A perda das fontes primárias de borracha — as plantações no Extremo Oriente — durante a Segunda Guerra Mundial impulsionou programas acelerados de pesquisa e produção de borracha sintética para atender às necessidades da indústria e do esforço de guerra.

O nylon revelou-se outro material estratégico, servindo como "seda artificial" para paraquedas. Na Alemanha, a I.G. Farben construiu uma grande fábrica em Buna explorando o trabalho escravo dos prisioneiros de Auschwitz.

A Alemanha deu grande ênfase à pesquisa e produção de novos bombardeiros e caças. Foram os primeiros a empregar aviões com motores a jato, seguidos posteriormente pela RAF britânica. O V-2 alemão (Vergeltungswaffen Zwei) foi um marco no avanço da foguetaria. Propulsado por álcool e oxigênio líquido, o V-2 foi o primeiro míssil balístico, ou seja, um foguete autopropelido que, após o lançamento, segue apenas uma trajetória determinada pela gravidade. O V-2 voava mais rápido do que a velocidade do som, mas não era muito preciso. Por exemplo, numa distância de 320 km, apenas um terço dos V-2 acertaria a menos de 5 km do seu alvo.

Imagem à esquerda: Um míssil V-2 no seu lançador móvel Meillerwagen em 1943. Após a guerra, os V-2 capturados foram extensamente estudados por pesquisadores soviéticos e americanos, e sua tecnologia foi o ponto de partida para os programas espaciais das duas potências.

Em 1940, o comando antiaéreo do Exército Britânico organizou um grupo de cientistas sob o físico P.A.M. Blackett para estudar o uso operacional do radar, de armas e de calculadoras mecânicas para artilharia antiaérea. No Almirantado, de 1942 a 1945, esse grupo alcançou melhorias significativas no uso do radar aerotransportado para localizar submarinos alemães que afundavam navios mercantes no Atlântico.

A partir do seu trabalho, desenvolveu-se um novo campo da matemática — chamado pesquisa operacional — para tratar problemas complexos de otimização. A pesquisa operacional migrou em 1942 para os EUA, onde foi desenvolvida para fins militares na Universidade de Princeton e no Instituto de Tecnologia de Massachusetts.

A Segunda Guerra Mundial também assistiu ao desenvolvimento e ao primeiro uso sistemático de computadores digitais para resolver problemas militares. Na Alemanha, o computador de Konrad Zuse foi utilizado pela indústria aeronáutica. No Reino Unido, o Colossus, o primeiro computador digital eletrônico, foi desenvolvido para decifrar códigos alemães. Nos EUA, o Mark I eletromecânico de Harvard e o ENIAC eletrônico do Exército americano produziram tabelas de tiro para artilharia e outros cálculos militares. O ENIAC foi também utilizado no desenvolvimento da bomba atômica.

Imagem acima à direita: O dispositivo de madeira em primeiro plano é uma máquina alemã Enigma de quatro rotores, usada para codificação. A grande máquina ao fundo é uma “Bomba” usada para quebrar o código.

O uso de ondas de rádio para detectar e localizar objetos foi sugerido já em 1900 por Nikola Tesla. As vantagens militares tornaram-se de importância crítica na Segunda Guerra Mundial, na Batalha Aérea da Inglaterra e nas operações no Oceano Pacífico.
Um tubo para geração de potência em micro-ondas, fundamental para o sucesso do radar, o magnetron de cavidade, foi desenvolvido no Reino Unido por volta de 1940. Um Laboratório de Radiação dedicado foi criado no Instituto de Tecnologia de Massachusetts, onde vários físicos americanos foram empregados.

Imagem à esquerda: O SCR268 em uso na Itália em 1944. Este tipo de radar era um detector tipo holofote para dirigir o fogo antiaéreo. Imagem à direita: O físico britânico E.G. Bowen mostra um magnetron a Lee DuBridge e ao físico I.I. Rabi no Laboratório de Radiação em 1943.

O ataque alemão de 1941 encontrou as estruturas militares da União Soviética amplamente despreparadas, permitindo uma rápida invasão dos territórios russos. A indústria soviética teve de produzir novos sistemas de armas, e cientistas e instituições científicas foram convocados para desenvolver materiais para tanques, aeronaves e armamentos adequados às condições extremas do inverno russo.

O tanque T-34 exerceu uma influência profunda e duradoura nas táticas e no design de tanques posteriores. Implantado pela primeira vez em 1940, é considerado o projeto mais eficaz, eficiente e influente da Segunda Guerra Mundial.

Imediatamente após a observação por Otto Frisch e Lise Meitner da grande quantidade de energia liberada na fissão do urânio (dezembro de 1938) e a sugestão de Enrico Fermi sobre a possibilidade de uma reação em cadeia (janeiro de 1939), os possíveis usos militares dos processos de fissão tornaram-se evidentes para a comunidade de físicos nucleares. A proposta de Leo Szilard de se abster de publicar novos resultados foi seriamente considerada, mas não aceita de fato. Na primavera de 1939, os governos e as autoridades militares dos EUA, Alemanha, União Soviética, França e Reino Unido foram informados das possíveis aplicações militares da fissão nuclear.

Problemas: neutrons rápidos

Contudo, a construção de uma bomba nuclear apresenta problemas extremamente diferentes daqueles envolvidos na construção de um reator nuclear. O problema fundamental é a necessidade de fissões simultâneas de um enorme número de núcleos em um tempo suficientemente curto para evitar a dispersão do material físsil devido ao aquecimento. Uma explosão equivalente a 20 kt de explosivo químico (TNT) requer a fissão de 1 kg de ²³⁵U, o que implica uma reação em cadeia de 80 gerações. Como a fissão ocorre em cerca de 10^-8s, 80 gerações de nêutrons se passam em 0,8 microssegundos. Os nêutrons precisam de cerca de 1 microssegundo para desacelerar e, portanto, uma bomba deve operar com os nêutrons rápidos conforme são produzidos, sem moderador.

Massa crítica do material físsil

Uma grande fração dos nêutrons liberados no processo de fissão possui menos de 1 MeV de energia e, portanto, é incapaz de induzir a fissão de um núcleo de ²³⁸U. Por isso, as armas nucleares utilizam apenas ²³⁵U ou ²³⁹Pu. A massa mínima depende da pureza do material físsil, mas pode ser bastante reduzida cercando o núcleo com uma camada de material pesado — o tamper — que reflete os nêutrons de volta e retarda a expansão do material ativo. Por exemplo, um tamper espesso de U reduz a massa crítica de uma esfera de ²³⁵U puro de 56 kg para 15 kg e de ²³⁹Pu de 11 kg para 5 kg.

Imagem à direita: Curvas de massas críticas de ²³⁵U e ²³⁹Pu em função de sua pureza.

Projeto da bomba

Para ser útil, uma arma nuclear deve ser fácil de manusear com segurança e deve operar sem falhas. Também deve ser pequena o suficiente para ser entregue ao seu alvo. Todas essas condições conflitantes precisam ser atendidas, exigindo a colaboração cooperativa de especialistas em muitas áreas. Em particular, o conhecimento científico necessário inclui a determinação precisa das probabilidades de fissão e do comportamento dos materiais físseis em função da pressão e da temperatura.

Mecanismos de detonação

Antes do disparo, o material ativo deve ser preparado de tal forma que uma reação em cadeia não possa se desenvolver, levando em conta todas as possíveis fontes de nêutrons. O ato de disparar consiste em um rearranjo de volume que garante a configuração necessária para uma reação em cadeia. Há duas abordagens básicas.

Na técnica de canhão, uma massa subcrítica é propelida por um canhão convencional de alta velocidade contra outra massa subcrítica.

A técnica de implosão detona uniformemente uma carga periférica de explosivo químico de maneira a comprimir uma massa subcrítica em uma configuração supercrítica. Para armas de ²³⁵U ambas as técnicas são possíveis, mas para armas de plutônio, devido à presença do ²⁴⁰Pu que sofre fissão espontaneamente, apenas a técnica de implosão é viável.

Imagem à esquerda: Desenhos esquemáticos dos dois mecanismos de detonação — de Los Alamos, início de 1943.

Durante 1939, na Universidade Columbia em Nova York, pesquisas sobre propriedades básicas da fissão foram realizadas pelos grupos de Fermi e John Dunning com apoio financeiro limitado da Marinha dos EUA. Enquanto Fermi visava obter uma reação em cadeia com urânio natural e moderadores de grafite, Dunning iniciou pesquisas sobre o enriquecimento de urânio do isótopo ²³⁵U. Em Princeton, Niels Bohr e John Wheeler desenvolveram a teoria básica da fissão, ressaltando a importância do ²³⁵U.

Imagem à esquerda: Fermi, Bohr e Léon Rosenfeld na Instituição Carnegie em 1939. A fissão foi demonstrada no Departamento de Magnetismo Terrestre (DTM) em 28 de janeiro de 1939.

França

Em Paris, Hans von Halban, Lew Kowarski, Francis Perrin e Frédéric Joliot-Curie perceberam que os nêutrons lentos eram mais eficazes para produzir fissões e começaram a usar primeiro hidrogênio e depois água pesada para desacelerar os nêutrons de fissão. Em outubro de 1939, obtiveram uma fórmula aproximada para a lei da reação em cadeia, que mantiveram em segredo até o fim da Segunda Guerra Mundial. Após a invasão alemã da França, von Halban e Kowarski levaram sua água pesada para a Inglaterra e se juntaram à equipe de pesquisa britânica. Joliot continuou suas pesquisas na França, onde participou da resistência contra os nazistas.

Imagem à direita: Hans von Halban, Lew Kowarski e Frederic Joliot-Curie, início de 1939.

Alemanha

Já em março de 1939, o governo alemão começou a se interessar pela fissão nuclear. Em setembro, um Projeto do Urânio foi formalmente constituído sob a responsabilidade de Kurt Diebner. O Kaiser Wilhelm Institut für Physik em Berlim-Dahlem tornou-se o centro científico e o trabalho foi realizado em vários institutos espalhados pela Alemanha. O uso de água pesada e a separação isotópica foram os principais temas de pesquisa. Heisenberg desenvolveu a teoria da fissão. No verão de 1941, em Leipzig, uma pilha subcrítica moderada a água pesada já estava em operação. Fritz Houtermans definiu vários aspectos da fissão e sugeriu o uso do elemento 94 (plutônio) produzido a partir do ²³⁸U. Em Berlim, uma grande pilha subcrítica foi construída utilizando 500 l de água pesada.

Em 1942, Heisenberg estava convencido da impossibilidade de construir uma arma nuclear, devido às dificuldades de separação do ²³⁵U. De 4 a 6 de junho de 1942, o Comitê do Urânio apresentou seus resultados ao Ministro Albert Speer e ao Marechal Erhald Milch: decidiu-se dar prioridade à produção de energia nuclear. A possibilidade de um motor nuclear para a Marinha foi considerada e um grande estoque foi construído durante o inverno de 1944 em Dahlem com 1,5 t de urânio e 1,5 t de água pesada. Após o bombardeio do instituto, a pesquisa foi transferida para uma caverna em Hechingen, na Baviera. Os instrumentos e os cientistas foram capturados pelas forças americanas em 22 de abril de 1945.

Imagem à esquerda: O laboratório de urânio em Dahlem.

A União Soviética

A pesquisa experimental e teórica sobre fissão teve início imediatamente na cidade russa de Leningrado (atual São Petersburgo) e, em uma série de artigos seminais de Yakov Borisovich Zel’dovich e Yuli Khariton em 1939-40, foram delineados os princípios básicos da reação em cadeia de fissão.

Em 1940, um programa para a exploração da fissão foi apresentado ao Presidium da Academia de Ciências. Em Leningrado, em junho de 1941, o grupo de Kurchatov iniciou a operação com um cíclotron recém-construído. Contudo, durante a invasão alemã da Rússia (junho de 1941), Stalin suspendeu as pesquisas sobre fissão.

Em julho de 1945, Stalin decidiu iniciar um programa acelerado para desenvolver energia nuclear sob a liderança de Igor Kurchatov. Um laboratório secreto (Arzamas-16) foi construído por prisioneiros de guerra perto de Arzamas, a cerca de 400 km a leste de Moscou. Vários cientistas alemães e materiais de laboratórios alemães ajudaram a acelerar o projeto russo.

Imagem à direita: Mapa dos primeiros laboratórios nucleares soviéticos.

Grã-Bretanha: O memorando Frisch-Peierls

O início do programa britânico de armas nucleares foi resultado da pesquisa realizada em Birmingham por dois refugiados: o alemão Rudolph Ernst Peierls e o austríaco Otto Frisch. Em 19 de março de 1940, eles apresentaram a Henry Tizard, Presidente do Imperial College, dois memorandos confidenciais: “Sobre as propriedades de uma 'Superbomba' Radioativa” e “Sobre a Construção de uma 'Superbomba' Baseada em uma Reação em Cadeia Nuclear no Urânio”.

Em seu memorando, argumentaram a viabilidade de uma reação em cadeia explosiva de nêutrons rápidos de ²³⁵U com uma massa crítica de apenas 1 kg. Descreveram o mecanismo de detonação por canhão, exploraram os efeitos da arma e insistiram no início de um programa de pesquisa para contrabalançar os desenvolvimentos nucleares alemães.

O memorando Frisch-Peierls, tornando a perspectiva de uma arma de urânio acessível, convenceu a RAF a iniciar um forte programa de pesquisa (o Comitê MAUD) sob George Thompson, com grupos em Liverpool (James Chadwick), Birmingham (Oliphant e Peierls), Oxford (para separação isotópica) e nas Imperial Chemical Industries.

Imagem à esquerda: Mark Oliphant no Departamento de Física de Birmingham em 1941.

Após a queda da França, os cientistas parisienses trouxeram sua experiência para o Reino Unido juntamente com a água pesada. Em 7 de julho de 1941, o Comitê MAUD apresentou ao Governo documentos detalhados descrevendo os usos militares e civis da fissão. Churchill deu alta prioridade a ambas as áreas de pesquisa; o “Directorate Tube Alloys” foi criado sob o controle de John Anderson, Lord Presidente do Conselho. Ao final de 1941, o programa britânico era o mais avançado do mundo.

Itália

O grupo de física nuclear de Roma, fundado por Fermi e liderado por Edoardo Amaldi após a partida de Fermi para os EUA em 1939, especializou-se em reações induzidas por nêutrons. Era importante conduzir pesquisas sobre fissão para compreender por que o grupo havia anteriormente confundido essa reação com a produção de elementos transuranicos em 1936.

Contudo, em 1941, o grupo de Roma decidiu cessar todas as pesquisas sobre fissão em virtude de suas implicações militares.

Imagem à direita: O acelerador de prótons Cockroft-Walton de 200 kV em uso a partir de 1939 pelo grupo de física nuclear em Roma.

Yoshio Nishina iniciou pesquisas sobre armas nucleares no verão de 1940 no laboratório Riken em Tóquio, com apoio limitado do exército japonês. Em Quioto, a Marinha Imperial apoiou a pesquisa de Bunsaku Arakatsu. A concorrência entre a Marinha e a Força Aérea resultou em progresso limitado até a primavera de 1943, quando as primeiras plantas de separação foram produzidas. No entanto, o projeto nunca atingiu um tamanho efetivo. Após o bombardeio de Hiroshima, Nishina sobrevoou a cidade e reconheceu a natureza aterradora de um ataque nuclear.