В 1989 году мир облетела сенсация — два химика заявили, что добились ядерного синтеза в простой лабораторной установке при комнатной температуре. Это вызвало мировой ажиотаж: дешевая и чистая энергия казалась почти реальной. Однако очень скоро эйфорию сменило разочарование — эксперимент признали ошибкой, а его авторов — едва ли не шарлатанами. Спустя десятилетия канадские ученые неожиданно вернулись к тому самому провальному опыту. Они не повторили его, а нашли в нём скрытый потенциал, который может ускорить настоящую термоядерную революцию.

Ядерный синтез — процесс слияния атомных ядер, который сопровождается колоссальным выделением энергии. В недрах звезд, в том числе и нашего Солнца, такая реакция происходит постоянно при высоких температурах и давлении. 

Уже давно люди пытаются воспроизвести и укротить эту реакцию на Земле, чтобы получить практически неиссякаемый источник энергии. Иными словами, человечество стремится создать на нашей планете условия для устойчивой управляемой термоядерной реакции. Для этого требуется не просто «разжечь» синтез, а обеспечить управляемое, длительное и экономически выгодное выделение энергии.

Над этой проблемой с середины XX века бьются лучшие умы. Несмотря на грандиозные проекты вроде международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР, надежной и рентабельной технологии до сих пор не существует. Главная сложность — создать установку, которая стабильно производила бы больше энергии, чем потребляет для запуска и поддержания реакции.

Статья по теме: Химики нашли способ сделать добычу лития-6 для термоядерного топлива более экологичной

На этом фоне заявление электрохимиков Мартина Флейшмана и Стэнли Понса из Университета Юты (США) в 1989 году прозвучало как гром среди ясного неба. Ученые сообщили о проведении так называемого холодного ядерного синтеза при комнатной температуре. Их эксперимент выглядел до смешного простым: Флейшман и Понс поместили стержень из палладия в тяжелую воду, насыщенную дейтерием (тяжелым изотопом водорода), и пропустили через систему электрический ток. Исследователи зафиксировали необъяснимые скачки выделяемого тепла и сразу интерпретировали их как признак ядерной реакции.

Когда электрохимики измерили выделение энергии в своем опыте, оказалось, что тепла выходит больше, чем можно объяснить обычной химией. Если бы это было правдой, единственное объяснение — что в установке пошел ядерный синтез, который выделяет намного больше энергии, чем любая химическая реакция. И главное — синтез, по утверждению коллег, начался при комнатной температуре, без необходимости нагревать вещество до миллионов градусов, как на Солнце или в современных термоядерных установках. То есть сенсация заключалась в том, что ученым якобы удалось «обойти» главный барьер синтеза — колоссальные температуры.

Открытие сулило золотой век энергетики — получение «звездной энергии» в обычной лабораторной колбе без многомиллиардных реакторов. Однако независимые команды физиков и химиков по всему миру так и не смогли воспроизвести результат. К концу того же года теорию холодного синтеза официально опровергли, а ее авторы оказались в научной изоляции. Эта история надолго стала символом научной недобросовестности и предостережением для слишком амбициозных исследователей.

Спустя десятилетия некоторые ученые вернулись к идеям Флейшмана и Понса. Работой электрохимиков вдохновилась команда химиков под руководством Кертиса Берлингетта (Curtis Berlinguette) из Университета Британской Колумбии. Правда, новый подход фундаментально отличается от видения Флейшмана и Понса: канадские исследователи не пытались доказать правоту коллег, а взяли из их эксперимента ключевую идею.

Статья по теме: Дефицит лития может сорвать мечту человечества о термоядерной энергетике

Берлингетт и его команда построили настольный ускоритель частиц, который получил название «Thunderbird». В новой схеме снова используется металл палладий и дейтерий. Ученые направили мощный пучок ядер дейтерия (дейтронов) на мишень из палладия. Палладий обладает уникальной способностью, словно губка, поглощать огромное количество водорода и его изотопов. Ядра дейтерия из пучка начали проникать в кристаллическую решетку металла и сталкиваться там с другими дейтронами, которые уже находились внутри. Эти столкновения приводили к слиянию ядер — то есть к настоящей ядерной реакции с выделением нейтронов.

В течение первых 30 минут эксперимента количество нейтронов росло, а затем вышло на плато. Это говорило о том, что палладий достиг точки насыщения и больше не мог поглощать дейтерий.

Затем ученые сделали ход, позаимствованный у «первооткрывателей» холодного синтеза. Берлингетт и его коллеги активировали электрохимическую ячейку, заполненную оксидом дейтерия (тяжелой водой). Пропуская через эту ячейку электрический ток, они расщепили тяжелую воду на кислород и дейтерий. Высвободившийся дейтерий немедленно поглощался палладиевой мишенью, что увеличивало концентрацию «топлива» внутри металла. Чем больше дейтерия оказалось внутри металла, тем чаще ядра сталкивались и сливались друг с другом, то есть реакция шла активнее.

Этот маневр дал важный результат. Дополнительная «закачка» дейтерия с помощью электрохимии ускорила реакцию ядерного синтеза примерно на 15 процентов, но вырабатываемая мощность оказалась мизерной — в миллиард раз меньше, чем у обычной лампочки. При этом сама установка потребляет 15 ватт, иными словами, тратит намного больше, чем дает. Поэтому о каком-то «реакторе для дома» речи не идет — пока это только научный эксперимент.

Статья по теме: На БАК обнаружили самое тяжелое ядро антиматерии

Главное отличие от опыта 1989 года — источник самой реакции. Тогда ученые полагали, что синтез запускает сама электрохимия — то есть процесс, похожий на работу батарейки. В новой установке «Thunderbird» все иначе: реакцию вызывает мощный поток разогнанных частиц дейтерия. Их энергия соответствует температурам в сотни миллионов градусов. То есть это не «холодный», а самый настоящий «горячий» синтез, о котором ученые знают уже давно.

Несмотря на скромные результаты, работа все же интересная. По словам некоторых физиков, эксперимент показал возможность управлять процессом насыщения металла дейтерием. При изменении состава электрода или его формы можно усилить эффект. Специалисты полагают, что простая смена геометрии электрода увеличила бы скорость реакции в 10 тысяч раз. Однако даже такой скачок далек от уровня, нужного для энергетики.

Берлингетт смотрит на проблему шире. Технология электрохимического насыщения металлов водородом может пригодиться не только для синтеза. С ее помощью можно создавать материалы для высокотемпературных сверхпроводников. Эти вещества проводят ток без сопротивления и могут радикально изменить энергетику. Но традиционные методы их получения требуют чудовищных давлений и огромных затрат энергии. Если техника, использованная в «Thunderbird», позволит обходиться без этого, ученые получат мощный инструмент для новых открытий.

Выводы команды Берлингетта представлены в журнале Nature.