Cold Fusion

Cold Fusion

อะตอมของไฮโดรเจนประกอบด้วย 1 โปรตอน กับ 1 อิเล็กตรอน ซึ่ง99.9% ของอะตอม ของไฮโดรเจน ในธรรมชาติ เป็นแบบนี้ ส่วนอีก 2 ไอโซโทป ของไฮโดรเจน คือ ดิวทีเรียม (Deuterium) กับตริเตียม (Tritium) ดิวทีเรียมมีคุณสมบัติเหมือนไฮโดรเจน แต่ต่างกันที่ ในนิวเคลียสมี 1 นิวตรอนกับ 1 โปรตอน นิวตรอนที่มีเพิ่มขึ้นมา ทำให้ดิวทีเรียม มีมวลมากกว่าไฮโดรเจนปกติ 2 เท่า น้ำที่ทำจากดิวทีเรียม จึงเรียกว่า น้ำมวลหนัก (heavy water : D₂O) โดยในธรรมชาติมีดิวทีเรียม 0.01% ตริเตียมมี 1 โปรตอนกับ 2 นิวตรอนในนิวเคลียส และมีกัมมันตภาพรังสี


Hydrogen (H-1)	Deuterium (H-2)	Tritium (H-3)

นิวเคลียสมีประจุไฟฟ้าบวก ทำให้มีแรงผลักกับนิวเคลียสอื่น แบบเดียวกับแรงผลักของแม่เหล็ก ถ้าเอาขั้วเดียวกัน มาอยู่ใกล้กัน การเกิดปฏิกิริยาฟิวชันปกติ (High temperature fusion) ใช้อุณหภูมิ ในระดับล้านองศา และความดันที่สูงมาก เพื่อให้อยู่ในสภาวะ ที่เหนือกว่าแรงผลัก ระหว่างนิวเคลียส ทำให้รวมไฮโดรเจนเข้าด้วยกันเป็นฮีเลียม อะตอมของฮีเลียมปกติจะมี 2 โปรตอนกับ 2 นิวตรอน จึงสามารถหลอมรวมไฮโดรเจน ให้เป็นฮีเลียม ได้หลายแบบ และอาจจะทำเป็นฮีเลียมปกติ หรือทำเป็นไอโซโทปอื่น เช่น ฮีเลียมที่มี 1 นิวตรอน เรียกว่าฮีเลียม-3 (³He)

He-4

He-3

ตัวอย่างปฏิกิริยาฟิวชัน เช่น ให้นิวเคลียสของ 4 ไฮโดรเจน (โปรตอน) รวมกันเป็นฮีเลียม 2 อะตอม (ในกระบวนการนี้ 2 โปรตอนจะเปลี่ยนไปเป็น 2 นิวตรอน)

แต่ถ้าใช้ดิวทีเรียมหรือตริเตียม จะต้องการ 2 นิวเคลียสเท่านั้น เนื่องจาก มีนิวตรอนอยู่แล้ว การหลอมรวม ดิวทีเรียม หรือตริเตียม จึงต้องการพลังงาน น้อยกว่าไฮโดรเจนปกติมาก และมักจะใช้ ในการวิจัยโดยทั่วไป แต่ถึงกระนั้น แรงผลักระหว่างนิวเคลียสก็ยังสูง และยังต้องใช้อุณหูมิที่สูงมาก

การใช้มิวออนกระตุ้นให้เกิด cold fusion (Muon catalyzed cold fusion)
ในปี 1950 นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบว่า สามารถรวมอะตอมของไฮโดรเจนเข้าด้วยกัน โดยไม่ต้องใช้อุณหภูมิสูงมาก โดยใช้อนุภาคเรียกว่า มิวออน (muon) โดยปกติ ไฮโดรเจน 2 อะตอม จะรวมกันเป็นโมเลกุลของแก็สไฮโดรเจน โดยเกาะกันด้วยอิเล็กตรอน แต่นิวเคลียสของอะตอม ไม่ได้เข้าใกล้กันพอที่จะรวมกัน เนื่องจากแรงผลักของนิวเคลียส ทำให้มันอยู่แยกห่างจากกัน

มิวออนเป็นอนุภาคในตระกูลเดียวกับอิเล็กตรอน แต่มีมวลหนักกว่าประมาณ 207 เท่า และมักจะเกิดขึ้นได้โดยใช้เครื่องเร่งอนุภาค nuclear accelerator มิวออนลบ มีคุณสมบัติ คล้ายกับอิเล็กตรอน และสามารถอยู่ในวงโคจรของอะตอมได้ มิวออนสามารถอยู่ได้ประมาณ 2.2 ไมโครวินาที ก่อนจะสลายตัวไปเป็นอิเล็กตรอน เมื่อยิงมิวออนใส่อะตอมของไฮโดรเจน (ทั้งแบบปกติและแบบมวลหนัก) มิวออนจะกระแทกอิเล็กตรอน ให้หลุดจากอะตอม ของไฮโดรเจน แล้วเข้าไปแทนที่ แต่มิวออนมีมวลมากกว่า จึงมีวงโคจรที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากกว่าอิเล็กตรอน และทำให้ไปลดประจุบวกของนิวเคลียสลงบางส่วน

อะตอมไฮโดรเจนที่มีมิวออน สามารถรวมกับไฮโดรเจนอะตอมอื่น ทำให้ได้โมเลกุล ที่อะตอม อยู่ใกล้กันมากขึ้น โดยมิวออนไปลดแรงผลักของนิวเคลียส และทำให้มารวมกันได้ การหลอมรวม หรือฟิวชัน สามารถทำให้เกิดได้หลายวิธี อาจทำจากอะตอมของ ดิวทีเรียม ตริเตียม ฮีเลียม-3 และฮีเลียมปกติ วิธีที่ดีวิธีหนึ่ง คือ การใช้โมเลกุล ที่มีอะตอมของดิวทีเรียมกับตริเตียม เกาะกันด้วยมิวออน ทำให้นิวเคลียสอยู่ใกล้กันมากพอ จะหลอมรวมกัน เป็นอะตอมของฮีเลียม โดยมี 1 นิวตรอนปลดปล่อยออกมา มิวออนจะหลุดออกจากอะตอมของฮีเลียม และจะไปทำให้ไฮโดรเจน อะตอมอื่น รวมกันต่อไป

เนื่องจากปฏิกิริยาฟิวชัน ไม่ได้ทำให้สูญเสียมิวออน เพียงแต่ทำหน้าที่กระตุ้นเท่านั้น ในบางการทดลอง มิวออนสามารถกระตุ้นทำให้เกิดฟิวชันได้ 150 ปฏิกิริยาก่อนจะสลายตัว ปัญหาหลักที่พบ คือ มิวออนอาจจะติดอยู่กับฮีเลียมอะตอมใหม่ ทำให้สูญเสียเวลาในการทำให้เกิดฟิวชันปฏิกิริยาต่อ ๆ ไป ในการจะใช้เป็นต้นกำเนิดพลังงานได้ พลังงานที่ปลดปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาฟิวชัน จะต้องมากกว่าพลังงานที่ให้กับเครื่องเร่งอนุภาค เพื่อสร้างมิวออนลบ และยิงเข้าใส่ไฮโดรเจน ข้อสำคัญคือ การทำให้มิวออนกระตุ้นให้เกิดได้หลายปฏิกิริยา การวิจัยเพื่อลดพลังงาน ที่ต้องใช้ในการทำให้เกิดมิวออน ในปี 1980 นักวิทยาศาสตร์ทำให้มีพลังงานออกมาได้ และกำลังพยายามพัฒนา วิธีการควบคุมปฏิกิริยาฟิวชันอยู่อย่างต่อเนื่อง

Electrolytic cold fusion

การทำให้อะตอมของไฮโดรเจนเข้ามาอยู่ใกล้กันที่อุณหภูมิต่ำ ที่นักวิทยาศาสตร์พยายามทำกันอยู่อีกวิธี คือการทำให้มารวมกันอยู่ ภายในโลหะ โดยใช้กระแสไฟฟ้า ในปี 1866 โทมัส เกรแฮม พบว่าโลหะพาราเดียม สามารถดูดกลืนไฮโดรเจนได้ วิธีการคือ การใช้พาราเดียม เป็นขั้วอิเล็กโทรด ในเซลล์แบตเตอรี่ ซึ่งเซลล์แบตเตอรี่โดยทั่วไป น้ำจะแตกตัวออก เป็นไฮโดรเจนกับออกซิเจน แล้วกลายเป็นฟอง ของแก็สไฮโดรเจน กับออกซิเจน ถ้าใช้พาราเดียมเป็นขั้วไฟฟ้า ไฮโดรเจน จะถูกดูดซึม เข้าไปในอยู่ในโครงสร้างโมเลกุล ที่อยู่ชิดกันของพาราเดียม ไม่เพียงแต่พาราเดียมเท่านั้น ที่เป็นโลหะที่มีคุณสมบัตินี้ ตามทฤษฎีแล้ว ถ้าถูกดูดซึมเข้าไปในโครงสร้างผลึก ของโลหะมากขึ้น ไฮโดรเจนบางส่วนจะหลอมรวมกันเป็นฮีเลียมได้

ในปี 1926 นักเคมีชาวเยอรมัน 2 ท่าน คือ Panet and Peters ได้ประกาศว่า ได้ตรวจพบการเกิดฟิวชัน ของไฮโดรเจน โดยใช้พาราเดียม แต่ภายหลังการตรวจสอบพบว่า การค้นพบดังกล่าว เกิดขึ้นจากการปนเปื้อน

ในปี 1989 นักวิทยาศาสตร์ 2 ท่าน Fleischmann and Pons ประกาศว่า สามารถทำให้เกิด นิวเคลียร์ฟิวชันของไฮโดรเจน ไปเป็นฮีเลียมที่อุณหภูมิห้อง ด้วยเซลล์ไฟฟ้า ทำให้ได้ความร้อน โดยไม่มีนิวตรอนออกมา เซลล์ของเขาทำขึ้นมาพิเศษ จากพาราเดียมและ heavy water (deuterium and oxygen) หลังจากปล่อยทิ้งไว้ 100 ชั่วโมง มันจะละลายและให้ความร้อนออกมา การรายงานครั้งนี้ ทำให้เกิดเสียงโต้แย้งอย่างมาก เพราะไม่มีรังสีนิวตรอนออกมา Fleischmann and Pons อธิบายว่า ที่เป็นอย่างนี้ เพราะการเกิดปฏิกิริยาฟิวชัน เนื่องจากนิวเคลียสของดิวทีเรียม 2 อะตอม รวมเข้าด้วยกัน กลายเป็นฮีเลียมธรรมดา กับรังสีแกมมา (เขารายงานว่ารังสีแกมมาอาจถูกโลหะดูดกลืนไว้) แทนที่จะเป็น ฮีเลียม-3 กับนิวตรอน มีนักวิทยาศาสตร์ท่านอื่น ไม่เชื่อถือและได้ทำการทดลองซ้ำ บางการทดลอง มีรังสีนิวตรอนออกมา แต่ไม่มีความร้อนออกมา

มีการทดลองอื่น ที่ใช้โลหะไตตาเนียมแทนพาราเดียม ซึ่งแสดงให้เห็นว่า ทำให้เกิดการฟิวชันเป็นฮีเลียมได้ แต่ด้วยอัตราการปฏิกิริยาที่ต่ำ และให้ความร้อนออกมาน้อยมาก มีการทดลองที่ใช้ลิเทียมดิวเทอออกไซด์ (lithium deuteroxide, LiOD) กับ heavy water สามารถให้ความร้อนออกมาได้ (แต่ไม่มีรังสีออกมา) ซึ่งตามทฤษฎี การเกิดฟิวชันของอะตอมลิเทียม กับดิวทีเรียมจะได้ฮีเลียม 2 อะตอมออกมา มีบางการทดลองที่ใช้ เกลือของโปแตสเซียมละลายในน้ำธรรมดา และใช้นิเกิลเป็นขั้วแคโทด สามารถให้ความร้อนออกมาเช่นกัน

ตั้งแต่ปี 1989 มีนักวิทยาศาสตร์หลายท่าน ทำการทดลอง Cold fusion ด้วยเซลล์ไฟฟ้า (electrolytic cold fusion cells) หลายวิธี และมีรายงานถึง การค้นพบธาตุหลายชนิด ที่เกิดจากฟิวชัน ความร้อนและรังสี ที่ให้ออกมา แต่ไม่มีการการทดลองชิ้นใด ที่น่าเชื่อถือ หรือทำการทดลองซ้ำแล้วได้ผล การทดลองทั้งหมดนี้ ต้องมีเตรียมการพิเศษ ต้องควบคุมไม่ให้มีการปนเปื้อนของธาตุที่ต้องการตรวจสอบ แม้ว่าจะมีทฤษฎี อธิบายถึงการเกิดฟิวชัน แต่ไม่สามารถอธิบาย สภาวะแวดล้อม และเงื่อนไขที่แน่นอน ที่ใช้ในการทดลอง แล้วทำให้เกิดฟิวชันได้ในเซลล์ไฟฟ้า

นักวิทยาศาสตร์หลายท่าน มีความเห็นตรงกันว่า มีหลายการทดลอง ที่แสดงให้เห็นว่า อาจจะมีสิ่งที่สำคัญบางอย่างเกิดขึ้น จำเป็นต้องมีการวิจัยมากขึ้น เพื่อทำความเข้าใจกระบวนการที่เกิดขึ้น ถ้า electrolytic cold fusion มีบทสรุปว่าทำได้ โลกก็จะได้แหล่งพลังงานที่ปลอดภัยและราคาถูก

เมื่อเปรียบเทียบกับนิวเคลียร์ฟิชชันแล้ว นิวเคลียร์ฟิวชันทำให้เกิดกากกัมมันตรังสีน้อยกว่า ให้พลังงานจำนวนมากออกมา โดยใช้วัตถุดิบปริมาณน้อยมาก cold fusion จึงน่าสนใจที่จะนำใช้มากขึ้น ถ้าไม่ต้องลงทุนมหาศาล และการทำระบบที่ซับซ้อนในเรื่อง high temperature fusion reactor

Muon catalyzed fusion จึงเป็นการส่งสัญญาณที่ดี ในการแก้ปัญหาเรื่องความปลอดภัยของ fusion reactor นอกจากนั้น Electrolytic cold fusion ยังมีความน่าสนใจ ในส่วนที่ใช้พลังงานในการเดินเครื่องน้อยกว่ากันมาก ทำให้ประหยัดและมีความยุ่งยากน้อยกว่า จากการมีข้อโต้แย้งกันในเรื่องการยอมรับของ คำว่า “cold fusion” นักวิจัยจึงหันมาหาคำว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดทางเคมี (chemically assisted nuclear reactions CANR) หรือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์พลังงานต่ำ (low energy nuclear reactions, LENR) จากการที่เป็นกระบวนการ ให้พลังงานที่ปลอดภัย และไม่ซับซ้อน cold fusion จึงยังคงได้รับความสนใจ มีหลายพันผลงานได้รับการตีพิมพ์ ตั้งแต่ปี 1980

ถอดความจาก Cold Fusion Power Frontiers เวบไซต์ http://powerfrontiers.com/coldfusion.html

ผู้สนใจสามารถติดตามรายละเอียดการทดลองเพิ่มเติมได้จาก
http://jlnlabs.imars.com/cfr/index.htm ซึ่งแสดงผลการทดลองตามรูปด้านล่าง