Waarom Hitler geen atoombom kreeg

“Wij vragen graag uw aandacht voor de nieuwste ontwikkeling in de kernfysica die het mogelijk maakt een vele malen grotere explosie te veroorzaken dan die van al het bekende wapentuig. Het land dat hiervan het eerst gebruik maakt, heeft een onovertroffen voorsprong op de anderen”.

Het is duidelijke taal van de Duitse scheikundige Paul Harteck in een brief aan Erich Schumann op 24 april 1939. Schumann, die het onderdeel van het Duitse leger leidde dat onderzoek deed naar nieuwe bewapening, had hier wel oren naar.

Harteck verwees naar onderzoek van Otto Hahn, een scheikundige uit Berlijn, die enkele maanden eerder per toeval kernsplijting had ontdekt. Hahn beschoot in zijn lab in Berlijn uranium met neutronen, waarbij tot zijn verrassing kleinere atoomkernen ontstonden. Hij realiseerde zich dat je blijkbaar op deze manier een atoomkern kunt opbreken – of beter: splijten – in kleinere atoomkernen. Bij deze kernsplijting kwam bovendien een grote hoeveelheid energie vrij.

Even later bleek dat er meerdere neutronen ontstaan bij de splijting van één uraniumkern, dus dat een kettingreactie mogelijk is. De hoeveelheid energie die daarbij zou vrijkomen, was in potentie gigantisch. Op hetzelfde moment dat Harteck het Duitse leger hierover inlichtte, deed de Amerikaanse natuurkundige George Pegram hetzelfde bij het Amerikaanse leger. Het was het startpunt van de race om de atoombom.

Heisenberg

In de zomer van 1939 richtten de Duitsers de Uranverein (Uranium Club) op. De club bestond uit wetenschappers die de mogelijkheid van een atoombom moesten onderzoeken. Leden waren onder andere Kurt Diebner, Paul Harteck, Otto Hahn, Hans Geiger (bekend van de geigerteller, een instrument om radioactiviteit mee te meten), Carl Friedrich von Weizsäcker en Walther Bothe.

“Als er ook maar een kleine kans is dat het mogelijk is een atoombom te bouwen, moeten we eraan werken”, zei Bothe op de eerste bijeenkomst. Nog voordat Duitsland op 1 september 1939 Polen binnenviel werd het onderzoek naar de mogelijke toepassing van kernwapens al serieus genomen bij de hoogste militaire én politieke bestuurders.

Op 25 september riep de Uranverein ook Werner Heisenberg op. Heisenberg was een van de meest vooraanstaande wetenschappers die het Derde Rijk nog binnen zijn gelederen had. Hij had in 1932 de Nobelprijs voor de Natuurkunde gekregen vanwege zijn baanbrekende werk op het gebied van de kwantummechanica.

Kritische massa

Al snel nadat Heisenberg was toegetreden tot de Uranverein nam hij de wetenschappelijke leiding van het project op zich. Het eerste technische probleem was de schaarste aan uranium. De Duitsers hadden slechts één uraniummijn tot hun beschikking en deze lag bij Joachimstal in het huidige Tsjechië.

Heisenberg was zich ervan bewust dat uranium alleen splijtbaar was als het 92 protonen en 143 neutronen in de kern had, het zogeheten uranium-235. Maar in natuurlijk uraniumerts is uranium-235 schaars. Het grootste deel bestaat uit uranium-238 (met drie neutronen meer in de kern), en dit isotoop splijt niet als je het bombardeert met neutronen.

Heisenberg meende dat je tonnen uranium-235 nodig had om een werkende bom te maken. Het ging hierbij om de zogeheten ‘kritische massa’: de minimale hoeveelheid uranium die nodig is om een kettingreactie op gang te houden. Inmiddels weten we dat de kritische massa van uranium slechts 52 kilogram is; Heisenberg zat er met zijn schatting dus ver naast. In 1940 kwamen Otto Frisch en Rudolph Peierls met een meer realistische schatting: 700 gram.

Voor de Amerikanen gaf deze kleine benodigde hoeveelheid uranium de bevestiging dat een atoombom in principe haalbaar was. Heisenberg bleef echter – ondanks zijn bekendheid met het werk van Frisch en Peierls – vasthouden aan een kritische massa van enkele tonnen uranium. Daarmee maakten ze het zich onnodig lastig: waar haal je zoveel uranium vandaan? Later, in een Duits rapport uit 1942, wordt gesproken van een kritische massa tussen 10 en 100 kilogram, maar onduidelijk is wie dit had bedacht en hoe. Het lijkt er op dat de Duitsers de precieze waarde van de kritische massa niet goed konden berekenen.

Zwaar water of toch grafiet?

Maar of de exacte kritische massa nu bekend was of niet, de uitdaging was om een manier te vinden om uranium-235 uit natuurlijk uraniumerts te scheiden van uranium-238. Een lastige opgave, aangezien de elementen dezelfde chemische eigenschappen hebben. De Uranverein had zich daarbij ook als doel gesteld een kernreactor te bouwen. Daarmee zouden ze een werkende kettingreactie kunnen maken, iets wat tot dan toe nog niemand had gedaan.

De Uranverein gaf de prioriteit aan de bouw van een reactor, omdat deze ook met natuurlijk uranium kon werken. Scheiding van de isotopen uranium-235 en uranium-238 was in dat geval niet nodig. Eén van de belangrijkste fouten die de Duitsers hebben gemaakt was de keuze voor de zogeheten moderator voor de te bouwen reactor.

Een moderator is het materiaal dat vrijgekomen neutronen uit de splijtingsreacties afremt. Dit is nodig om de kettingreactie in stand te houden. Twee moderatoren lagen voor de hand: ‘zwaar water’ en grafiet. Zwaar water is een vorm van water waarbij de twee waterstofatomen in het watermolecuul zijn vervangen door twee deuterium-atomen. Dat zijn waterstofatomen met een (extra) neutron in de kern.

De Duitsers kozen uiteindelijk voor zwaar water, mede dankzij Walter Bothe. Hij had na experimenten geconcludeerd dat grafiet ongeschikt was als moderator. Maar zijn conclusie was onjuist: hij had grafiet met teveel onzuiverheden getest. Een grafieten moderator moest juist zo puur mogelijk zijn. Door de keuze voor zwaar water haalden de Duitsers zich allerlei extra problemen op de hals. Zwaar water was alleen – en in kleine hoeveelheden – uit een fabriek in Noorwegen te halen. Het Duitse project liep hierdoor grote vertraging op.

Heisenberg was ervan overtuigd dat de wetenschap tijd nodig had, iets wat Hitler en zijn rechterhand Albert Speer als niet-wetenschappers nooit zouden begrijpen. Heisenberg wenste niet onaangenaam onder druk te worden gezet om met resultaten te komen. De Amerikanen gingen echter zeer voortvarend aan de slag met plutonium, getuige de tweede atoombom op Nagasaki die op plutonium werkte.

‘Totale oorlog’

Het waren niet alleen puur wetenschappelijke problemen waar de Duitse onderzoekers mee te kampen hadden. In de zomer van 1941 begon waar Hitler al jaren naar had uitgekeken: de aanval op de Sovjet-Unie. De opmars verliep in eerste instantie voorspoedig, maar in de winter liep het Duitse offensief hopeloos vast op de barre Russische winter. Duitse soldaten stierven massaal door kou, honger en uitputting. Maar Hitler wilde door. Hij moest en zou zijn aartsvijand Stalin verslaan.

De Duitsers daarentegen waren – mede door gebrek aan inlichtingen – niet op de hoogte van het Amerikaanse project. Sterker nog, ze hadden het – misplaatste – superioriteitsgevoel dat ze mijlenver voor liepen en door niemand ingehaald zouden kunnen worden. Illustratief hiervoor is dat toen de Duitse wetenschappers na de oorlog hoorden van de Amerikaanse bom op Hiroshima, ze dachten dat het een hoax was.

Door de combinatie van Heisenbergs gebrekkige kennis van kritische massa en het isoleren van uranium-235, het gebrek aan grondstoffen en de geringe prioriteit die het Uraniumproject nog kreeg na het uitbreken van de ‘totale oorlog’, is het niet verwonderlijk dat Heisenberg meende dat een werkende atoombom pas ver na het einde van de oorlog een realistische optie zou zijn. De morele afweging of hij Hitler aan een massavernietigingswapen moest helpen heeft hij dan ook nooit serieus hoeven maken.

Zie ook:

• Bohr, Heisenberg en de bom
• Oudste kernwapenmateriaal teruggevonden
• Supercomputer simuleert atoomexplosie
• De werking van een atoombom uitgelegd (atomicarchive.com)