DE3912320A1 - Einrichtung zur kalten kernfusion sowie elektrode dafuer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur kalten Kern­ fusion mit einer Kathode und einer Anode, zwischen die eine leichte Atomkerne enthaltende Substanz einbringbar und eine elektrische Spannung legbar ist. Sie bezieht sich weiterhin auf eine Kathode für eine solche Einrichtung.

In der deutschen Zeitung "Handelsblatt" vom 28.03.1989, Seite 16, sind ein Verfahren und eine Einrichtung zur Fusion von Deuterium­ kernen beschrieben. Dabei wird ein Behälter mit schwerem Wasser (D₂O) gefüllt. Dem schweren Wasser kann ein Elektrolyt beigege­ ben sein. Schweres Wasser (D₂O) zeichnet sich gegenüber gewöhn­ lichem Wasser (H₂O) dadurch aus, daß in seinen Molekülen die Wasserstoffatome (H) durch Deuteriumatome (D) ersetzt sind. In den gefüllten Behälter werden zwei Elektroden getaucht, von de­ nen die eine die Kathode (Elektronen abgebende Elektrode) aus dem Edelmetall Palladium, die andere (Anode) aus Platin be­ steht. Die Elektroden werden an eine Gleichspannungsquelle an­ geschlossen, so daß zwischen ihnen ein Strom fließt. Dabei werden vom Palladium Deuteriumatome aufgenommen. In der Gitter­ struktur des Palladiums erfolgt eine Kernfusion der Deuterium­ kerne, wobei unter anderem ein He3-Kern und ein Neutron und/oder ein Tritiumkern und ein Proton entstehen oder aber eine heute noch nicht bekannte Fusion, z. B. Verschmelzung zweier Deute­ riumkerne zu einem He4-Kern vor sich geht. Die bei der Fusion freigesetzte Energie ist so groß, daß sogar der Schmelzpunkt des Palladiums erreicht werden kann. Es wird hier davon ausge­ gangen, daß die entstehende Wärmeenergie zum Beispiel zur Elek­ trizitätserzeugung genutzt werden kann.

Die bekannte Einrichtung sieht die Verwendung von Elektroden als Anode und Kathode vor, die aus Platin bzw. aus Palladium bestehen. Beide Metalle sind sehr teuer, so daß ein Einsatz der geschilderten Einrichtung im großen Maßstab, also beispielsweise für die erwähnte Erzeugung elektrischer Energie, die in das öffentliche Netz eingespeist wird, unwirtschaftlich ist. Seit Bekanntwerden der "kalten Kernfusion" ist der Palladium-Preis beträchtlich gestiegen ("Newsweek", 17. April 1989, Seiten 44 und 45).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die auch im großen Maßstab kostengünstig aufgebaut werden kann. Weiterhin soll auch eine Kathode für eine solche Einrichtung angegeben werden.

Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kathode ein mit Palladium beschichtetes Metall mit kubisch-flächenzentriertem oder hexagonalem Gitter ist.

Die zweitgenannte Aufgabe wird durch eine Kathode gelöst, die gekennzeichnet ist durch ein mit Palladium beschichtetes Metall mit kubisch-flächenzentriertem oder hexagonalem Gitter.

Die Erfindung beruht dabei auf der Überlegung, daß der für die "kalte Kernfusion" notwendige schwere und superschwere Wasser­ stoff durch die katalytische Wirkung des Palladiums leicht in das Palladiumgitter eindringen kann. Das Gitter des genannten Metalls hat größere Oktaeder-Lücken, in die die leichten Atome (Wasserstoff (H), Deuterium (D), Tritium (T)) hineindiffundie­ ren können. Der eingangs erwähnte Nukleareffekt tritt dann nicht nur am Palladium, sondern auch an dem genannten Metall­ gitter auf. Die Palladium-Schicht, die auf das Metall mit dem ausgewählten Kristall-Gitter aufgetragen ist, erleichtert das Eindringen von Wasserstoff, Deuterium und/oder Tritium in das erwähnte Metallgitter. Dieses Metall gewährleistet eine aus­ reichende Stabilität. Das Metall ist - im Vergleich zu Palla­ dium - zu vernünftigen Preisen erhältlich, so daß Kosten ein­ gespart werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist einerseits als Me­ tall mit kubisch-flächenzentriertem Gitter Nickel (Ni), Platin (Pt) oder Magnesium (Mg) vorgesehen.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist andererseits als Metall mit hexagonalem Gitter Titan (Ti), Zirkon (Zr), Hafnium (Hf), Vanadium (V), Niob (Nb) oder Tantal (Ta) vorgesehen.

Da das Palladium als Schicht auf dem genannten Metall in er­ ster Linie eine katalytische Wirkung für das Eindringen der leichten Atomkerne entfaltet, kann die Schichtdicke des Palla­ diums relativ gering sein. Eine Schichtdicke von Palladium größer als 0,5 µ reicht für viele Zwecke aus.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen beschrieben.

Mit der Einrichtung nach der Erfindung wird der Vorteil erzielt, daß sie wegen des relativ geringen Marktpreises der genannten Metalle gegenüber des Preises von Palladium kostengünstig auf­ baubar ist. Selbst eine Erzeugung elektrischer Energie in einem Kraftwerk ist beim Einsatz von mit Palladium beschichteten Me­ tallen als Kathoden wirtschaftlich durchführbar. Palladium-be­ schichtete Elektroden sind auf jeden Fall kostengünstiger her­ zustellen als solche, die nur aus Palladium bestehen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Einrichtung zur kalten Kernfusion mit einer erfin­ dungsgemäßen Kathode;

Fig. 2 eine Ausführungsform einer Kathode in perspektivischer Darstellung;

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer Kathode in perspek­ tivischer Darstellung.

Fig. 4 eine Kathode mit sternförmigem Querschnitt;

Fig. 5 eine Kathode, die als sternförmiger beschichteter Rippen­ körper ausgeführt ist;

Fig. 6 eine Kathode mit Kühlkanal;

Fig. 7 eine weitere Einrichtung zur kalten Kernfusion nach der Erfindung, bei der die leichte Atomkerne enthaltende Substanz gleichzeitig als Kühlmittel verwendet wird; und

Fig. 8 eine Anode mit Beschichtung im Querschnitt.

In Fig. 1 ist eine Einrichtung zur kalten Kernfusion, das heißt zur Kernfusion bei Umgebungstemperatur, gezeigt. In ei­ nem Behälter 1, der thermisch isoliert (nicht gezeigt) ist, befindet sich eine leichte Atomkerne enthaltende Substanz 2. Bei dieser Substanz 2 kann es sich insbesondere um schweres Wasser (D₂O) handeln. In die Substanz 2 sind eine erste Elek­ trode oder Kathode 3 sowie eine zweite Elektrode oder Anode 4 eingebracht. Die Kathode 3 ist mit dem Minuspol und die Anode 4 ist mit dem Pluspol einer Gleichspannungsquelle 5 verbunden. Mit Hilfe dieser Gleichspannungsquelle 5 kann also zwischen die Elektroden 3, 4 eine elektrische Spannung U gelegt werden. Da in der Substanz 2 eine geringe Menge eines Elektrolyten, zum Beispiel Schwefelsäure (H₂SO₄), enthalten ist, fließt unter der Wirkung der Spannung U ein Strom von der Anode 4 zur Kathode 3, wobei eine Dissoziation des schweren Wassers (D₂O) einsetzt. Die dissozierten Gase D₂ und O₂ können über Anschlußstutzen 7 bzw. 8 des Behälters 1 getrennt entweichen. Eine Trennwand 1 A, die in die Substanz 2 eintaucht, trennt die Gase D₂ und O₂ von­ einander. Stattdessen könnte auch eine semipermeable Wand (nicht gezeigt), die bis zum Boden des Gefäßes 1 reicht, ver­ wendet werden.

Die Kathode 3 umfaßt ein mit Palladium beschichtetes Metall vorgegebener Geometrie mit kubisch-flächenzentriertem oder he­ xagonalem Gitter. Die Kathode 3 kann dabei z. B. als Platte oder als eine Reihe nebeneinanderstehender Stäbe ausgeführt sein. Während des Dissoziations-Vorgangs wird Deuterium aus der Substanz 2 vom Palladium (Pd) und dem besagten Träger-Metall schwammartig aufgesaugt. Im Inneren der Elektrode 3 (wahrschein­ lich durch "Tunneleffekte") kommt es zur sogenannten "kalten Kernfusion". Die dabei entstehende Wärmeenergie wird durch einen Wärmetauscher 9 abgeführt. Hierbei kann es sich um einen Behälter handeln, der den Behälter 1 umgibt. Dieser Behälter wird von einem Kühlmittel 10 durchflossen.

Als Trägersubstanz für die Palladiumschicht auf der Kathode 3 kann bevorzugt das kostengünstige Nickel vorgesehen sein. Die­ ses gewährleistet eine ausreichende mechanische Stabilität zu akzeptablen Kosten. Stattdessen kann auch Platin oder Magnesium verwendet werden. Die Gitter von Nickel, Platin und Magnesium besitzen eine kubisch-flächenzentrierte Struktur.

Soll dagegen als Trägersubstanz für das Palladium ein Metall mit hexagonalem Gitter gewählt werden, so kommen dafür Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob oder Tantal in Betracht.

Die Schichtdicke des Palladiums auf den genannten Metallen ist vergleichsweise gering. Das Palladium kann nach einem der gängi­ gen Verfahren auf diesem Metall aufgebracht sein, beispielswei­ se durch Aufwalzen, Eintauchen in geschmolzenes Palladium, Auf­ sputtern, durch Abscheiden aus der Gasphase oder durch elektro­ chemische Prozesse. Bevorzugt ist das Aufdampfen, da hierdurch ein enger Kontakt zwischen dem Palladium und dem Substrat ge­ währleistet werden kann. Die Schichtdicke sollte mehr als 0,5 µ betragen.

In Fig. 2 ist eine Kathode 3 von rechteckigem Querschnitt dar­ gestellt, bei der ersichtlich ist, daß sie ein Metall 3 a mit kubisch-flächenzentriertem oder hexagonalem Gitter und darüber eine dünne Schicht aus Palladium 3 b umfaßt. In Fig. 3 ist dem­ gegenüber eine Elektrode 3 gezeigt, die einen runden Quer­ schnitt besitzt. Außer solchen zylindrischen Elektroden 3 kön­ nen auch andere geometrische Konfigurationen verwendet werden. Dabei sollte darauf geachtet werden, daß diese Konfigurationen eine möglichst große Oberfläche besitzen, damit die durch die Kernfusion entstehende Wärmeenergie in ausreichendem Maße ab­ geführt werden kann.

In Fig. 4 ist eine Kathode 3 dargestellt, die einen sternförmi­ gen Querschnitt besitzt. Eine solche Konfiguration besitzt ein günstiges Oberflächen-Zu-Volumen-Verhältnis.

In Fig. 5 ist eine weitere Konfiguration einer Elektrode 3 mit sternförmigem Querschnitt gezeigt. Hier handelt es sich um ei­ nen Rippenkörper, der allseitig beschichtet ist. Mit anderen Worten, diese Kathode 3 besitzt einen zylindrischen Kern, von dem aus radial eine Anzahl von Rippen 11 ausgehen. Sowohl der Kern als auch die Rippen 11 sind also mit Palladium 3 b beschich­ tet. Das Substrat 3 a besteht also auch hier wieder aus einem Metall mit einer Gitterstruktur, in die leichte Atomkerne, das heißt H, D und/oder T, vergleichsweise leicht eindringen können.

Es wurde bereits dargelegt, daß bei der hier betrachteten kal­ ten Kernfusion enorme thermische Energiemengen entstehen. Eine Ableitung dieser Energiemengen zur wirtschaftlichen Nutzung oder allein schon zum thermischen Schutz der gesamten Einrich­ tung ist daher erforderlich. Gemäß Fig. 6 ist zu diesem Zweck eine Kathode 3 mit einem Kühlkanal 12 versehen. Vorliegend han­ delt es sich um eine Elektrode 3 von rundem Querschnitt, bei der zentral im zylindrischen Metall 3 a eine Innenkühlung vor­ genommen wird. Anstelle eines einzigen Kühlkanals können auch mehrere Kühlkanäle, die von einem geeigneten Kühlmittel durch­ flossen werden, in der Kathode 3 vorgesehen sein. Dies gilt natürlich auch für andere Geometrien als solche mit kreisrundem Querschnitt. Überdies ist anzumerken, daß es zweckmäßig sein kann, auch die Anode 4 mit einem oder mehreren Kühlkanälen zu versehen.

In Fig. 7 ist ein Teil einer Einrichtung zur kalten Kernfu­ sion dargestellt, bei der die Kathode 3, die auch hier wieder als solche mit einem kreisrunden Querschnitt dargestellt ist, außen und innen mit der leichte Atomkerne enthaltenden Substanz 2 beströmt wird. Dazu ist hier ein Behälter 1 vorgesehen, dem über einen Stutzen 13 die mit einem Elektrolyten versetzte Sub­ stanz 2 zugeführt wird. Diese Substanz 2 erfüllt hier eine Dop­ pelfunktion, da sie an das Palladium 3 b die leichten Atomkerne (H, D, T) liefert und gleichzeitig auch als Kühlmittel einge­ setzt wird. Die in der Einrichtung erhitzte flüssige Substanz 2 wird über einen Abzugsstutzen 14 abgeführt.

In der Einrichtung nach Fig. 7 ist wiederum eine mit Palladium 3 b beschichtete Elektrode 3 von rundem Querschnitt verwendet. Diese besitzt einen sich in Längsrichtung erstreckenden Kühl­ kanal 12 A, in den die flüssige Substanz 2 eintreten kann. Hier­ zu ist eine seitliche Öffnung 15 und/oder eine stirnseitige Eintrittsöffnung 16 vorgesehen. Die Austrittsöffnung des Kühl­ kanals 12 A ist mit 17 bezeichnet. Es ist ersichtlich, daß vor­ liegend die Elektrode 3, die auch hier wieder aus einem Metall 3 a mit kubisch-flächenzentriertem oder hexagonalem Gitter be­ steht, innen und außen mit einer Schicht 3 b von Palladium be­ legt ist. Mit anderen Worten, der innengelegene Strömungsweg oder Kühlkanal 12 A für die die leichten Atomkerne enthaltende Substanz 2 ist ebenfalls mit einer Schicht 3 b aus Palladium versehen.

In Fig. 7 ist dargestellt, daß die Anode 4 massiv aus einem Metall besteht. Dabei kann es sich beispielsweise um Platin handeln. Auch hier ist ein runder Querschnitt gewählt. In Fig. 8 ist demgegenüber dargestellt, daß die Anode 4 einen Kern 4 a besitzt, der außen mit einem Metall 4 b beschichtet ist. Hierbei kann es sich wiederum um Platin handeln, während der Kern 4 a aus einem tragfähigen Material wie einer Keramik be­ stehen kann.

Claims (17)

1. Einrichtung zur kalten Kernfusion mit einer Kathode (3) und einer Anode (4), zwischen die eine leichte Atomkerne enthaltende Substanz (2) einbringbar und eine elektrische Spannung (U) legbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (3) ein mit Palladium (3 b) beschichtetes Metall (3 a) mit kubisch-flächenzentriertem oder hexagonalem Gitter umfaßt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Metall (3 a) mit kubisch-flächen­ zentriertem Gitter Ni, Pt oder Mg vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Metall (3 a) mit hexagonalem Gitter Ti, Zr, Hf, V, Nb oder Ta vorgesehen ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke des Palladiums mehr als 0,5 µ beträgt.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (3) einen rechteckigen, runden oder sternförmigen Querschnitt besitzt.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der sternförmige Querschnitt durch einen beschichteten Körper mit Rippen (11) gebildet ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (3) mit mindestens einem Kühlkanal (12) versehen ist, der vorzugsweise zentral angeordnet ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (3) innen einen Strömungsweg (12 A) für die die leichten Atomkerne enthaltende Substanz (2) aufweist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die die leichten Atomkerne enthaltende Substanz (2) gleichzeitig als Kühlflüssigkeit vorgesehen ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsweg (12 A) mit Palladium beschichtet ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als die genannte Substanz (2) Wasser (H₂O) oder superschweres Wasser (T₂O), vorzugsweise schweres Wasser (D₂O), vorgesehen ist.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Metall (3 a) das Palladium (3 b) aufgedampft ist.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (3) und die Anode (4) umeinandergewickelt sind.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (4) aus Platin besteht.

15. Einrichtung zur kalten Kernfusion mit einer Kathode (3) und einer Anode (4), zwischen die eine leichte Atomkerne enthaltende Substanz (2) einbringbar und eine elektrische Spannung (U) leg­ bar ist, vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (4) einen Kern (4 a) besitzt, der mit einer Schicht (4 b) aus einem Metall versehen ist.

16. Kathode für die kalte Kernfusion, gekennzeichnet durch ein mit Palladium (3 b) beschichtetes Metall (3 a) mit kubisch- flächenzentriertem oder hexagonalem Gitter.

17. Kathode nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch ihre Ausbildung nach einem der Ansprüche 2 bis 15.