Im Juli 1939 überzeugte Szilárd den Wirtschaftswissenschaftler Alexander Sachs von der Notwendigkeit einer starken amerikanischen Initiative bei den militärischen Anwendungen der Kernspaltung, um den deutschen Entwicklungen entgegenzuwirken. Szilárd bat Einstein, einen Brief an Präsident Roosevelt zu schreiben, in dem die Gefahren und Möglichkeiten der Kernspaltung dargelegt wurden.

Mit dem Beitrag von Edward Teller und Eugene Wigner wurde der Brief am 2. August 1939 vorbereitet. Sachs überreichte Roosevelt am 11. Oktober 1939 den Brief und ein technisches Dokument von Szilárd, und der Präsident gründete sofort einen Beratenden Ausschuss für Uran (ACU) unter dem Vorsitz des Regierungswissenschaftlers Lyman J. Briggs.

Bild rechts: A. Einstein und L. Szilárd im August 1939. Unten: der originale Einstein-Szilárd-Brief.

Priorität wurde Fermis Bemühungen in New York eingeräumt, eine Kettenreaktion mit natürlichem Uran und einem Graphitmoderator zu erzeugen, zusammen mit Studien in mehreren Forschungslaboratorien zur Trennung des Isotops ²³⁵U. In Berkeley wurde Element 94 (Plutonium) im Februar 1941 von Glenn Seaborg entdeckt und seine Spaltungseigenschaften wurden von ihm und Emilio Segrè untersucht. Sein Einsatz als Alternative zu ²³⁵U wurde zu einer wichtigen Option.

Im Juni 1941 überzeugte Vannevar Bush Roosevelt von der Notwendigkeit der Beteiligung von Wissenschaftlern an den Verteidigungsaktivitäten und der Entwicklung neuer Waffen. Das Office of Scientific Research and Development (OSRD) wird gegründet und berichtet direkt an den Präsidenten. Der ACU wird unter der neuen Bezeichnung „Abschnitt S-1" der Kontrolle des OSRD unterstellt. Die Beteiligung der Industrie an der Produktion von Pilotanlagen wird empfohlen und eine strengere politische Kontrolle der Forschung wird eingeführt.

Bild oben: Die wissenschaftlichen Leiter des S-1-Projekts: Ernest O. Lawrence, Arthur H. Compton, Vannevar Bush, James B. Conant, Karl T. Compton, Alfred L. Loomis (Berkeley, 29. März 1940).

Am 9. Oktober 1941 legt V. Bush Roosevelt und Vizepräsident Henry A. Wallace den von den Briten zur Verfügung gestellten MAUD-Bericht vor. Roosevelt erteilt Bush die volle Befugnis zu untersuchen, ob eine Bombe gebaut werden kann und zu welchem Preis, mit der notwendigen Finanzierung aus einer speziellen Präsidialquelle. Strenge Geheimhaltung war zu wahren und die Einzelheiten der Zusammenarbeit mit Großbritannien waren genau festzulegen. Dieses Ereignis war von größter Bedeutung für den tatsächlichen Bau der Bombe.

Die Zusammenarbeit hatte ihre Schwierigkeiten, die von der Partei verursacht wurden, die zu einem bestimmten Zeitpunkt bei der Kernforschung weiter fortgeschritten zu sein schien. 1941 schränkten die Briten die Informationen an die Amerikaner ein, 1942 weigerten sie sich, ein britisches Team in ihr Programm aufzunehmen. Die Probleme wurden durch die Anwesenheit der französischen Wissenschaftler im britischen Projekt und durch die Patentpolitik verstärkt. Im Januar 1943 wurde die Kommunikation vollständig abgebrochen. Die Zusammenarbeit wurde mit dem trilateralen Québec-Abkommen vom 17. August 1943 zwischen Kanada, Großbritannien und den USA wieder aufgenommen. Großbritannien stellte sein Bombenprojekt ein und seine Wissenschaftler schlossen sich dem US-Team an, ein freier Informationsaustausch wurde gewährleistet und jede Partei hat ein Vetorecht über den Einsatz der Bombe.

Nachdem die USA im Dezember 1941 in den Krieg eingetreten waren, erhielt das US-amerikanische Nuklearprogramm Ressourcen auf höchstem Niveau ohne jegliche Budgetbeschränkungen.

Arthur Compton in Chicago war für die Herbeiführung der Kettenreaktion zur Plutoniumproduktion zuständig, Ernest Lawrence in Berkeley für die elektromagnetische Isotopentrennung von ²³⁵U mit speziell entwickelten Zyklotrons. Harold Urey für die Isotopentrennung mit Zentrifugen und Gasdiffusion.

General Leslie Groves wird im September 1942 zum militärischen Leiter des nun „Manhattan Engineering District" (MED) genannten Projekts ernannt und gibt sofort der Sicherstellung der notwendigen Materialien höchste Priorität und wählt ein Gebiet von etwa 230 Quadratkilometern in Tennessee (Oak Ridge) für den Bau der Laboratorien für die Produktion der Spaltmaterialien aus.

Bild rechts: Karte des in Oak Ridge für die Produktion von Spaltmaterial errichteten Komplexes. Innerhalb weniger Monate entstand in diesem ländlichen Gebiet neben riesigen Laboratorien eine Stadt mit 13.000 Einwohnern und einem asphaltierten Straßennetz von 500 km. Im nächsten Jahr erreichte die Stadt 42.000 Einwohner.

Enrico Fermis Experimente mit qualitativ hochwertigeren Stapeln aus natürlichem Uran und Graphit gaben ihm die Zuversicht, eine selbsterhaltende Kettenreaktion zu erreichen. Am 16. November 1942 begann er mit dem Bau eines Demonstrationsstapels (CP1) in Chicago, mit Wigners Unterstützung bei den theoretischen Berechnungen.

Die erste selbsterhaltende Kettenreaktion wurde am 2. Dezember 1942 erreicht, womit die Möglichkeit der Nutzung der Kernspaltung zur Energieerzeugung bestätigt und eine Plutoniumquelle für die Bombe geschaffen wurde.

CP1 wird sofort demontiert und die Materialien für einen größeren Stapel CP2 im neuen Labor im Argonne-Wald bei Chicago geborgen.

Bild links: Die West Stands des Stagg Stadions der Universität Chicago, unter dem CP1 gebaut wurde.

Zwei Methoden zur Uranentrennung wurden verfolgt.

Die elektromagnetische Trennungsmethode basiert auf dem Prinzip, dass geladene Objekte abgelenkt werden, wenn sie sich in einem Magnetfeld bewegen. Schwerere Ionen werden weniger abgelenkt als leichtere. Geeignet platzierte Sammler können diese Trennung ausnutzen.

Die Diffusionsmethode basiert auf der Tatsache, dass die leichteren Moleküle in einem Gas eine höhere Durchschnittsgeschwindigkeit haben als die schwereren. Ein komprimiertes Gas einer Uranverbindung wird durch eine poröse Schranke diffundiert: die etwas leichteren ²³⁵U-Moleküle haben eine höhere Chance, durch Löcher (ein Bruchteil eines Mikrometers im Durchmesser) zu entweichen. Dann wird das austretende Gas, das leicht mit dem gewünschten Isotop angereichert ist (3 Teile pro 1000), erneut komprimiert und der Prozess wiederholt. In der Oak Ridge-Anlage im Jahr 1945 erreichte die Gesamtoberfläche der Trennbarriere Tausende von Quadratmetern und produzierte auf bis zu 10% angereichertes Uran.

Bild oben rechts: Schematisches Diagramm des Gasflusses in einer Diffusionskaskade.

Für das eigentliche Design der Bombe beschloss J. Robert Oppenheimer, wissenschaftlicher Leiter des MED, alle notwendigen Wissenschaftler und technischen Experten in einem neuen geheimen Labor zu versammeln, das im Winter 1942-1943 in Los Alamos, einem abgelegenen Plateau in New Mexico, gebaut wurde. Im März 1943 begann das Labor unter der Verantwortung der University of California mit der Grundlagenforschung zur Herstellung einer „praktischen Militärwaffe". Mehrere Forschungsapparate wurden aus verschiedenen Teilen der USA transferiert: der Harvard-Zyklotron, zwei Van-de-Graaff-Beschleuniger aus Wisconsin, ein Cockcroft-Walton-Beschleuniger aus Illinois usw. Die Bevölkerung von Los Alamos verdoppelte sich alle 9 Monate und erreichte 1945 über 5000 Menschen.

Oppenheimer gelang es trotz der militärischen Beschränkungen, den Stil einer wissenschaftlichen Institution zu bewahren und die Forschungsarbeit lohnend zu gestalten. Das Leben dort war hart, aber aufregend, und der Kontakt mit erfahrenen Wissenschaftlern ermöglichte es jungen Physikern, wichtige Fähigkeiten zu erwerben.

Der Weg zum Plutonium beginnt damit, dass ²³⁸U in einem mit langsamen Neutronen betriebenen Kernreaktor ein Neutron absorbiert. Nach den Prototypstapeln CP1 und CP2 bauten Industrieunternehmen drei große Reaktoren in einem neuen geheimen Zentrum in Hanford (Washington) und einen in Oak Ridge.

In Los Alamos schritt die Erforschung der chemischen, physikalischen und metallurgischen Eigenschaften des neuen Materials voran, sobald Plutonium geliefert wurde – zunächst in Gramm-Mengen und ab Frühjahr 1945 in ausreichenden Mengen für die Produktion von drei Bomben.

Am 3. Juli 1945 wurde in Los Alamos die ²³⁵U-Bombe „Little Boy" fertiggestellt. Das spaltbare Material war für 3 kritische Massen auf bis zu 86% angereichert, jede mit einem Gewicht von etwa 60 kg. Ihre Detonation basierte auf der Kanontechnik unter Verwendung einer 180 cm langen und 453 kg schweren Kanone.

„Little Boy" war etwa 3 m lang mit einem Durchmesser von 70 cm, klein genug, um in den Bombenschacht eines B-29-Bombers zu passen, und hatte ein Gesamtgewicht von etwa 4000 kg. Die Wissenschaftler hatten volles Vertrauen in seine Funktionsfähigkeit und keine Vorversuche wurden für erforderlich gehalten.

Die Plutoniumbombe „Fat Man" hatte einen Plutoniumkern mit einem Gewicht von etwa 6,1 kg und erforderte eine Detonation auf Basis der Implosionsmethode, um eine Vorzündung zu vermeiden, wobei etwa 2300 kg Sprengstoff eingesetzt wurden. Kern, Uranmantel und Sprengstoff wurden durch eine aus zwölf fünfeckigen Abschnitten bestehende Metallkugel zusammengehalten. Die Waffe hatte Stabilisierungsflossen und eine schützende eiförmige Außenhülle mit 150 cm Durchmesser. „Fat Man" war etwa 365 cm lang und wog etwa 4900 kg.

Bild: Die Fat Man-Bombe wird auf Tinian auf den Marianen für den Abwurf auf Nagasaki vorbereitet.

Die Implosionsmethode war völlig neu und die vorläufigen Teilversuche gaben keine vollständige Sicherheit.

Daher wurde, als ausreichend Plutonium verfügbar war, Mitte Juli 1945 ein abschließender Test der vollständigen Bombe in Alamogordo in der Wüste von New Mexico an einem Ort namens Trinity durchgeführt.

Die Effizienz der Waffe betrug 17% bei einer Ausbeute von 22 kt. Der Test ermöglichte auch die Überprüfung mehrerer technischer Details, aber das Hauptziel war es, die Auswirkungen einer Nuklearexplosion direkt zu erleben.

Keiner der Zeugen der ersten Nuklearexplosion war auf das tatsächliche Ereignis vorbereitet: vom anfänglichen Blitz und dem frühen Feuerball ohne jegliches Geräusch, von der lautlosen Wärme des Lichtimpulses wie gleichzeitige harte Ohrfeigen auf beide Wangen, zur Schockwelle, die über den Wüstenboden raste, und zur Trümmerwolke, die die unheilverkündende Pilzform bildete.

Bild rechts: Der anfängliche Feuerball der ersten Nuklearexplosion auf der Erde, 16. Juli 1945.

Die Entwicklung einer Nuklearexplosion und ihre Auswirkungen hängen neben der Sprengkraft auch von der Art des Einschlags – Luft, große Höhe, Oberfläche, unter Wasser, unterirdisch – sowie von den spezifischen meteorologischen Bedingungen und der Beschaffenheit des Geländes ab.

Die Hauptphänomene bleiben jedoch unverändert. Die in der kurzen Zeit der Explosion erzeugte große Energie erhitzt die Materialien auf Temperaturen von mehreren zehn Millionen Grad, und Drücke von einer Million Mal dem atmosphärischen Druck werden erreicht. Große Energiemengen werden hauptsächlich als Röntgenstrahlen abgestrahlt, die von der Luft absorbiert werden und zur Bildung einer extrem heißen und leuchtenden Luftmasse führen. Dieser Feuerball wächst in der Größe und steigt auf, während seine Temperatur sinkt. Nach einer Minute hört die Lichtemission auf und die Wolke ist auf etwa 7 km Höhe gestiegen.

Die Bildsequenz links zeigt die ersten 4 Sekunden der Entwicklung des Explosionsfeuerballs beim Trinity-Test.

Anfang 1945 wurde klar, dass die Alliierten den Krieg sowohl in Europa als auch im Pazifik gewannen. Mehrere Wissenschaftler begannen, die sozialen und politischen Implikationen der Kernkraft und die Folgen eines tatsächlichen Einsatzes der Bombe zu diskutieren. Im Juni 1945 schlug der Franck-Bericht vor, Japan zu warnen und die Macht der Bombe angesichts ihrer verheerenden Wirkung in einem unbewohnten Gebiet zu demonstrieren. Ein Wissenschaftliches Panel, bestehend aus Compton, Fermi, Lawrence und Oppenheimer, wurde gegründet, um das Interimskomitee zu beraten, und berichtete die Ansichten der Wissenschaftler.

Ein direkter militärischer Einsatz der Waffe wurde jedoch nach Rücksprache mit allen Alliierten für notwendig erachtet, auch wenn für die Zukunft eine offene internationale Zusammenarbeit für die Entwicklung der zivilen Kernkraft vorgesehen war.

Am Morgen des 6. August 1945 um 8:15 Uhr wurde „Little Boy" auf Hiroshima abgeworfen und explodierte 580 m über der Stadt mit einer Sprengkraft zwischen 12 kt und 15 kt. Am 9. August 1945 um 11:02 Uhr explodierte „Fat Man" 503 m über Nagasaki; seine Sprengkraft war größer als 22 kt. Die beiden Städte wurden zerstört, mit mehr als hunderttausend Toten und hunderttausend Verletzten. Japan kapitulierte und der Zweite Weltkrieg endete. Die endgültige Entscheidung zum Abwurf der Bombe war sowohl militärisch motiviert, um hohe Verluste bei einer Invasion Japans zu vermeiden, als auch politisch, um den Krieg zu beenden, bevor die Sowjetunion im Pazifik expandieren konnte.

Bild: Oberst Paul W. Tibbets, Jr., auf seiner B-52-Bombern „Enola Gay" vor dem Start nach Hiroshima.

Nach dem Krieg begannen die Perspektiven der zivilen und militärischen Kernkraft untersucht zu werden. Der neue amerikanische Präsident Harry S. Truman gründete ein „Interimisches Komitee", um über den Einsatz der Waffen und die Gestaltung eines Nuklearprogramms für die Zukunft zu entscheiden. Zu den zu treffenden Entscheidungen gehörte, ob man die internationale Zusammenarbeit fortsetzen oder eine Politik des amerikanischen Monopols verfolgen sollte.

Aber der Zweite Weltkrieg war ein Wendepunkt in den Beziehungen zwischen Wissenschaftlern und Regierungen. Wissenschaftler haben nicht nur neue Waffen erfunden und gebaut, sie haben sie auch aktiv gefördert und an der Entscheidung mitgewirkt, wann und wie sie einzusetzen sind, und sind damit zu vollwertigen Partnern im politischen Entscheidungsprozess geworden.

Der militärische und politische Erfolg der Atombombe und die wirtschaftlichen Aussichten der Kernenergie gaben der wissenschaftlichen Gemeinschaft überall Sichtbarkeit und Macht. Großbritannien, Russland und Frankreich brauchten Wissenschaftler, um ihre eigenen Nukleararsenale aufzubauen. In den USA erhielten Physiker große finanzielle Unterstützung und konnten trotz der Wünsche des Militärs die Verantwortung für die Kontrolle der Entwicklung der Kernenergie gewinnen. In den USA wurde die Nuklearenergiepolitik der Atomic Energy Commission übertragen, einem Gremium unter ziviler Kontrolle.