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Die Absorption und Diffusion von Wasserstoff in Metallen ist ein Forschungsthema mit technischen Anwendungen zum Beispiel für die Herstellung, Abtrennung, Reinigung und Speicherung von Wasserstoff sowie für Brennstoffzellen und chemische Katalyse. Bei einer politisch gewollten Wende zu einer „Wasserstoff-Energiewirtschaft“ kann seine Bedeutung nur noch zunehmen. Deshalb ist es wichtig, möglichst standardisierte Methoden und Werkstoffe für eine effiziente und kostengünstige Erforschung dieser Vorgänge zu entwickeln und bereit zu stellen.
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Die Fähigkeit elementarer Metalle, Wasserstoff aufzunehmen, unterscheidet sich stark und die physikalisch-chemischen Grundlagen für diese Unterschiede sind noch nicht bekannt. Erschwerend ist dabei, dass Metalle mit besonders hoher Kapazität für die Aufnahme von Wasserstoff, wie z.B. Palladium, Platin, Titan oder Nickel, als Elemente mit geradzahliger Ordnungszahl, in der Natur nur als ein Gemisch von mehreren Isotopen vorkommen. Dadurch wird ein theoretisches Verständnis der relevanten Vorgänge erschwert.
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Obwohl die Isotope eines Elements sich chemisch identisch verhalten, haben sie doch eine unterschiedliche Atommasse. Das bedeutet dass in allen Belangen, bei denen die Atommasse eine Rolle spielt, quantitative Unterschiede auftreten müssen. Das gilt zum Beispiel für Schwingungen des Kristallgitters (Phononen), die wichtige Aspekte der physikalischen Eigenschaften der Metalle mitbestimmen. Eine vollständige quantenmechanische Beschreibung des Verhaltens von Elektronen oder eben auch von Wasserstoff (Protonen) oder Deuterium (Deuteronen) in einem Metall setzt die Berücksichtigung solcher Schwingungen oder anderer Parameter des Kristallgitters voraus, in deren Berechnung die Masse der Metallatome mit einfliesst.
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Für eine quantenmechanisch korrekte Beschreibung solcher Metalle ist dies eine Schwierigkeit. Idealerweise gehen quantenmechanische Berechnungen zu einem Kristallgitter davon aus, dass die Atome des Kristallgitters alle identisch sind oder wenn es - wie in einer Legierung - mehrere Sorten von Atomen sind, dass diese regelmässig auf bestimmten Plätzen im Kristallgitter angeordnet sind. Dann ergibt die quantenmechanische Beschreibung des Verhaltens von z.B. Elektronen oder Phononen wohldefinierte Energiezustände, die diese Teilchen einnehmen können und die überall im Kristallgitter gleich sind.
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In wirklichen Metallen, die aus einem (natürlichen) Isotopengemisch bestehen, ist das aber komplizierter. Es ist klar, dass die Atome der unterschiedlichen Isotope, da sie sich chemisch identisch verhalten, auch im Kristallgitter statistisch zufällig verteilt sind. Damit ist die Atommasse aber nicht einheitlich, sondern sie variiert im Kristallgitter von Ort zu Ort in zufälliger Weise. Daraus folgt, dass Energiezustände, die in einem isotopenreinen Metall (wie z.B. Rhodium, Gold oder Aluminium) wohldefiniert und überall gleich wären, in diesen Metallen uneinheitlich sind. Sie können deshalb auch keine einheitlichen Energiewerte annehmen, sondern variieren ebenfalls von Ort zu Ort. Anstelle von wohldefinierten und überall gleichen Energiewerten bildet sich also ein Spektrum von lokalen Energiezuständen aus, das die Variabilität der Atommassen berücksichtigt. Das gilt besonders für Vorgänge wie Gitterschwingungen (Phononen) oder Cooper-Paare (Supraleitung), bei denen die Eigenschaften des Kristallgitters über einen grösseren Bereich gemittelt werden müssen, um sie korrekt zu beschreiben.
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Um das Verhalten von Wasserstoff oder auch Deuterium in Metallen wie Platin, Palladium, Titan oder Nickel in einer Theorie einerseits und mit Experimenten andererseits vollständig zu beschreiben, wäre es also hilfreich, in der Theorie zunächst von isotopenreinen Elementen auszugehen und auch die Experimente mit isotopenreinen Metallen durchzuführen. Die Separation der Isotope von Metallen ist technisch zwar aufwändig, aber mit gut bekannten Verfahren durchaus möglich (1).
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Dabei empfiehlt es sich, isotopenreine Metalle schon wegen ihrer Kosten bei Experimenten so sparsam wie möglich einzusetzen. Naheliegend ist deshalb, sie für Versuche als eine dünne Schicht auf ein Trägermaterial aufzubringen, das für die Zwecke der jeweiligen Versuchsanordnungen geeignet ist. Verfahren zur Herstellung dünner Metallschichten auf einem Substrat sind zahlreich und hinreichend bekannt; dazu gehören Aufdampfen im Vakuum, Kathodenzerstäubung (sputtering), Abscheidung aus der Gasphase (chemical vapor deposition, CVD), Plasma- oder Glimmentladungen, galvanische Abscheidung, chemische Reduktion, und so weiter.
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Bei der Auswahl des Materials für das Substrat kommt es darauf an, für welche Zwecke es gedacht ist und auf welche Weise der Wasserstoff in das Metall eingebracht werden soll. Für elektrochemische Versuche sind vor allem andere Metalle als Substrat geeignet, oder auch dasselbe Metall in seiner natürlichen Isotopen-Zusammensetzung. Für Versuche in der Gasphase, die bei höheren Temperaturen stattfinden, sind dagegen wärmefeste Materialien wie z.B. Quarz, Zeolithe oder Keramik vorzuziehen.
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Ein weiterer Vorteil der Verwendung des (isotopenreinen) Metalls in Form dünner Schichten ist, dass das Metall in einer dünnen Schicht viel schneller durchgehend Wasserstoff aufnehmen kann und hohe Wasserstoffkonzentrationen also bereits nach viel kürzerer Zeit erreicht werden. Damit sind die Experimente wesentlich schneller und effektiver durchzuführen, als mit dickeren Proben des Metalls. Auch lassen sich die Beschaffenheit und Eigenschaften des Metalls (mit und ohne Wasserstoff) an dünnen Schichten mit allerlei Verfahren besonders gut untersuchen.
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Eine besonders elegante Lösung der Aufgabe könnte sein, ein isotopenreines Metall, wie z.B. Palladium, in einer massenspektrometrischen Trennanlage direkt auf die vorgesehenen Substrate aufzubringen, indem das Substrat zum Target der nach Isotopen getrennten Ionenstrahlen gemacht wird. Sofern diese Substrate aus einfachen, preiswert verfügbaren Metallteilen bestehen, könnte dies zugleich eine kostengünstige Lösung sein. Zum Beispiel könnten gängige Münzen oder Medaillen aus Silber, wie zB. kanadische Maple Leaf Münzen, direkt in der Trennanlage auf einer Seite mit isotopenreinem Palladium beschichtet und in grosser Stückzahl für entsprechende Versuche zur Verfügung gestellt werden.
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Besondere Aufmerksamkeit erhielt das Thema „Wasserstoff in Metallen“ im Jahr 1989, als von Fleischmann und Pons berichtet wurde, dass in elektrochemisch mit Deuterium beladenem Palldium nukleare Prozesse, wie die Fusion von Deuterium zu Helium, stattfänden, wobei erhebliche Energiemengen freigesetzt würden (2). Dies war eine Sensation, auch weil damit die Aussicht auf grenzenlose Energieversorgung verbunden wurde. Diese „kalte Fusion“ (engl. „Cold Fusion“) wurde äusserst kontrovers diskutiert (3), konnte zunächst experimentell auch nicht bestätigt werden (4) und gilt mittlerweile in Fachkreisen als diskreditiert, man spricht sogar von „pathologischer Wissenschaft“ (engl. „pathological science“), auch wenn vereinzelte Erfolge gemeldet wurden (z.B. 5). Dennoch geht das Thema nicht ganz weg, denn bis heute gibt es Wissenschaftler und Institute, die daran festhalten. Dabei wird heute aber meist allgemeiner von „niederenergetischen Kernreaktionen“ gesprochen (engl. Low Energy Nuclear Reactions, LENR). Dies nicht nur weil die Bezeichnung „Cold Fusion“ auch in der breiteren Öffentlichkeit zu einem Inbegriff des Scheitems geworden ist, sondern auch weil der Schwerpunkt sich von einer direkten Fusion, z.B. von zwei Deuteriumkernen zu Helium, verlagert hat zu einer stufenweisen Transmutation von Elementen, die offenbar häufiger beobachtet werden soll (6), die aber nach dem allgemein anerkannten Stand der Physik ebenfalls nicht sein kann Dennoch gibt es durchaus anerkannte Physiker, Chemiker oder Ingenieure, die auf diesem Gebiet tätig sind (3,6) und man darf davon ausgehen, dass diese in der Regel - bis auf vereinzelte, unrühmliche Ausnahmen - keine Scharlatane sind, sondern aus ihrer Sicht ehrlich über ihre Versuche, Ergebnisse und Theorien berichten (3, 6). Mit Experimenten und Theorien wird versucht, die Existenz von LENR Phänomenen zu beweisen und zu verstehen, und viele Arbeiten wurden darüber veröffentlicht oder auf Fachtagungen vorgetragen.
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Die vorliegende Literatur zu LENR umfasst ein weites Feld, von der ursprünglichen Beobachtung von anomaler Energieerzeugung im System D/Pd bis hin zu noch viel abenteuerlicheren Ideen, wie zB. der Transmutation von Elementen in den Tiefen der Erde oder in lebenden Organismen (6). Diese Literatur bildet gewissermassen eine Brücke zwischen der etablierten, allgemein anerkannten Physik und teilweise sehr seltsamen Behauptungen, Beobachtungen und Spekulationen. Hier wird ausschliesslich der „harte Kern“ der Berichte zu Wasserstoff oder Deuterium in Metallen wie z.B. Palladium oder Nickel betrachtet, und alle anderen angeblichen Manifestationen von LENR spielen hier keine Rolle.
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Es sind vor allem zwei Gründe, warum die „kalte Fusion“ von fast allen Fachleuten, die nicht selbst daran arbeiten, kategorisch abgelehnt wird. Erstens, widerspricht sie eklatant dem etablierten theoretischen Verständnis über die Eigenschaften und das Verhalten der Materie, und besonders über die Voraussetzungen für thermonukleare Fusion. Zweitens sind auch die scheinbar erfolgreichen Experimente, die sie stützen sollen, ausserordentlich schlecht reproduzierbar. Selbst wenn manchmal „etwas passiert“, passiert doch meistens nichts, und das ist keine Grundlage für eine experimentelle Wissenschaft.
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Auf der Seite der Theorie ist das wesentliche Problem natürlich, dass für eine Fusion von Atomkernen die Coulomb-Barriere zwischen ihnen überwunden werden muss, und dass die ganz erheblichen Energiemengen, die dafür notwendig sind, in einem kleinen elektrochemischen Experiment auf dem Labortisch nicht darstellbar sind.
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Tatsächlich geben die Befürworter dieser Forschungen auch zu, dass neue, noch völlig unbekannte Wechselwirkungen und Theorien erforderlich sein werden, um derartige Phänomene zu erklären. Es gibt auch mehrere, teilweise faszinierende Modellvorstellungen und Beschreibungen (z.B. 7, 8, 9), die aber nicht immer rigoros begründet oder mit bisherigen Vorstellungen kompatibel sind. Dabei werden immer irgendwelche Wechselwirkungen angenommen, die zwischen den Deuteronen oder Protonen und dem Palladium-Kristallgitter und / oder seinen Leitungselektronen stattfinden sollen, um die Atomkerne entweder gegeneinander abzuschirmen oder sie z.B. durch „Vibrationen“ zueinanderzuführen.
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Diese Anmeldung beruft sich dazu auf folgenden Gedankengang. Jede wie auch immer geartete Wechselwirkung, an der das Palladium-Kristallgitter beteiligt ist, wird sich irgendwie mit Energiezuständen von Elektronen, Phononen, Vibrationen, besetzten oder unbesetzten Gitterplätzen, irgendwelchen Quasiteilchen, usw. beschreiben lassen. Die Energie-Werte oder Energie-Niveaus, die mit derartigen Zuständen verbunden sind, hängen selbstverständlich von den physikalischen Eigenschaften der Palladium-Atome ab. Nun liegt aber Palladium, als ein Element mit gerader Ordnungszahl, in der Natur immer als ein Gemisch von zahlreichen Isotopen vor, deren Atome zwar identische chemische Eigenschaften, aber eine unterschiedliche Atommasse aufweisen. Es ist anzunehmen, dass diese Isotope im metallischen Palladium streng zufällig verteilt sind.
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Das bedeutet aber auch, dass die Energie-Niveaus von Vibrationen oder Phononen, an denen das Palladium-Kristallgitter beteiligt ist, nicht überall identisch sein können, sondern immer von der lokalen Verteilung der verschiedenen Isotope abhängen. Ganz gleich welche Art von Theorie man sich für LENR überlegen mag (z.B. 7, 8, 9), bedeutet diese isotopische Inhomogenität doch immer, dass es in einem solchen Kristall keine einheitlichen, räumlich ausgedehnten und energetisch wohldefinierten Grundzustände geben kann, sondern stets nur eine etwas breitere Verteilung derartiger Energiezustände. Dies erschwert oder verhindert eine einheitliche Koordination von Zuständen, wie zum Beispiel kohärente Schwingungen oder eine Kondensation von Deuteronen als Bosonen (10). Selbst wenn exotische Kernreaktionen in einem solchen System also theoretisch denkbar wären, sind sie durch die isotopische Inhomogenität praktisch ausgeschlossen.
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Es ist bemerkenswert, dass diese natürliche Isotopen-Inhomogenität des Palladiums in der gesamten vorliegenden Literatur und Diskussion über LENR-Phänomene bisher an keiner Stelle Erwähnung gefunden hat. Vielmehr wird Palladium dort stets als ein wohlbekanntes und homogenes Material aufgefasst und auch in theoretischen Überlegungen wird es immer so behandelt. Die hier vorgestellte Idee, dass mit der Verwendung von isotopenreinem Palladium auf diesem Gebiet neue Erkenntnisse gewonnen und eventuell sogar die Frage nach der Existenz von LENR abschliessend geklärt werden könnte, ist also völlig neu.
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Auf der experimentellen Seite können hier nicht alle Berichte und Beobachtungen angeführt werden, die über „kalte Fusion“ im System Pd/D vorliegen. Es sind jedoch zwei immer wiederkehrende Befunde hervorzuheben. Erstens, nochmals, die ausserordentlich schlechte Reproduzierbarkeit der beobachteten Phänomene. Sie bedeutet, dass es irgendwelche Faktoren oder Einflüsse geben muss, die noch völlig unbekannt oder unverstanden sind. Zweitens, wird immer wieder berichtet, dass in den Fällen, wo scheinbar eine anomale Energieerzeugung stattgefunden hat oder wo im Anschluss an ein Experiment unerklärlicherweise völlig andere Metalle und Isotope als im Ausgangsmaterial gefunden wurden, die Oberfläche des Palladiums markante Veränderungen aufwies, wobei vor allem winzige lokalisierte Vertiefungen oder Krater festzustellen sind (8, 11). Dies legt nahe, dass die anomale Reaktion nur in kleinen, lokalisierten Bereichen des Palladiums („hot spots“) stattfindet, dort aber so intensiv ist, dass sie das Metall verformt oder sogar zum Schmelzen bringt.
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Beide Befunde finden nun mit der isotopischen Inhomogenität des Palladiums eine überzeugende Erklärung. Wenn es für die LENR notwendig ist, dass irgendwelche energetischen Zustände im Kristallgitter über einen gewissen räumlichen Bereich homogen und identisch sind, dann ist diese Voraussetzung in natürlichem Palladium in der Regel nicht erfüllt. Aus diesem Grund scheitert die Mehrzahl der Versuche. Jedoch mag es vorkommen, dass in einem kleinen Bereich des Kristalls rein zufällig nur Atome desselben Isotops vorliegen, wie eine kleine Insel aus isotopenreinem Palladium im grösseren, inhomogenen Gefüge. Die zu erwartende Grösse solcher Inseln kann anhand der natürlichen Isotopenverteilung leicht berechnet werden. Eine grobe Schätzung, ausgehend von der natürlichen Isotopenverteilung mit je etwa 27% der Isotope 106Pd und 108Pd ergibt, das Inseln mit bis zu 30 identischen Atomen mit Sicherheit vorkommen, während grössere Gebiete statistisch unwahrscheinlicher werden und schon Bezirke mit 40 oder mehr identischen Atomen nicht mehr zu erwarten sind. Wenn dies zufällig die Grösse eines Bereichs wäre, der die LENR Phänomene gerade ermöglicht, dann erklärt dies auf elegante Weise sowohl die schlechte Reproduzierbarkeit der experimentellen Befunde wie auch die „hot spots“. Die meisten Elektroden aus Palladium werden dann wohl keine ausreichend grossen Bezirke isotopischer Homogenität enthalten, aber wenn doch zufällig welche vorhanden sind, dann findet dort eine Reaktion statt und es ergeben sich die beschriebenen „hot spots“ an der Palladium-Oberfläche.
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Nochmals ist an dieser Stelle zu betonen, dass in der gesamten bestehenden Literatur zu LENR die Isotopen-Inhomogenität des Palladiums nirgendwo erwähnt, oder gar als mögliche Ursache für die mangelnde Reproduzierbarkeit oder die lokalisierten „hot spots“ genannt wird. Als mögliche Ursache für die „hot spots“ werden vielmehr nur Korngrenzen, Mikrorisse, Fehlstellen oder Verunreinigungen im Palladium genannt, an denen sich das Deuterium auf die eine oder andere Weise besonders ansammeln soll.
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Daraus folgt die also völlig neue Erkenntnis, dass LENR Phänomene, falls es sie tatsächlich geben sollte, in Palladium, das mit einem seiner Isotope angereichert worden ist, viel häufiger erscheinen sollten und dass sie in isotopenreinem Palladium völlig reproduzierbar und vorhersagbar sein müssten. Isotopenreines Palladium wird zum Beispiel technisch durch massenspektrometrische Isotopentrennung in entsprechenden Anlagen erzeugt (1). Eventuell könnte auch „Reaktor-Palladium“ aus der Aufarbeitung von kerntechnischen Spaltprodukten zur Verwendung kommen, da es eine andere Isotopenverteilung besitzt als natürliches Palladium (12).
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Für die systematische Untersuchung des Verhaltens von Wasserstoff oder Deuterium in Palladium (oder anderen Metallen) wäre eine Versuchsanordnung hilfreich, mit der entsprechende Versuche in natürlichem oder isotopenreinem Palladium auf standardisierte, gefahrlose und reproduzierbare Weise durchgeführt werden können. Dabei ist zu erwähnen, dass in bisherigen Berichten zu LENR die relevanten Phänomene meist direkt an der Oberfläche der Palladium-Elektroden bis zu einer Eindringtiefe von 10 µm stattgefunden haben sollen (13,14). Daraus folgt, dass im Grunde nur eine relativ dünne Pd-Schicht benötigt wird, die auf einem geeigneten Trägermaterial aufgebracht ist. Das erscheint besonders wichtig für Arbeiten mit isotopenreinem Palladium, das nur zu erheblichen Kosten beschafft werden kann, so dass ein minimaler Materialverbrauch anzustreben ist. Auch wären dünne Pd-Schichten von Vorteil, um die „Ladezeit“ bis zum Erreichen der nötigen Beladung mit Wasserstoff oder Deuterium zu verkürzen, die bei den ersten Versuchen mit massiven Palladium-Elektroden mit Wochen bis Monaten angegeben wurde (2).
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Eine weitere Überlegung ist, dass eventuell doch entstehende, grosse Wärmemengen einfach und gefahrlos abgeführt werden müssen. Deshalb sollten die dünnen Pd-Schichten auf einem Substrat mit guter Wärmeleitung und mechanischer Festigkeit aufgebracht werden. Für elektrochemische Versuche, bei denen die Pd Schicht als Kathode eingesetzt wird, wären deshalb vor allem wärmeleitende Metalle, wie Kupfer oder Silber geeignet. Bei Versuchen in der Gasphase, bei denen mit viel höheren Temperaturen zu rechnen ist, wären Substrate aus Quarz, Korund, Silizium, Graphit, oder geeigneten keramischen Stoffen vorzuziehen.
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Eine besonders elegante Methode zur Bereitstellung der erfindungsgemässen Anordnung könnte sein, das isotopenreine Palladium direkt in der massenspektrometrischen Trennanlage auf das Substrat aufzubringen. Dazu müsste das Substrat als Target für den aufgetrennten Ionenstrahl eingesetzt werden, und das isotopenreine Palladium würde unmittelbar darauf abgelegt.
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Dabei könnten zum Beispiel auch gängige Silbermünzen, wie z.B. kanadische Maple Leaf Münzen aus chemisch reinem Silber, als Substrate besonders geeignet sein. Es wäre denkbar, solche Münzen auf einer Seite mit isotopenreinem Palladium zu beschichten, und sie dann in grosser Stückzahl in den Handel zu bringen. Dies könnte die Möglichkeit, mit LENR Reaktionen zu experimentieren, auch für eine breitere Allgemeinheit zugänglich machen.
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zitierte Literatur
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- 1 Polyakov et al. Method of separation of palladium isotopes in electromagnetic separator using a source of ions. US 6,806,462 B1 (2004)
- 2 Fleischmann M., Pons S. Electrochemically induced nuclear fusion of deuterium. Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry 261:301-308 (1989)
- 3 Krivit, SB. Hacking the Atom - Explorations in Nuclear Research Vol. 1. Pacific Oaks Press, San Rafael, California (2016)
- 4 Lewis NS et al. Searches for low-temperature nuclear fusion of deuterium in palladium. Nature 340:525-530 (1989)
- 5 Zhang et al. On the Explosion in a Deuterium/Palladium Electrolytic System. in: Third International Conference on Cold Fusion 1992 Nagoya, Japan. Universal Academy Press, Tokyo.
- 6 Cold Fusion - Advances in Condensed Matter Nuclear Science. Biberian, J.P. (editor). Elsevier, 2020
- 7 Gabovich AM. Possibility of cold fuslion in palladium deutendes: screening effects and connection to superconducting properties. Philosophical Magazine B76:107-118 (1997)
- 8 De Ninno A, Del Giudice E, Frattolillo A. Excess Heat and Calorimetric Calulation. ACS Symposium Series 998:127-152 (2008)
- 9 Swartz MR. Quasiparticles, Collective Excitations and Higher-Order Collective Quasi-Excitations in Lattice Assisted Nuclear reactions. J. Condes. Matter Nuclear rections 25:26-55 (2017)
- 10 Winterberg F. Ultra-dense deuterium and cold fusion claims. Physics Letters A 374:2766-2771 (2010)
- 11 Valat MJ. Elemental and Isotopic Measurements on Palladium after Heavy Water Electrolysis. Dissertations and Theses Paper 60 (2011) (download from pdxscholar.library.pdx.edu)
- 12 Bush, RP. Recovery of Platinum Group Metals from High Level Radioactive Waste. Platinum Metals Rev. 35:202-208 (1991)
- 13 Bockris J.O'M and Minevski Z. Two zones of impurities observed after prolonged electrolysis of deuterium on palladium. Infinite Energy Magazine, #5 & #6, p.67
- 14 Mizuno T, Ohmori T, Enyo M. Anomalous Isotopic Distribution in Palladium Cathode after Electrolysis. J. New Energy 1:37 (1996)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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