het metaal een cruciale rol speelden: palladium, dat waterstof zeer gemakkelijk door zich heen laat bewegen, vertoonde een veel sterker effect dan zirkonium of titanium. Dit bevestigde dat de mate waarin deuteriumatomen door de verhitte banen kunnen bewegen, een sleutelfactor is in het aandrijven van de fusie-reactie.

De studie benadruakte ook het belang van de interne structuur van het materiaal. De gebruikte metalen bevatten minuscule imperfecties en onzuiverheden die hielpen elektronen te vangen, wat het afschermingseffect verder versterkte waardoor de kernen dicht genoeg bij elkaar konden komen om te fuseren. In het geval van titanium was het effect zo uitgesproken dat de reactiesnelheid met een factor tienduizend toenam vergeleken met wat zonder deze effecten verwacht zou worden. Het team berekende dat de combinatie van deze elektronische afscherming, een specifieke resonantie in de heliumkern die fungeert als een tijdelijke brug voor de reactie, en de hoge temperaturen binnen de ionentracs de fusiesnelheid met vele grootheden zou kunnen verhogen.

Deze ontdekking betekent niet dat er morgen een nieuwe elektriciteitscentrale gebouwd kan worden, maar het verandert fundamenteel ons begrip van hoe kernfusie in de natuurlijke wereld kan plaatsvinden. Het suggereert dat in de dichte, koele binnenste lagen van reuzenplaneten, waar temperaturen veel te laag zijn voor traditionele fusie, vergelijkbare processen waarbij elektronische afscherming en lokale verhitting betrokken zijn, energie kunnen genereren. De bevindingen openen ook een nieuwe deur voor laboratoriumonderzoek, door aan te tonen dat wetenschappers, door zorgvuldig materialen te selecteren en hun microscopische gedrag te begrijpen, condities kunnen creëren waarin fusie plaatsvindt bij thermische energieën. Het werk biedt een concrete verklaring voor een fenomeen dat ooit als onmogelijk werd beschouwd, en overbrugt de kloof tussen de koude, langzame atomen van een metaal en het vurige hart van een ster.