home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ TIME: Almanac 1993 / TIME Almanac 1993.iso / time / 050889 / 05088900.008 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1992-09-23  |  22.0 KB  |  416 lines

  1.                 ⌠S                                                            SCIENCE, Page 72COVER STORY: Fusion Illusion?
  2.  
  3.  
  4. Two obscure chemists stir up a fascinating controversy in the
  5. lab, but new tests challenge their hopes of creating limitless
  6. energy
  7.  
  8. By Michael D. Lemonick
  9.  
  10.  
  11.     Little more than a month ago, they were just two chemists,
  12. toiling in virtual anonymity. But B. Stanley Pons and Martin
  13. Fleischmann came last week to Washington as heroes, visionaries
  14. and scientific superstars. With a mob of reporters following
  15. along, the thermodynamic duo marched onto Capitol Hill to tell
  16. Congress how their simple tabletop experiment had generated
  17. fusion, the nuclear reaction that powers the sun. Displaying
  18. slides filled with complex equations, wielding electronic
  19. pointers and pulling a mockup of their apparatus from a plastic
  20. shopping bag, the bespectacled researchers mesmerized the
  21. members of the House Committee on Science, Space and Technology
  22. with an account of how their device produced more energy, in the
  23. form of heat, than it consumed. The politicians may have been
  24. baffled by the chemistry, but they had no trouble grasping the
  25. implications. It seemed that Pons, a professor at the University
  26. of Utah, and Fleischmann, of Britain's University of
  27. Southampton, might have pulled off a trick that has eluded some
  28. of the best minds in physics for nearly four decades. More
  29. important, they might have found a way to solve the world's
  30. energy problems for all time.
  31.  
  32.     What would it take, they were asked, to make that dream a
  33. reality? Money from Congress, of course. University of Utah
  34. President Chase Peterson, who was right there at the
  35. scientists' side, suggested that $25 million would be a nice sum
  36. to help his school set up a fusion research center. Some of the
  37. Congressmen appeared eager to oblige. "Today," rhapsodized
  38. Robert Roe, a New Jersey Democrat, "we may be poised on the
  39. threshold of a new era. It is possible that we may be witnessing
  40. the cold-fusion revolution."
  41.  
  42.     But Congress had better wait a while before it starts
  43. pouring taxpayers' money into Utah's test tubes. Even as Pons
  44. and Fleischmann stirred excitement on Capitol Hill, evidence
  45. was mounting that their form of fusion is probably an illusion.
  46. More and more scientists were openly scoffing at the chemists'
  47. claim that they had caused deuterium ions, which are commonly
  48. found in seawater, to fuse to form helium, liberating large
  49. amounts of heat. Physicists have never been able to achieve such
  50. a sustained reaction, even briefly, without subjecting deuterium
  51. to the kind of extreme temperature and pressure found inside the
  52. sun.
  53.  
  54.     While no one has proved conclusively that Pons and
  55. Fleischmann are wrong, it seems likely that they jumped to a
  56. hasty conclusion based on incomplete research. Scientists in
  57. Japan and Switzerland announced that their own tests had
  58. convinced them the original work was flawed. An attempt by the
  59. Harwell Laboratory in Britain to confirm the discovery has also
  60. produced nothing, even though Fleischmann himself checked the
  61. experiments.
  62.  
  63.     None of the major national laboratories in the U.S. have
  64. obtained positive results either. This week data from one of
  65. the most comprehensive sets of experiments to date -- a
  66. collaboration between Brookhaven National Laboratory and Yale
  67. University -- will be presented at the spring meeting of the
  68. American Physical Society in Baltimore. The Brookhaven-Yale
  69. tests found no evidence of what Pons and Fleischmann saw.
  70. Brookhaven physicist Kelvin Lynn speculates that the heat
  71. produced may possibly be the result of some more conventional,
  72. though unexpected, chemical reaction. "It's quite interesting,"
  73. he says, "to wonder how nature may have conspired to make them
  74. believe they had fusion."
  75.  
  76.     Most damning of all is the editorial that appears in the
  77. current issue of the prestigious British journal Nature. The
  78. Pons-Fleischmann claim, writes editor John Maddox, "is
  79. literally unsupported by the evidence, could be an artifact ((a
  80. spurious result unrelated to the phenomenon under
  81. investigation)) and, given its improbability, is most likely to
  82. be one." Maddox noted that the team announced its results before
  83. performing even the most basic control experiments to verify the
  84. findings. That was an "astonishing oversight," wrote Maddox, "a
  85. glaring lapse from accepted practice."
  86.  
  87.     Those are strong words, but Pons and Fleischmann are
  88. hanging tough behind their claim. Pons, in fact, says the
  89. experiments in his Utah lab have begun to produce increasing
  90. amounts of heat. And he has picked up a determined band of
  91. supporters. Robert Huggins, a respected materials scientist at
  92. Stanford, contends that he has also obtained excess heat in a
  93. series of similar experiments. Says Huggins: "The magnitudes of
  94. our observed effects are comparable to those reported earlier
  95. by Fleischmann and Pons, and lend strong support to the validity
  96. of their results."
  97.  
  98.     Whether or not they turn out to be right, Pons and
  99. Fleischmann have pushed the entire scientific world into a
  100. frenzy. After the March 23 press conference in which the two
  101. chemists went public with their discovery, researchers around
  102. the globe immediately came down with fusion fever. Its symptoms
  103. were hyperactivity, insomnia and delusions of grandeur. Gleaning
  104. what meager information they could from murky faxes of an
  105. unpublished Pons-Fleischmann paper and from TV pictures of the
  106. apparatus, chemists and physicists dropped whatever else they
  107. were doing in attempts to verify or shoot down the concept of
  108. cold fusion.
  109.  
  110.     Thus began one of the strangest months in the history of
  111. science. Hardly a day passed without an announcement from
  112. somewhere -- Texas, Georgia, Hungary, Brazil, India, the Soviet
  113. Union -- that at least some parts of the Pons-Fleischmann
  114. experiment had been replicated. Scientific protocol went out the
  115. window as researchers called press conferences to trumpet the
  116. latest results before verifying them.
  117.  
  118.     That turned out to be a dangerous course. The Georgia
  119. Institute of Technology, for example, claimed that its team had
  120. detected neutrons, a hallmark of fusion reactions, coming from
  121. a setup similar to the one Pons and Fleischmann had used. But
  122. then the scientists had to retract the assertion, admitting
  123. with embarrassment that they had been misled by a faulty
  124. neutron detector. And chemists at Texas A&M, who initially
  125. reported significant amounts of excess heat generated by their
  126. device, were disappointed when they got less heat in later
  127. experiments.
  128.  
  129.     This new phenomenon of science by press conference
  130. disturbed many researchers. Said Moshe Gai, a Yale physicist and
  131. a member of the Yale-Brookhaven collaboration: "I am
  132. dissatisfied and somewhat disappointed with some of my fellow
  133. scientists who have done things too much in a hurry." Charles
  134. C. Baker, director of fusion research at Argonne National
  135. Laboratory, was blunter: "Calling press conferences and making
  136. claims of results without having a well-prepared technical
  137. report is not the way for a good, professional scientist to
  138. function."
  139.  
  140.     Equally offensive to many scientists is the fact that Pons
  141. and Fleischmann have steadfastly refused to disclose important
  142. details of their work that would enable others to duplicate it.
  143. Though they eventually published an account of their experiments
  144. in the Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial
  145. Electrochemistry, a highly technical Swiss periodical, the paper
  146. was too sketchy to be truly enlightening. Pons has argued
  147. repeatedly that his critics who are getting negative results do
  148. not know how to run the experiment, but he does not show them
  149. precisely what they are doing wrong. Declares Keith Thomassen,
  150. a physicist who heads one of the fusion-research programs at
  151. Lawrence Livermore National Laboratory: "The hard,
  152. uncompromising way in which we do our business is that when you
  153. make a claim, you present the facts on which you base that
  154. claim."
  155.  
  156.     Why is Pons being so cagey? Perhaps because the discovery
  157. he and Fleischmann claim to have made could be worth a fortune.
  158. Keeping some of the secrets to themselves could serve to
  159. protect their financial interests and those of the University
  160. of Utah, which has already filed five patent applications, with
  161. more to come. Pons insists, though, that he has reached an
  162. agreement with Los Alamos National Laboratory to help its
  163. scientists replicate his cold-fusion experiments.
  164.  
  165.     The awesome potential of the alleged discovery explains why
  166. so many people are badgering Pons and Fleischmann for
  167. information, and why they are giving it out so cautiously. A
  168. practical technique for creating useful fusion energy at low
  169. temperatures could change the world forever by providing a
  170. source of virtually limitless power. Moreover, the process would
  171. generate no pollutants -- not even carbon dioxide, which many
  172. scientists fear is warming the globe in a greenhouse effect. A
  173. fusion plant would give off much less radiation than do
  174. conventional nuclear-power generators. And it would essentially
  175. run on seawater. Any scientist who managed to harness fusion
  176. would be guaranteed a Nobel Prize for Physics (and probably
  177. Peace as well), untold riches from licensing the process and a
  178. place in history alongside Einstein and slightly above Edison.
  179. Any scientist who confirmed the claim would get part of the
  180. resulting avalanche of research dollars, and anyone who shot it
  181. down would gain acclaim within the scientific community.
  182.  
  183.     But the reasons for the fusion furor are more complicated
  184. than just the prospects of riches and fame. Scientists and
  185. university administrators are sometimes driven by the same sort
  186. of base emotions -- like jealousy and paranoia -- that often
  187. motivate less intellectually lofty folks, and the peculiar
  188. circumstances of this discovery helped ignite a number of
  189. long-smoldering resentments. For one thing, fusion and other
  190. subatomic phenomena that are usually studied with giant nuclear
  191. reactors and particle accelerators have long been the private
  192. domain of physicists. Chemists, on the other hand, were more
  193. likely to be studying how to make a better laundry detergent,
  194. or so physicists seem to think. It is no surprise, then, that
  195. the harshest critics of Pons and his dime-store equipment have
  196. been physicists. Retorts Pons: "Chemists are supposed to
  197. discover new chemicals. The physicists don't like it when they
  198. discover new physicals." In fact, many chemists feel -- with
  199. much justification -- that the physicists consider themselves
  200. intellectually superior. Says Cheves Walling, a Utah chemist who
  201. has developed one theory to explain how the cold-fusion
  202. experiment might work: "Chemists resent the fact that
  203. physicists can get money for multimillion-dollar experiments
  204. that could have gone to chemists to do something more useful."
  205.  
  206.     Still, the cold-fusion combat is not just the physicists
  207. vs. the chemists. There is a sense in Salt Lake City that most
  208. of Pons' critics are what Utah chemist David Grant calls "the
  209. mean bullies from the Eastern establishment." Such snooty folks
  210. should remember, he says, that "science is not the domain of one
  211. set of colleges or one set of people anymore."
  212.  
  213.     There is also an intense rivalry between the University of
  214. Utah -- the U, for short -- and Brigham Young University,
  215. located just 50 miles away. Although the U is the
  216. state-supported university, Utah's majority Mormon population
  217. identifies far more strongly with church-run Brigham Young. It
  218. was at least partly because a Brigham Young physicist named
  219. Steven Jones was nearing an announcement on cold fusion too that
  220. Pons and Fleischmann called their surprise press conference.
  221. They had been urged to go public by University of Utah
  222. administrators, who were apparently fearful that archrivals at
  223. Brigham Young would steal the fusion spotlight. The U has had
  224. chronic money troubles recently, and an influx of
  225. fusion-research grants, not to mention international glory,
  226. could go a long way toward remedying the situation.
  227.  
  228.     Any serious prospect of practical fusion will attract
  229. federal research funding. For decades the Government has spent
  230. billions of dollars in pursuit of this tantalizing but elusive
  231. goal. The first man-made fusion reactions took the form of
  232. H-bomb explosions in the 1950s. Scientists then set out to bring
  233. that incredible power under control. Their strategy was to
  234. confine deuterium, a heavy form of hydrogen, within a "bottle"
  235. of magnetic force and heat it to tens of millions of degrees.
  236. The nuclei of the atoms, forced close together despite their
  237. mutually repellent positive electric charges, would fuse,
  238. releasing energy. Elaborated and modified, that is the approach
  239. still being taken at such state-of-the-art facilities as
  240. Princeton's Plasma Physics Laboratory. But the lab has achieved
  241. only brief bursts of fusion at enormous cost. A more recent
  242. concept, represented by Livermore's Nova machine, is to take
  243. tiny "marbles" filled with deuterium and concentrate 100
  244. trillion watts of laser light on them for a billionth of a
  245. second. The deuterium should theoretically fuse and produce
  246. energy, but a far more powerful laser would be needed to spark
  247. a useful reaction.
  248.  
  249.     Although superhot fusion has always been considered the
  250. best way to generate power, physicists have known since the
  251. 1950s that the process can take place at room temperature as
  252. well. If the electrons in deuterium are replaced with heavier
  253. particles called muons, the deuterium nuclei can approach each
  254. other more closely and occasionally fuse on their own. This
  255. muon-catalyzed fusion has never produced significant amounts of
  256. energy.
  257.  
  258.     Yet the thought that cold fusion was possible at all
  259. continued to intrigue some scientists, including Pons and
  260. Fleischmann. When Pons got his Ph.D. at Southampton in 1978,
  261. Fleischmann was his department head. They became close friends
  262. and collaborators after Pons graduated, and remained so when he
  263. settled at Utah. One day in 1984 Pons and Fleischmann had a
  264. sudden idea for a new way to achieve cold fusion. The brainstorm
  265. came, Pons says, during a hike up Millcreek Canyon, near his
  266. home in Salt Lake City. He and Fleischmann were puzzling over
  267. the peculiar properties of certain metals, like palladium, that
  268. are known to absorb huge quantities of hydrogen gas. In the
  269. presence of an electric field, the chemists had noticed,
  270. deuterium nuclei appeared to be unusually free to move around
  271. within palladium's latticework of atoms. They speculated that
  272. the nuclei might even come close enough together to make nuclear
  273. fusion more likely.
  274.  
  275.     "We came down from the hike," recalls Pons, "and then we
  276. stood around the table in my kitchen, had a couple of Jack
  277. Daniel's and started drawing pictures." Their experiments
  278. resembled nothing more than the simple electrochemical cells
  279. often entered in high school science fairs: two metal electrodes
  280. immersed in a bath of water laced with mineral salts and
  281. connected to a power supply. The only differences were that one
  282. of the electrodes was made of palladium and the water was heavy
  283. water, or deuterium oxide (chemical formula D2O), rather than
  284. ordinary H2O.
  285.  
  286.     The first experiments did not do much. But one night in
  287. 1985, an electrochemical cell being used by the two scientists
  288. melted down. "That," says Pons, "told us we had much more energy
  289. than could be attributed to a chemical reaction." After the
  290. accident, Pons called Fleischmann, who had returned to England.
  291. Fleischmann responded to the momentous news with an admonition:
  292. "We'd better not talk on the phone." Pons says they ultimately
  293. spent about $100,000 of their own money to pursue what they were
  294. convinced was fusion.
  295.  
  296.     Neither Pons nor Fleischmann would have ranked high on
  297. anyone's list of scientists likely to revolutionize physics,
  298. although both are respected researchers in the field of
  299. electrochemistry, the study of how chemical reactions behave in
  300. the presence of an electric field. In retrospect, though, their
  301. backgrounds were quirky enough to suggest that almost anything
  302. was possible. Pons, in particular, had an unorthodox
  303. professional history. A native North Carolinian, Pons, 46,
  304. dropped out of graduate school at the University of Michigan in
  305. 1967, just a few months shy of getting a Ph.D. in chemistry.
  306. "Jobs for Ph.D. chemists were paying $3,500 a year at the time,"
  307. he explains. "My daddy offered me $20,000." He joined the family
  308. textile business, then went on to manage a family-owned
  309. restaurant in North Palm Beach, Fla. But after nearly a decade
  310. away from science, Pons decided to go back and complete his
  311. degree. To do so at Michigan, though, he would have had to
  312. repeat most of the courses he had already taken. So he went to
  313. Southampton, where his credits would still count.
  314.  
  315.     After finishing his doctorate, Pons was able to make up for
  316. lost time, becoming chairman of the Utah chemistry department
  317. in 1988. Along the way he earned a reputation for diligence and
  318. creativity. Says Harry Mark, Pons' adviser at Michigan: "Stan
  319. was innovative and controversial even back in grad school. What
  320. he's doing now doesn't surprise me."
  321.  
  322.     Fleischmann too is known for resourcefulness. Now 62, he
  323. arrived in England in 1939 with his family, Czech refugees from
  324. Hitler's Europe, and soon distinguished himself in school and
  325. college. Ian Fells, who worked with him at the University of
  326. Newcastle, calls him a man of "great ideas," and Roger Parsons,
  327. head of the chemistry department at Southampton, describes
  328. Fleischmann as "excitable in the sense that he gets very
  329. enthusiastic about ideas. He is a man full of ideas across a
  330. wide field and not necessarily connected to his main research."
  331.  
  332.     By 1988, Pons and Fleischmann were focusing much of their
  333. attention on the quest for cold fusion. But they were not
  334. alone. At Brigham Young, a team headed by physicist Steven Jones
  335. had been working on a similar experiment for at least two years.
  336. Jones had also found evidence of fusion, but did not get the
  337. excess heat production that Pons and Fleischmann were observing.
  338. The two groups were evidently unaware of each other until last
  339. September, when Jones was asked to review a Pons-Fleischmann
  340. grant application. To his surprise, Jones says, he realized that
  341. he and the Utah researchers were following parallel paths. He
  342. made contact with Pons and suggested that the unwitting
  343. competitors should collaborate.
  344.  
  345.     That eventually led to a showdown meeting on March 6 at
  346. which, according to a Brigham Young document, the scientists and
  347. top administrators from both universities were present. At issue
  348. was the timing of public statements. Pons and Fleischmann said
  349. they would prefer to wait before releasing results. Jones
  350. countered that he had been invited to talk about his work before
  351. the American Physical Society in May and that he intended to do
  352. so. According to Brigham Young, the meeting ended with an
  353. agreement to submit simultaneous papers to Nature on March 24.
  354. When Pons and Fleischmann suddenly announced their
  355. "breakthrough" on March 23, Jones felt he had been sandbagged.
  356.  
  357.     The race with Jones appears to have forced Pons and
  358. Fleischmann to go public long before they were ready. Their
  359. paper on cold fusion is considered less -- far less -- than
  360. rigorous. "Every great discovery has had plenty of skeptics,"
  361. notes Richard Muller, a physicist at Lawrence Berkeley
  362. Laboratory, "but I can't find any great discovery of the past
  363. 50 years that was published with a bad paper. If a freshman
  364. physics or chemistry major had done it, they would have
  365. flunked." Says Robert G. Sachs, former director of Argonne
  366. National Laboratory: "It doesn't meet the kind of standards
  367. you'd want to meet for nuclear physics. It doesn't even meet
  368. the standards of testing in inorganic chemistry. It's a shame.
  369. They obviously just got too excited about it to think straight."
  370.  
  371.     Nature asked for more information from Pons and Fleischmann
  372. before publishing the paper, but according to the journal the
  373. pair said they were too busy. Fleischmann, though, claims they
  374. supplied 19 new pages. In any case, the paper was withdrawn.
  375. Says Fleischmann: "Nature is not the appropriate place to
  376. publish because they don't publish full papers." That peculiar
  377. sentiment might come as a surprise to James Watson and Francis
  378. Crick, whose Nobel-prizewinning discovery of the structure of
  379. DNA was first published in the British journal.
  380.  
  381.     None of the criticisms leveled at Pons and Fleischmann mean
  382. that they are necessarily wrong. But the burden of proof
  383. remains on them. So far, they have failed to demonstrate
  384. convincingly that they have indeed produced a new sort of
  385. fusion. And if the two chemists cannot think of any way to
  386. explain the excess heat in their experiment without resorting
  387. to nuclear reactions, others can. Chemist Linus Pauling, a Nobel
  388. laureate and himself something of an iconoclast, thinks that
  389. when absorbing high concentrations of deuterium, the palladium
  390. lattice may become unstable and deteriorate, releasing heat.
  391.  
  392.     Even if Pons and Fleischmann should turn out to be right,
  393. the world's energy problems are not necessarily over. As the
  394. proponents of more conventional fusion research have learned,
  395. transforming a reaction from a laboratory curiosity to a
  396. full-scale energy technology can be incredibly difficult.
  397. Magnetic fusion has yet to achieve break-even, the stage at
  398. which the amount of energy coming out is equal to that going in.
  399. Says Harold Furth, director of Princeton's effort: "We are
  400. essentially within a factor of two of break-even now. Seeing
  401. that it used to be a factor of a million, we feel extremely
  402. optimistic." But it has taken more than 30 years to get there,
  403. and plenty of technical problems remain.
  404.  
  405.     In short, no matter which scheme proves best, the virtually
  406. limitless power that could eventually result from fusion is a
  407. dream that will not come true anytime soon. The solution to the
  408. world's energy crisis is not likely to be declared in a press
  409. conference. It must be slowly and carefully worked out, step by
  410. painstaking step.
  411.  
  412.  
  413. -- David Bjerklie/New York, J. Madeleine Nash/San Francisco and
  414. Dick Thompson/Washington
  415.  
  416.