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Fusion in hochdichtem Deuterium Dr. Steinbock, Schulstr. 29 76351-Linkenheim-Hochstetten Inhalt: Holmlids HDD-Veröffentlichung und Pressekonferenz.

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1 Fusion in hochdichtem Deuterium Dr. Steinbock, Schulstr Linkenheim-Hochstetten Inhalt: Holmlids HDD-Veröffentlichung und Pressekonferenz von 2009 Fusionsreaktionen: D-D, D-T, D- 3 He, p- 11 B, Vorteile-Nachteile aktueller Stand der Fusion: ITER, NIF, HiPer, -Fusion Holmlids Arbeiten: Rydberg-Materie, Erzeugung, Eigenschaften Bose-Einstein-Kondensation (BEC): SL, HeII, Alkali-BEC, D BEC Erzeugung Hochdichtes Deuterium: KFeO 2 -Katalysator, D(1)-->D(-1), Theorien von Winterberg und Bedaque, Experimente von Holmlid

2 Presseerklärung von Prof. Holmlid am April 28, 2009 Ultra-dense deuterium may be the nuclear fuel of the future A material that is a hundred thousand times heavier than water and more dense than the core of the Sun is being produced at the University of Gothenburg. The scientists working with this material are aiming for an energy process that is both more sustainable and less damaging to the environment than the nuclear power used today. Imagine a material so heavy that a cube with sides of length 10 cm weighs 130 tonnes, a material whose density is significantly greater than the material in the core of the Sun. Such a material is being produced and studied by scientists in Atmospheric Science at the Department of Chemistry, the University of Gothenburg. The photograph shows an experiment in which dense deuterium is irradiated by a laser. The white glow in the container in the centre of the photograph is from deuterium. Photo: Leif Holmlid. Literaturecherche: Rydberg matter, Bose-Einstein-condensate, hyper dense Deuterium, KFeO 2 ?

3 Bindungsenergien Aus Fusionsreaktionen setzen mehr Energie pro Masse frei als die Spaltung von Uran

4 Fusionsreaktionen DD hat einfachen Ausgangsstoff aber Neutronenaktivierung und höhere Energieschwelle D+T hat 4-fache Energie gegenüber d+d, geringste Energieschwelle, knappe Ausgangsstoffe (T,Li) +n B+p hat sehr hohe Energieschwelle, gute Rohstoffbasis und ist fast neutronenfrei Plasmatemperatur ~kT = ?? eV Neutronenausbeute Aktivierung

5 Brennstoffe,Temperaturen, Dichten und Einschlußzeiten für Fusionsreaktoren LiD in H-Bombe, 10 7 K, /cm 3, ~? ns ITER-Plasma, 10 7 K, /cm 3, ~1000 s D 2_flüssig für ICF 22K, /cm 3, 3 ns (NIF) -Fusion, 22K, /cm 3, 2,2 s D(-1) (Holmlid), ~500 K, /cm 3, (~5 ns) Lawson-Kriterium : n e \ E > (12kT)\( Für DD: s/m 3 für DT: 5x10 12 s/m /10 29 ~ für D(-1) reichen fs-Laser zur Zündung

6 Trägheitsfusion mit Lasern (NIF) 192 Laser (18,75 kJ pro Strahl) heizen in einem Goldzylinder eine feste 2 mm DT-Kugel auf Bild aus: thefutureofthings.com/.../ignition-process.jpg Innenansicht der Fusionskammer der National Ignition Facility

7 Myonische Fusion

8 Fermi- und Bose-Teilchen In der Mikrowelt - sind Teilchen ununterscheidbar - wird die Bahn durch eine komplexwertige Wellenfunktion =a+ib ersetzt. Das Quadrat ist die Aufenthaltswahrscheinlichkeit. Eigenschaften der Wellenfunktion für 2 Teilchen bei Vertauschung : r r r2 r1 Fermion Besetzungsdichte <=2 r r r2 r1 Boson Besetzungsdichte <=oo Bose-Einstein-Condensation=kollektives Verhalten von Bosonen im Grundzustand: Elektronenpaare SL 4 He Suprafluidität < 2,12K, 3 He SF < K, 7 Li, 23 Na, 41 K, 87 Rb,.. kalte Quantengase

9 Bose-Einstein-Kondensation Gasatome im Eierkarton-Potential (gekreuzte Laserfelder) Besetzungsdichte <=2 für Fermionen, 0-oo für Bose-Teilchen Alkali-Atome im Laserfeld

10 Bose-Einstein-Condensate mit Metallgasatomen (BEC) 7Li, 23Na, 41K, 52Cr, 85Rb, 87Rb, 133Cs, 174Yb sind Bosonen. Nobelpreis 2001: Cornell, Ketterle, Wieman für BEC von Rb und Na Li-BEC (http://physics.aps.org/story/v2/st22):

11 BEC mit Wasserstoff? Bose-Einstein Condensation of Atomic Hydrogen Dale G. Fried, Thomas C. Killian, Lorenz Willmann, David Landhuis, Stephen C. Moss, Daniel Kleppner, and Thomas J. Greytak Phys. Rev. Lett. 81, 3811 (1998) Published November 2, 1998 The peak condensate density is 4.8±1.1×10 15 cm -3, corresponding to a condensate population of 10 9 atoms. The BEC transition occurs at about T = 50μK and n = 1.8×10 14 cm -3. H BEC ist dichter als ITER-Plasma! Fragen: Sind alle 10 9 Protonen am gleichen Ort? Warum findet keine Fusion statt?

12 Conductive dense hydrogen, (in a diamond anvil cell) M.I.Eremets, I.A.Troyan, MPG-Chemie in Mainz Nature Materials

13 The phases of deuterium at extreme densities Paulo F. Bedaque, Michael I. Buchoff and Aleksey Chermanz, Maryland Center for Fundamental Physics Extrakt:.....the deuterons at zero temperature will crystallize into a lattice. The temperature at which the crystal melts scales as a 0 T crys ~1/180 (a 0 /l) *), where is the electromagnetic coupling constant. On the other hand, the deuterons Bose-condense at temperatures below a 0 T cond ~ 4 2 /3 (Ma 0 ) -1 (a 0 /l) 2, where M is the deuteron mass [2]. Therefore, at high enough densities (l <= a 0 ), there is a range of temperatures T, Tcrys < T < Tcond, where a quantum liquid of deuterons should form. Since deuterons are charged bosons, the quantum liquid will be a superconducting superfluid.... *) l: interparticle distance, a 0 : Bohrscher Radius Quanten-Elektrodynamik für D BEC : (2010)

14 Phasendiagramm von D BEC nach Bedaque

15 Rydberg-Atome und -Materie Wasserstoffatom-Linienspektrum: 1/ = Ry(1/n /n 2 2 ), n=1, Ry:Rydbergkonstante Balmer-Linien Atom mit Rydberg- » Elektron und 2tes » eingefangenes » Atom auf dem » Radius der » Rydbergbahn » Unten: Wellen- » funktion+Dichte

16 Kondensierte Rydbergmaterie n d (nm) D (cm 3 ) × × ×10 11 Bilder und Tabelle aus Wikipedia über Rydbergmaterie (Holmlid), Oben links: K 19,H 19 oder D 19 -Pizza H(1) n und D(1) n haben metallische Leitungsbänder Unten links: Elektronendichte und Potential

17 Rydberg-Materie Bindungsmechanismus im Rydberg-Molekül -molekuele.html Barry Dunning und seinen Mitarbeitern an der Rice University in Houston ist es nun gelungen Kaliumatome in Rydbergzustände zu versetzen. Der Radius der Elektronen"bahnen" betrug ca. 1 mm, d.h. diese Atome könnte man mit dem bloßen Auge beobachten (falls sie undurchsichtig wären). R M W van Bijnen et al 2011 J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys doi: / /44/18/ Adiabatic formation of Rydberg crystals with chirped laser pulses

18 KFeO 2, Katalysator für die Styrol-Synthese Extrakte aus Dissertation von Yvonne Joseph (2001)

19 TOF-MS von Münzrollen-Protium KFeO 2 -Emitter in ~5x10 -8 mbar Spannung gegen Catcher Foil Nd-YAG-Laser, 532nm, 5 ns

20 TOF-MF-Spektren für HN

21 Coulomb-Explosionen (CE) : Die Coulomb-Explosion ist ein Verfahren, bei dem, z. B. durch einen gebündelten Laserstrahl, ein festes Material in den Plasmazustand übergeht: Das Photonenfeld befreit die Elektronen aus der Bindung und die Kerne streben aufgrund der Coulomb-Abstoßung auseinander.

22 Münzrollen-Wasserstoff aus H 7 -Münzen Stapeln von H7 bzw. D7- Clustern an der Oberfläche von KFeO 2 Auslösen von neutralen oder geladenen Clustern (H 7 ) 3 + mit einem Nd-YAG- Laserpuls (~0,1J, 5 ns)

23 Bindungsenergien von HN In einer Coulomb-Explosion wird die elektrostatische Energie der Kerne frei: W = e 2 /4 0 d Daraus kann der Bindungsabstand berechnet werden. Für (H 7 ) 3 + ist die gemessene TOF =2,49 ms bei 500V. Daraus folgt 9,4 eV kinetische Energie. Damit berechnet Holmlid einen Kernabstand von 152 pm. Das ist der 3-fache Bohrsche Radius.

24 Efficient source for the production of ultradense deuterium D(-1) for laser-induced fusion (ICF) Patrik U. Andersson, Benny Lönn, and Leif Holmlid

25 Kinetic Energy Release (KER) of D(-1) The CE fragmentation processes in the material D(-1) indicate a common KER of 630 eV. This means an interatomic distance of 2.3 pm and a Density of ~ gram/cm 3

26 Bildung von D(-1) durch Wirbelbildung der Rydbergelektronen nach Winterberg: the ultradense state is a tower of piled up deuterium Rydberg atoms. Since under normal conditions it is not possible to have a configuration where the deuterons move around the electrons, this points into the direction of a large effective mass for the electrons, possible if the electron fluid forms vortices, because vortices have a large effective mass.

27 Apparatur zum Nachweis der Fusion von Deuterium im Zustand D(-1)

28 Fusionsausbeute als Funktion der Laserleistung

29

30 Verteilung der Fusionsprotonen mit kT~ 8 keV

31 HDD-Generation im magnetischen Feld Ultra-dense deuterium D( 1) is predicted to be a superconductor type-II at room temperature. Here we show that a magnetic field stronger than approximately 0.05 T prevents the formation of, and even removes the D( 1) material from the magnetic field. The observed lifting of the clusters from the magnet surface agrees with theory for the Meissner effect. Each chain or bead cluster of D( 1) probably contains a central vortex, and it will have electrons with large orbits in the superconductive state. The experiments show strong magnetic effects and in the Coulomb explosion spectra, D( 1) is missing completely in amagnetic field stronger than 0.05 T.

32 Holmlids Conclusion

33 Holmlids Meinung zu D BEC : Dear Dr. Steinbock, I agree with what you say and from a theoretical point of view you may be right that one is expecting BEC at these densities in deuterium. I am certainly not a specialist in that field. However, there is proof from the experiments that the condensation is not mainly due to BEC as I wrote to you. Some of that information is not yet published. The forms of D(-1) suggested by Winterberg in the form of "towers" of bound deuterium atoms have neither been identified experimentally. Maybe BEC exists for D(-1) but only gives a small contribution to the bonding. Since the d-d bonds are stronger than p-p in p(-1) this may be the case. It seems difficult to extract bond energies etc. from BEC theory. Thus, I cannot on experimental grounds support the view that BEC is responsible for the bonding in D(-1). Best regards, Leif Holmlid

34 Hochdichtes Deuterium, Zusammenfassung Herstellung aus kondensiertem Rydberg-Deuterium Dichte von D(-1) bei ~200°: g/cm 3 Suprafluid + supraleitend bei Raumtemperatur Coulombenergie pro Deuteron ~ 630 eV Metastabil bis ~ 500K Zündfähig mit Nd-YAG-Laserpuls 0,1J, 5 ns Gemessene Fusionsprotonen mit 8 keV mittlerer Energie

35 Publikationen von anderen Autoren The phases of deuterium at extreme densities, Bedaque, Paulo F.; Buchoff, Michael I.; Cherman, Aleksey, Journal of High Energy Physics, Volume 2011, article id. #94 Ultradense deuterium, F. Winterberg - Journal of fusion energy, 2010 – Springer Conductive dense hydrogen, M.I.Eremets, I.A.Troyan, MPG-Chemie in Mainz,Nature Materials Bose-Einstein Condensation of Atomic Hydrogen, Dale G. Fried, Thomas C. Killian, Lorenz Willmann, David Landhuis, Stephen C. Moss, Daniel Kleppner, and Thomas J. Greytak, Phys. Rev. Lett. 81, 3811 (1998) Metastability of the condensed state of excited atoms, Manykin, E. A.; Ozhovan, M. I.; Poluektov, P. P., Ukrainskii Fizicheskii Zhurnal (ISSN ), vol. 34, Jan. 1989, p In Russian

36 Holmlids Arbeiten über Rydbermaterie (http://www2.chem.gu.se/~holmlid/features.html The research results from the group are concerned with several different aspects of Rydberg species and Rydberg Matter. The first publication identifying Rydberg species in our experiments was published 1989, the first report on large Rydberg clusters (later concluded to be RM clusters) was published in 1991, and the first results on RM are also published The first publication mentioning RM in the title is from J. Wang and L. Holmlid, "Planar clusters of Rydberg Matter KN (N = 7, 14, 19, 37, 61) detected by multiphoton fragmentation time-of-flight mass spectrometry". Chem. Phys. Letters 295 (1998) S. Badiei and L. Holmlid, "Stimulated emission in Rydberg Matter - a thermal ultra-broadband tunable laser". Chem. Phys. Lett. 376 (2003) L. Holmlid, "Clusters HN+ (N = 4, 6, 12) from condensed atomic hydrogen and deuterium indicating close-packed structures in the desorbed phase at an active catalyst surface". Surf. Sci. 602 (2008) 3381–3387

37 Publikationen von L. Holmlid 204. P.U. Andersson, L. Holmlid, and S.R. Fuelling, "Search for superconductivity in ultra-dense deuterium D(-1) at room temperature: depletion of D(-1) at field strength > 0.05 T". J. Supercond. Novel Magn. accepted 203. P.U. Andersson and L. Holmlid, "Cluster ions DN+ ejected from dense and ultra-dense deuterium by Coulomb explosions: fragment rotation and D+ backscattering from ultra-dense clusters in the surface phase". Int. J. Mass Spectrom. (2011) in print. DOI: /j.ijms L. Holmlid, "Experimental studies of clusters of Rydberg matter and its extreme dense forms". Invited review. J. Cluster Sci. (2012) in print. DOI: /s z P.U. Andersson and L. Holmlid, "Fusion generated fast particles by laser impact on ultra-dense deuterium: rapid variation with laser intensity". J. Fusion Energy (2011) in print. DOI /s L. Holmlid, "Sub-nanometer distances and cluster shapes in dense hydrogen and in higher levels of hydrogen Rydberg Matter by phase-delay spectroscopy". J. Nanopart. Res. (2011) 13 (2011) DOI /s L. Holmlid, "Deuterium clusters DN and mixed K-D and D-H clusters of Rydberg Matter: high temperatures and strong coupling to ultra-dense deuterium". J. Cluster Sci. (2012) in print. DOI /s L. Holmlid, "High-charge Coulomb explosions of clusters in ultra-dense deuterium D(-1)". Int. J. Mass Spectrom. 304 (2011) 51–56. doi: /j.ijms P.U. Andersson and L. Holmlid, "Superfluid ultra-dense deuterium D(-1) at room temperature". Phys. Lett. A 375 (2011) 1344–1347. doi: /j.physleta


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