Mes: febrero 2021

Breve historia del fracaso de la investigación nuclear alemana

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El cambio de dirección: 1942-45

Con las tropas empantanadas en el frío invierno del frente ruso, la situación se volvía desesperada. Hitler ordenó la movilización de la economía y el Army Weapons Bureau inició una revisión de todos los proyectos. Al Club del Uranio se le informó de que seguiría teniendo el apoyo en las investigaciones solamente si existía la posibilidad de obtener resultados de una aplicación militar a corto plazo. Cuando los científicos no pudieron garantizar el éxito, hubo que renunciar a las investigaciones del instituto Kaiser-Wilhem de Física y concentrar un modesto presupuesto al apoyo del proyecto del reactor bajo la dirección del su experto nuclear Diebner quien se instaló en los suburbios de Gottow en Berlín.

Pronto encontraron nuevos patrocinadores para continuar sus investigaciones, lo que colocaría a Heisenberg, a pesar del rechazo de muchos experimentales, como cabeza del instituto de investigación reemplazando Diebner. Se ganaba así una pequeña batalla que otorgaba al  equipo de Leipzig acceso a todos los suministros de agua pesada, los cuales habían sufrido grandes altibajos debido a varios ataques de los aliados a la planta de Vemork. Finalmente la planta paró la producción tras el bombardeo del 16 de noviembre de 1943.

Heisenberg tomó posesión de su nuevo puesto en Berlín como superior en la investigación nuclear e hizo planes para la construcción de un reactor real basado en los resultados de sus investigaciones y experimentos previos. A pesar de que un estudio sobre el óptimo diseño revelaba que las capas que usaba Heisenberg no eran lo más apropiado y recomendaba el uso de esferas sumergidas en el moderador o, en todo caso, cubos o cilindros, Heisenberg insistió en su diseño. Esto le costó una año más al proyecto, su construcción requería gran cantidad de agua pesada y placas de metal de uranio industrial que no llegarían hasta un año y medio más tarde bajo los constantes bombardeos de los aliados. Diebner, entre tanto, usaba cubos de uranio natural que suspendía de cables en un tanque de agua pesada. En 1943 alcanzaron una multiplicación de neutrones mucho más allá de lo que nunca había hecho el grupo de Leipzig.

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Cuando por fin Heisenberg decidió cortar sus placan en cubos ya era demasiado tarde y los equipos tuvieron que ser evacuados hacia el sur. El grupo de Berlín se desplazó al suroeste de Alemania, a la ciudad de Hechingen donde ocupaban una fábrica textil. Hahn desplazó el laboratorio de química a la sureña ciudad del Tailfingen y Diebner su independiente reactor experimental a la ciudad de Stadtilm. Lo que quedaba de los experimentos de Heisenberg se mantenía ahora en una bodega a prueba de bombas construida bajo una roca gigante en la ciudad de Haigerloch. Cuando todo el equipo de Heisenberg estuvo listo para un último intento, la multiplicación de neutrones fue la mayor alcanzada, pero el reactor no consiguió, por poco, alcanzar la criticidad.

Los investigadores alemanes nunca obtuvieron plutonio. En 5 años de investigación Alemania había fallado en conseguir una reacción en cadena autosostenida que permitiera la producción de plutonio en cantidad.

 Muchas dudas surgieron a lo largo del proyecto sobre las intenciones de Heisenberg. No solo el mensaje que el físico austrico Fritz Houtermans envió a los aliados donde sugería que Heisenberg estaba retrasando el trabajo ante la posibilidad de catastróficos resultados, también sus visitas durante la guerra a países ocupados contribuyeron a sembrar la duda.  Una de las más famosas fue su visita a Copenhague donde mantuvo un encuentro privado con Bohr, encuentro que dio lugar a una obra de teatro que sigue vigente en la actualidad. En su última visita a Suiza, en 1944, su colega suizo Gregor Wentzel le dijo durante la cena: “Ahora tienes que admitir que la guerra se ha perdido“, a lo que Heisenber replicó “Hubiera sido tan bonito haberla ganado”.  

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El 25 de Abril de 1945 la misión de inteligencia científica Alsos entraba en el sur de Alemania y capturaba a algunos de los principales científicos. Una semana más tarde  Diebner y Gerlach eran detenidos en la bombardeada Universidad de Múnich y el 3 mayo  Heisenberg era detenido en su ciudad natal de Urfeld. Cinco días más tarde el ejército alemán se rendía en todos los frentes.

El proyecto nuclear alemán llegaba a su fin, pero curiosamente venía acompañado de la noticia del premio Nobel de química para Otto Hahn por el descubrimiento de la fisión. En aquellos momentos, en los que la fisión nuclear todavía no había sido usada con fines pacíficos, es posible que el premio contuviera un alto significado político, ya que en enero de 1937 Hitler emitió un decreto por el que prohibía a los alemanes aceptar el premio Novel. Nunca sabremos exactamente por qué la Real Academia Sueca decidió darle el Nobel a Hahn precisamente en ese momento, pero si fue para marcar el final del nazismo, es difícil comprender por qué no incluyó a sus colaboradores judíos.  

Bibliografía

1. Jeremy Bernstein , 2001 Springer Science + Business Media, Hitler’s Uranium Club
2. David Irving, 1967, The Virus House, Germany’s Atomic Research and allied counter-measures.
3. Otto Robert Frisch, What little I remember.
4. Jim Baggott, 2009 Icon books Ltd., Atomic, the first war of physics and the secret history of the atom bomb: 1939-49.
5. Richard Rhodes, Simon & Schuste Paperbacks, The making of the atomic Bomb.
6. B. Cameron Reed, 2020 Department of Physics (Emeritus) Alma College, Michigan, Piles of piles: An inter-country comparison of nuclear pile development during World War II.

Breve historia del fracaso de la investigación nuclear alemana

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La casa de los virus II

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Los avances: 1940-41

El año 1940 estuvo plagado de pequeños experimentos. Unos cuarenta físicos y químicos esparcidos en nueve grupos de investigadores en diferentes localizaciones se coordinaron bajo las órdenes de Diebner y el Weapons Bureau, para medir las constantes nucleares de los materiales. A finales de la primavera midieron la longitud de difusión[1] de los neutrones térmicos en el grafito, en verano en el agua pesada[2] y durante el otoño en el óxido de uranio.

Aunque el carbón es mucho más abundante que el agua pesada, las impurezas de boro de las muestras utilizadas en los ensayos lo hicieron erróneamente inviable. El profesor Harteck, ajeno a esta información debido a la poca comunicación entre los grupos, propuso la brillante idea de usar “hielo seco” (dióxido de carbono seco) como moderador, pero su reactor nunca mostró señal alguna de multiplicación de neutrones.

El agua pesada, sin embargo, se revelaba más prometedora de lo esperado teóricamente. Pero la principal fuente de agua pesada en Europa, era una planta situada en Vemork, perteneciente a la compañía Norwegian Hydro–Electric, quien inicialmente rechazó suministrársela a los alemanes al tiempo que la enviaba en secreto y totalmente gratis a los laboratorios de París.

Dos de aquellos grupos de investigadores se concentraron en la construcción del reactor: la sección de física experimental de Heisenberg de la Universidad de Leipzig y el Instituto de física Kaiser-Wilhelm bajo la dirección de Diebner. En este último se planificó un pequeño laboratorio de madera en los terrenos del Instituto de investigación en biología y virus, junto al Instituto de física de Dahlem, cuyo nombre en clave fue “La Casa de los Virus”.

Los físicos examinaban varias posibles configuraciones y concluían a finales de febrero que para un reactor o pila en capas, sugerencia de Harteck, necesitarían 2 toneladas de uranio y 500 kilogramos de agua pesada. Estos materiales se apilarían en cinco o seis capas de unos 70 a 90 cm de altura. Alternativamente, Heisenberg sugería una pila esférica construida con capas concéntricas de agua pesada y óxido de uranio.  A pesar de que este concepto era técnicamente más difícil de adoptar, solo requeriría unos 320 litros de agua y 1,2 toneladas de uranio.  Si además aplicaban alrededor de la pila un escudo reflector de carbono el tamaño del reactor se podría reducir todavía más. Todo indicaba que disponer de suficiente agua pesada era vital para conseguir una reacción en cadena en una pila de uranio natural.

En abril de 1940 Alemania ocupaba Noruega y la planta de Vemork estaría al servicio del programa nuclear alemán.

En julio de 1940 Alemania había ocupado París y también el laboratorio de Joliot con todo el equipamiento del ciclotrón americano a medio construir.

En octubre de 1940 “La Casa de los Virus” estaba lista y además del laboratorio disponía de un espacio circular de ladrillos de 6 pies de profundidad donde la vasija del reactor se cubriría de agua que operaría como blindaje y reflector para prolongar la reacción en cadena una vez iniciada. Aquí se montaría el primer reactor nuclear experimental del mundo (B-I).

La posición de Alemania en la carrera nuclear era en ese momento impresionante y alarmante: disponía de una fábrica de agua pesada, miles de toneladas de compuesto de uranio de los territorios ocupados, estaba a punto de completar un ciclotrón y tenía un cuerpo de físicos, químicos e ingenieros liberado de las demandas de la guerra además de disponer de la industria química más importante del mundo.

Pero no hay camino sin baches. La planta noruega de producción de agua solo generaba 10 kilogramos al mes, hacia finales de año tan solo habían recibido 8 litros desde Vemork. Se estudiaron alternativas inviables como crear su propia planta de producción, pero finalmente  se instaló en Vemork un nuevo proceso que permitiría aumentar la producción, alcanzando  hasta 5 toneladas de agua pesada al año.

Por si esto fuera poco, el profesor Hans Jensen había alcanzado la conclusión de que le método de elegido para la separación del U-235 no era viable. Alternativas radicales empezaron a discutirse: la posibilidad de un método electromagnético, el uso de ultracentrifugadoras o la aplicación de difusión térmica. Debían empezar de nuevo desde cero.

Poco a poco, la rivalidad entre grupos por obtener los suministros de agua y uranio se hacían patentes.

Durante el verano de 1941 los avances eran menores de lo esperado, pero finalmente el departamento militar de investigación alcanzó un acuerdo con la empresa Noruega de Agua que suministraría 1500 kilogramos de agua pesada, de los que tan solo entregó 361 en octubre. La lucha por el agua pesada fue un objetivo de los aliados que bien merece un capítulo aparte y que fue llevado al cine e incluso a una miniserie muy recomendable.

Para final de año la industria alemana había fabricado unas dos toneladas y media de metal de uranio en forma de placas. El profesor Heisenberg pudo construir su segunda pila experimental. No obtuvieron ningún incremento de neutrones, pero al revisar los cálculos y darse cuenta que las capas de aluminio podían haber absorbido los neutrones, empezaron a “sentir en sus huesos” que iban por el buen camino. La serie de experimentos de Leipzig prosperaba y aumentaba la confianza entre los investigadores que eliminaban una a una todas las posibles fuentes de error albergando falsas esperanzas.

”Lo que estamos viendo es que se abre un camino hacia adelante que nos dirige a la bomba atómica” llegaría a decir Heisenberg en septiembre de 1941. La posibilidad de una fisión controlada o incontrolada se convertía poco a poco en una realidad y con ella la de obtener material fisionable para la fabricación de una bomba a partir del reactor en lugar de usando sofisticadas técnicas de separación de isótopos. El grupo de Berlín había descubierto el Uranio-239 como resultado de la captura neutrónica de un neutrón por el U-238, este decaía a neptunio en 23 minutos, tal como los americanos reportaron en 1940 este decaía a su vez en 2,3 días a un elemento de vida más larga, el elemento 94 -el plutonio- elemento físil que se puede extraer por métodos químicos y usarse como explosivo.

Los sucesivos intentos fueron desalentadores, pues ninguno conseguía alguna multiplicación neutrónica, excepto el último intento de grupo de Leipzig (pila L-IV) con dos esferas concéntricas de aluminio rellenas de unos 250 kilogramos de polvo de uranio, 140 de agua pesada y una fuente de neutros de radio-berilio situada en su centro. Por fin median más neutrones de los que eran absorbidos (un aumento del 13%). Fue la primera multiplicación neutrónica de la historia. Si la pila hubiera incluido 5 toneladas de agua pesada y 10 toneladas de uranio metálico hubieran sido capaces de obtener la primera reacción en cadena del mundo. Mérito que finalmente le correspondería al “navegante italiano”, Fermi, en 1942.

Con las bases teóricas de la reacción en cadena, el descubrimiento alternativo del plutonio, la captura de las materias primas necesarias, el apoyo de la industria y el ejército alemán así como el reactor de prueba de Leipzig los esfuerzos alemanes prometían un rápido éxito en el otoño de 1941.

Pero los acontecimientos tomarían otra dirección…https://ciencialiterata.wordpress.com/2021/02/13/la-casa-de-los-virus-v/

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[1] Parámetro que describe cómo se comportan los neutrones en el medio.

[2] Los átomos de hidrógeno en el agua corriente (H2O) tienen un protón y cero neutrones, pero cada núcleo atómico de deuterio en el agua pesada tiene un protón y un neutrón (D2O)

Breve historia del fracaso de la investigación nuclear alemana

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El origen-1938

Esta historia comenzó en los años treinta, cuando por fin los núcleos desvelan su verdadera naturaleza. Pero la paradoja de la ciencia es que a veces los fenómenos naturales se detectan por casualidad tras una cadena de coincidencias. De hecho cuatro años de errores e hipótesis equivocadas precedieron al descubrimiento, en diciembre de 1938, un año antes del inicio de la guerra, del hecho decisivo de que el núcleo de uranio podía dividirse. Otto Hahn y Fritz Strassmann, responsables del descubrimiento, declaraban que éste se produjo “cuando el momento estuvo maduro para ello”. Fue solo la fortuna la que hizo que ocurriera en Alemania.

La doctora Lise Meitner, colaboradora de Hahn durante casi 30 años que se había visto obligada a abandonar Alemania unos meses antes debido a sus raíces judías, recibió una interesante carta de Otto mientras disfrutaba en Suecia sus vacaciones navideñas en compañía de su sobrino, el físico Otto R. Frisch. En ella, Hahn le consultaba si existía alguna posible explicación, de acuerdo a las leyes de la física, para sus extraños resultados: al bombardear uranio con neutrones en busca de elementos más masivos que este (transuránidos) habían detectado bario[1].

Lise y Frisch, basándose en el modelo de núcleo de la “gota líquida” postulado un par de años antes por Bohr, valoraron la posibilidad de que el núcleo pudiera partirse en dos mitades casi iguales, las cuales al estar eléctricamente cargadas se repelerían fuertemente. Usando la ecuación de Einstein (E=mc²) calcularon que la energía liberada en cada fisión sería suficiente grande – 200 millones de eV- como para causar un salto visible en un grano de arena.

A través de largas conversaciones telefónicas, Otto Frisch y Lise Meitner escribieron un artículo con sus hallazgos, en él se hablaba por primera vez del proceso de “fision”. El artículo se recibió en la sede de la revista Nature, en Londres, a mediados de enero pero no sería publicado hasta un mes más tarde. Mientras tanto, el secreto viajaba a través del Atlántico de la mano de Niels Bohr, quien por error se lo confió durante la travesía a su colaborador Leon Rosenfeld, el cual creyendo que ya estaba publicado, lo mencionaría en una conferencia de físicos teóricos indicando además sencillas técnicas experimentales para demostrarlo. Los físicos experimentales presentes se levantaron de entre la audiencia y aun con su sus trajes de etiqueta, fueron inmediatamente a sus laboratorios a repetirlo y confirmarlo.

Dos o tres días más tarde, los periódicos nacionales informaban sobre los resultados y cuando los artículos de Frisch y Meitner y de otros físicos alemanes, que lo confirmaban de forma independiente, fueron finalmente publicados, los laureles ya habían sido depositados sobre otras cabezas, en este caso la de Enrico Fermi y la Universidad de Columbia según The Times.

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En aquella conferencia se encontraba Leo Szilard, un errático visionario que ya en 1934 concibió y patentó la noción de reacción en cadena: además de los fragmentos de fisión también se liberarían neutrones que a su vez producirían una fisión en otro átomo de uranio y así sucesivamente. Si la reacción se producía lo suficientemente rápido podría causar una explosión nuclear. Szilard decidió que si de verdad existían esos neutrones, dicha información debía mantenerse en secreto para evitar la posibilidad de que los alemanes pudieran hacer una bomba atómica. Sin embargo la censura en las publicaciones no se haría efectiva hasta mediados de 1940 y entre tanto los alemanes, ávidos lectores de la revista American Physical Review, pudieron acceder y aprovechar toda esa información.

Entre tanto en Europa, el equipo del profesor Frédéric Joliot confirmaba en su laboratorio de París la existencia de los neutrones que se sospechaba que debían existir durante el proceso de fisión. Ajenos a las recomendaciones de mantenerlo en secreto, el 19 de marzo de 1939 publicaron en la revista Nature una carta que llevaba por título “Liberación de Neutrones en una explosión nuclear de Uranio”.

Éste artículo sería el embrión que llevaría al diputado y Profesor alemán Abraham Esau, presidente del Reich Bureau of Standards, a celebrar el 29 de Abril de 1939 una conferencia secreta para analizar la posibilidad de fabricar un “quemador experimental de uranio”. Para muchos de los asistentes era la primera vez que oían hablar del proyecto de investigación del uranio.

Debido a las circunstancias de la inminente guerra, los científicos de ambos lados sintieron la necesidad de informar a sus respectivos gobiernos del potencial militar de la energía nuclear. Bien conocidas son las cartas de Einstein alertando al presidente Franklin D. Roosevelt sobre la posibilidad de una bomba atómica alemana. Por el lado alemán, la alerta fue una carta fechada el 24 de abril de 1939, en la cual los profesores Hartech y Groth de la Universidad de Hamburgo, informaban a Erich Schumann, responsable de la investigación en armamento del German Army Weapons Bureau, de la posibilidad del uso de la recientemente descubierta fisión nuclear como explosivo muy potente. Schumann puso el asunto en manos de su experto en física nuclear y explosivos, Kurt Diebner, uno de los detenidos en Farm Hall, quien al frente de la Oficina Independiente para la investigación Nuclear consiguió los primeros fondos del ejército para comenzar la investigación.

Así, en el momento en que da comienzo la segunda Guerra Mundial, tan solo Alemania, de entre todas las potencias, tenía un oficial militar dedicado exclusivamente al estudio de las aplicaciones militares de la fisión nuclear. Lo que podría, en principio, parecer un comienzo muy prometedor.

Continuará...https://ciencialiterata.wordpress.com/2021/02/07/la-casa-de-los-virus-iii/

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[1] El Bario es un elemento muy alejado del uranio en la tabla periódica y mucho menos masivo.