Der Verlust der primären Kautschukquellen – Plantagen im Fernen Osten – während des Zweiten Weltkriegs veranlasste Notprogramme zur Erforschung und Herstellung von Synthesekautschuk, um den Bedarf der Industrie und des Kriegseinsatzes zu decken.

Nylon erwies sich als weiteres strategisches Material, das als „Kunstseide" für Fallschirme diente. In Deutschland wurde von I.G. Farben in Buna eine große Fabrik errichtet, die die Sklavenarbeit der Häftlinge von Auschwitz ausnutzte.

Deutschland legte großen Wert auf Forschung und Produktion neuer Bomber und Jagdflugzeuge. Sie waren die ersten, die Flugzeuge mit Strahltriebwerken einsetzten, gefolgt später von der britischen RAF. Die deutsche V-2 (Vergeltungswaffen Zwei) war ein Meilenstein im Fortschritt der Raketentechnik. Angetrieben von Alkohol und flüssigem Sauerstoff war die V-2 die erste ballistische Rakete, d. h. eine selbstangetriebene Rakete, die nach dem Start nur einer durch die Schwerkraft bestimmten Flugbahn folgt. V-2 flog schneller als die Schallgeschwindigkeit, war aber nicht sehr präzise. Zum Beispiel würde bei einer Reichweite von 320 km nur ein Drittel der V-2s innerhalb von 5 km ihres Ziels einschlagen.

Links: Eine V-2-Rakete auf ihrem mobilen Abschussgerät Meillerwagen im Jahr 1943. Nach dem Krieg wurden erbeutete V-2s von sowjetischen und amerikanischen Forschern eingehend untersucht, und ihre Technologie war der Ausgangspunkt für die Raumfahrtprogramme der beiden Mächte.

Im Jahr 1940 organisierte das Flugabwehrkommando der britischen Armee eine Gruppe von Wissenschaftlern unter dem Physiker P.A.M. Blackett zur Untersuchung des operativen Einsatzes von Radar, Geschützen und mechanischen Rechenmaschinen für den Flugabwehrbeschuss. In der Admiralität von 1942 bis 1945 erzielte diese Gruppe erhebliche Verbesserungen beim Einsatz von Borbradar zum Aufspüren deutscher U-Boote, die Handelsschiffe im Atlantik versenkten.

Aus ihrer Arbeit entwickelte sich ein neues Mathematikgebiet – Operations Research genannt – zur Behandlung komplexer Optimierungsprobleme. Operations Research verlagerte sich 1942 in die USA, wo es zu militärischen Zwecken an der Princeton University und am Massachusetts Institute of Technology entwickelt wurde.

Der Zweite Weltkrieg sieht auch die Entwicklung und den ersten systematischen Einsatz digitaler Computer zur Lösung militärischer Probleme. In Deutschland wurde Konrad Zuses Computer für die Flugzeugindustrie eingesetzt. In Großbritannien wurde der Colossus, der erste elektronische Digitalcomputer, zum Knacken deutscher Codes entwickelt. In den USA erstellten Harvards elektromechanischer Mark I und der elektronische ENIAC der US-Armee Schießtafeln für die Artillerie und andere militärische Berechnungen. ENIAC wurde auch für die Entwicklung der Atombombe eingesetzt.

Bild oben rechts: Das Holzgerät im Vordergrund ist eine vierrotige deutsche Enigma-Maschine, die zur Verschlüsselung verwendet wurde. Die große Maschine im Hintergrund ist eine „Bombe", die zum Knacken des Codes verwendet wurde.

Die Verwendung von Radiowellen zur Erkennung und Ortung von Objekten wurde bereits 1900 von Nikola Tesla vorgeschlagen. Die militärischen Vorteile wurden im Zweiten Weltkrieg in der Luftschlacht um England und bei den Operationen im Pazifik von entscheidender Bedeutung.
Eine Röhre zur Erzeugung von Mikrowellenleistung, die für den Erfolg des Radars grundlegend war, das Hohlraum-Magnetron, wurde in Großbritannien um 1940 entwickelt. Am Massachusetts Institute of Technology wurde ein spezielles Strahlungslabor eingerichtet, in dem mehrere amerikanische Physiker beschäftigt wurden.

Bild links: Das SCR268 im Einsatz in Italien im Jahr 1944. Diese Art von Radar war ein Scheinwerfer-Detektortyp zur Steuerung des Flugabwehrfeuers. Bild rechts: Der britische Physiker E.G. Bowen zeigt Lee DuBridge und dem Physiker I.I. Rabi 1943 im Strahlungslabor ein Magnetron.

Der deutsche Angriff von 1941 fand die Militärstrukturen der Sowjetunion weitgehend unvorbereitet und ermöglichte eine schnelle Invasion russischer Gebiete. Die sowjetische Industrie musste neue Waffensysteme produzieren, und Wissenschaftler und wissenschaftliche Institutionen wurden aufgefordert, Materialien für Panzer, Flugzeuge und Rüstungsgüter zu entwickeln, die für den Betrieb unter den extremen Bedingungen des russischen Winters geeignet waren.

Der Panzer T-34 hatte einen tiefen und nachhaltigen Einfluss auf spätere Panzertaktiken und -designs. Erstmals 1940 eingesetzt, gilt er als das effektivste, effizienteste und einflussreichste Design des Zweiten Weltkriegs.

Unmittelbar nach der Beobachtung durch Otto Frisch und Lise Meitner der großen Energie, die bei der Spaltung von Uran freigesetzt wird (Dezember 1938), und dem Vorschlag von Enrico Fermi über die Möglichkeit einer Kettenreaktion (Januar 1939) wurden die möglichen militärischen Anwendungen von Spaltprozessen der Gemeinschaft der Kernphysiker bewusst. Leo Szilárd's Vorschlag, von der Veröffentlichung neuer Ergebnisse abzusehen, wurde ernsthaft erwogen, aber tatsächlich nicht angenommen. Im Frühjahr 1939 wurden die Regierungen oder Militärbehörden der USA, Deutschlands, der Sowjetunion, Frankreichs und Großbritanniens auf die möglichen militärischen Anwendungen der Kernspaltung aufmerksam gemacht.

Probleme: Timing – schnelle Neutronen

Der Bau einer Atombombe stellt jedoch völlig andere Probleme dar als die beim Bau eines Kernreaktors. Das grundlegende Problem ist die Notwendigkeit gleichzeitiger Spaltungen einer riesigen Anzahl von Kernen in einer Zeit, die kurz genug ist, um die Dispersion des Spaltmaterials durch Erhitzen zu verhindern. Eine Explosion, die 20 kt chemischem Sprengstoff (TNT) entspricht, erfordert die Spaltung von 1 kg ²³⁵U, was eine 80-fache Kettenreaktion impliziert. Da die Spaltung in etwa 10^-8 s erfolgt, durchlaufen 80 Neutronengenerationen in 0,8 Mikrosekunden. Neutronen benötigen etwa 1 Mikrosekunde, um abgebremst zu werden, daher muss eine Bombe mit den schnellen Neutronen in dem Zustand, in dem sie erzeugt werden, ohne Moderator arbeiten.

Kritische Masse des Spaltmaterials

Ein großer Teil der bei der Spaltung freigesetzten Neutronen hat weniger als 1 MeV Energie und kann daher keine Spaltung eines ²³⁸U-Kerns einleiten. Daher verwenden Kernwaffen nur ²³⁵U oder ²³⁹Pu. Die Mindestmasse hängt von der Reinheit des Spaltmaterials ab, kann aber durch Umhüllen des Kerns mit einer Schicht aus schwerem Material – dem Tamper – erheblich reduziert werden, das Neutronen zurückreflektiert und die Expansion des aktiven Materials verzögert. Zum Beispiel reduziert ein dicker U-Tamper die kritische Masse einer Kugel aus reinem ²³⁵U von 56 kg auf 15 kg und die von ²³⁹Pu von 11 kg auf 5 kg.

Bild rechts: Kurven der kritischen Massen von ²³⁵U und ²³⁹Pu als Funktion ihrer Reinheit.

Bombendesign

Um nützlich zu sein, muss eine Kernwaffe sicher zu handhaben sein und ohne Ausfall funktionieren. Sie muss auch klein genug sein, um zu ihrem Ziel geliefert zu werden. Alle diese gegensätzlichen Bedingungen müssen erfüllt werden, was die kooperative Zusammenarbeit von Experten aus vielen Bereichen erfordert. Insbesondere umfasst das erforderliche wissenschaftliche Wissen die genaue Bestimmung der Spaltungswahrscheinlichkeiten und des Verhaltens der Spaltmaterialien in Abhängigkeit von Druck und Temperatur.

Zündmechanismen

Vor der Zündung muss das aktive Material so vorbereitet werden, dass sich keine Kettenreaktion entwickeln kann, wobei alle möglichen Neutronenquellen berücksichtigt werden. Der Zündvorgang besteht in einer volumetrischen Umordnung, die die für eine Kettenreaktion notwendige Konfiguration gewährleistet. Es gibt zwei grundlegende Ansätze.

Bei der Kanontechnik wird eine unterkritische Masse durch ein konventionelles Schnellfeuergeschütz in eine andere unterkritische Masse geschossen.

Die Implosionsmethode zündet gleichmäßig eine periphere Ladung chemischen Sprengstoffs auf eine Weise, die darauf ausgelegt ist, eine unterkritische Masse in eine überkritische Konfiguration zu komprimieren. Für ²³⁵U-Waffen sind beide Methoden möglich, aber für Plutoniumwaffen, aufgrund der Anwesenheit des spontan spaltenden ²⁴⁰Pu, ist nur die Implosionsmethode durchführbar.

Bild links: Schematische Zeichnungen der beiden Zündmechanismen – aus Los Alamos, Anfang 1943.

Im Jahr 1939 wird an der Columbia University in New York die Forschung über grundlegende Spaltungseigenschaften von den Gruppen von Fermi und John Dunning mit begrenzter finanzieller Unterstützung der US-Marine durchgeführt. Während Fermi darauf abzielte, eine Kettenreaktion mit natürlichem Uran und Graphitmoderatoren zu erzielen, begann Dunning mit der Forschung zur Urananreicherung des Isotops ²³⁵U. In Princeton entwickelten Niels Bohr und John Wheeler die grundlegende Spaltungstheorie und betonten die Bedeutung von ²³⁵U.

Bild links: Fermi, Bohr und Léon Rosenfeld am Carnegie Institution im Jahr 1939. Die Spaltung wurde am Department of Terrestrial Magnetism (DTM) am 28. Januar 1939 demonstriert.

Frankreich

In Paris erkannten Hans von Halban, Lew Kowarski, Francis Perrin und Frédéric Joliot-Curie, dass langsame Neutronen für die Auslösung von Spaltungen effektiver sind, und begannen zunächst mit Wasserstoff und dann mit schwerem Wasser, die Spaltungsneutronen zu bremsen. Im Oktober 1939 erhielten sie eine ungefähre Formel für das Gesetz der Kettenreaktion, die sie bis zum Ende des Zweiten Weltkriegs geheimhalten sollten. Nach der deutschen Besetzung Frankreichs brachten von Halban und Kowarski ihr schweres Wasser nach England und schlossen sich dem britischen Forschungsteam an. Joliot setzte seine Forschungen in Frankreich fort, wo er am Widerstand gegen die Nazis teilnahm.

Bild rechts: Hans von Halban, Lew Kowarski und Frédéric Joliot-Curie, Anfang 1939.

Deutschland

Bereits im März 1939 begann sich die deutsche Regierung für die Kernspaltung zu interessieren. Im September wurde offiziell ein Uranprojekt unter der Verantwortung von Kurt Diebner konstituiert. Das Kaiser-Wilhelm-Institut für Physik in Berlin-Dahlem wurde das wissenschaftliche Zentrum und die Arbeit wurde in mehreren Instituten in ganz Deutschland durchgeführt. Die Verwendung von schwerem Wasser und die Isotopentrennung sind die Hauptforschungsthemen. Heisenberg entwickelte die Spaltungstheorie. Im Sommer 1941 ist in Leipzig bereits ein unterkritischer, mit schwerem Wasser moderierter Stapel in Betrieb. Fritz Houtermans definiert verschiedene Aspekte der Spaltung und schlägt die Verwendung von Element 94 (Plutonium), das aus ²³⁸U erzeugt wird, vor. In Berlin wird ein großer unterkritischer Stapel mit 500 l schwerem Wasser gebaut.

Im Jahr 1942 war Heisenberg von der Unmöglichkeit, eine Kernwaffe zu bauen, aufgrund der Schwierigkeiten bei der Trennung von ²³⁵U überzeugt. Vom 4. bis 6. Juni 1942 präsentierte der Uranausschuss seine Ergebnisse dem Minister Albert Speer und Marschall Erhard Milch: Es wurde beschlossen, der Produktion von Kernkraft Priorität zu geben. Die Möglichkeit eines Kernantriebs für die Marine wurde erwogen und im Winter 1944 in Dahlem wird ein großer Vorrat mit 1,5 t Uran und 1,5 t schwerem Wasser angelegt. Nach der Bombardierung des Instituts wird die Forschung in eine Höhle in Hechingen in Bayern verlegt. Die Instrumente und die Wissenschaftler werden am 22. April 1945 von US-Streitkräften gefangen genommen.

Bild links: Das Uranlabor in Dahlem.

Die Sowjetunion

Experimentelle und theoretische Forschungen zur Spaltung begannen sofort in der russischen Stadt Leningrad (heute als Sankt Petersburg bekannt) und in einer Reihe grundlegender Arbeiten von Jakow Borissowitsch Seldowitsch und Juli Chariton in den Jahren 1939-40 wurden die Grundprinzipien der Spaltungskettenreaktion umrissen.

Im Jahr 1940 wurde dem Präsidium der Akademie der Wissenschaften ein Programm zur Nutzung der Spaltung vorgelegt. In Leningrad beginnt im Juni 1941 die Gruppe von Kurtschatow den Betrieb mit einem neu gebauten Zyklotron. Während der deutschen Invasion Russlands (Juni 1941) stoppt Stalin jedoch die Spaltungsforschung.

Im Juli 1945 beschloss Stalin, unter der Führung von Igor Kurtschatow ein Sofortprogramm zur Entwicklung der Kernkraft zu starten. Ein geheimes Labor (Arzamas-16) wurde von Kriegsgefangenen in der Nähe von Arzamas, etwa 400 km östlich von Moskau, gebaut. Mehrere deutsche Wissenschaftler und Materialien aus deutschen Laboratorien halfen dabei, das russische Projekt zu beschleunigen.

Bild rechts: Karte der ersten sowjetischen Nuklearlabors.

Großbritannien: Das Frisch-Peierls-Memorandum

Der Beginn des britischen Programms für Kernwaffen war das Ergebnis der in Birmingham von zwei Flüchtlingen durchgeführten Forschungen: dem Deutschen Rudolf Ernst Peierls und dem Österreicher Otto Frisch. Am 19. März 1940 präsentierten sie Henry Tizard, Präsident des Imperial College, zwei vertrauliche Memoranden: „Über die Eigenschaften einer radioaktiven 'Superbombe'" und „Über den Bau einer 'Superbombe' basierend auf einer Kernkettenreaktion in Uran".

In ihrem Memorandum argumentieren sie die Durchführbarkeit einer schnellen Neutronenketten-Explosionsreaktion von ²³⁵U mit einer kritischen Masse von nur 1 kg. Sie beschreiben den Kanonenzündmechanismus und erforschen die Wirkungen der Waffe und bestehen darauf, ein Forschungsprogramm zu starten, um den deutschen Kernentwicklungen entgegenzuwirken.

Das Frisch-Peierls-Memorandum, das die Aussicht auf eine Uranwaffe erschwinglich machte, überzeugte die RAF, ein starkes Forschungsprogramm (den MAUD-Ausschuss) unter George Thompson mit Gruppen in Liverpool (James Chadwick), Birmingham (Oliphant und Peierls), Oxford (zur Isotopentrennung) und bei Imperial Chemical Industries zu starten.

Bild links: Mark Oliphant an der Physikfakultät Birmingham im Jahr 1941.

Nach dem Fall Frankreichs brachten die Pariser Wissenschaftler ihr Fachwissen zusammen mit ihrem schweren Wasser in das Vereinigte Königreich. Am 7. Juli 1941 legte der MAUD-Ausschuss der Regierung detaillierte Dokumente vor, die die militärischen und zivilen Nutzungsmöglichkeiten der Spaltung skizzierten. Churchill gab beiden Forschungsgebieten hohe Priorität; das „Directorate Tube Alloys" wurde unter der Kontrolle von John Anderson, Lord President of the Council, eingerichtet. Ende 1941 war das britische Programm das fortschrittlichste der Welt.

Italien

Die Kernphysikgruppe in Rom, gegründet von Fermi und nach Fermis Abreise in die USA im Jahr 1939 von Edoardo Amaldi geleitet, hatte sich auf neutroneninduzierte Reaktionen spezialisiert. Es war wichtig, Forschungen zur Spaltung durchzuführen, um zu verstehen, warum die Gruppe diese Reaktion zuvor mit der Produktion von Transuranelementen im Jahr 1936 verwechselt hatte.

Im Jahr 1941 beschloss die Römer Gruppe jedoch, alle Forschungen zur Spaltung wegen ihrer militärischen Implikationen einzustellen.

Bild rechts: Der 200-kV-Cockcroft-Walton-Protonenboostlader, der ab 1939 von der Kernphysikgruppe in Rom verwendet wurde.

Yoshio Nishina begann im Sommer 1940 mit der Forschung an Kernwaffen im Riken-Labor in Tokio, mit begrenzter Unterstützung der japanischen Armee. In Kyoto unterstützte die Kaiserliche Marine die Forschungen von Bunsaku Arakatsu. Der Wettbewerb zwischen der Marine und der Luftwaffe führte bis zum Frühjahr 1943, als die ersten Trennungsanlagen hergestellt wurden, zu begrenztem Fortschritt. Das Projekt erreichte jedoch nie eine wirksame Größe. Nach der Bombardierung von Hiroshima flog Nishina über die Stadt und erkannte die erschreckende Natur eines Nuklearangriffs.