La pérdida de las fuentes primarias de goma (las plantaciones del lejano oriente) durante la Segunda Guerra Mundial instigaron programas de choque de investigación y producción de goma sintética para suplir las necesidades de la industria y del esfuerzo bélico
El nylon resultó ser un material estratégico que servía como "seda artificial" para paracaídas. En Alemania I.G. Farben construyó una gran fábrica en Buna que explotaba el trabajo esclavo de los prisioneros de Auschwitz.
Alemania hizo un gran esfuerzo en la investigación y producción de nuevos bombarderos y cazas. Fueron los primeros en desplegar aviones con motores a reacción, seguidos después por la RAF británica. El V-2 ("Vergeltungswaffen Zwei") alemán marcó un hito en el avance de los cohetes. Propulsado por alcohol y oxígeno líquido fue el primer misil balístico, es decir un cohete autopropulsado que tras el lanzamiento sigue una trayectoria determinada solamente por la gravedad. Los V-2 viajaban más rápido que la velocidad del sonido pero no eran demasiado precisos. Por ejemplo, en una distancia de 320 km, sólo un tercio de los V-2 acertaría a menos de 5 km de su objetivo.
Imagen izquierda: Un misil V-2 en la plataforma móvil de lanzamiento en Meillerwagen (1943). Tras la guerra los V-2 capturados fueron exhaustivamente estudiados por investigadores americanos y soviéticos y esta tecnología fue el origen de los programas espaciales de las dos potencias.En 1940, el mando antiaéreo del ejército británico puso en marcha a un grupo de científicos bajo el mando del físico P.A.M. Blackett para estudiar el uso operacional del radar, de armas y de calculadoras mecánicas para artillería antiaérea. En el almirantazgo, entre 1942 y 1945, este grupo logró mejoras significativas en el uso de radar aéreo para localizar los submarinos alemanes que hundían buques mercantes en el Atlántico.
A partir de su trabajo se desarrolló un nuevo campo de las matemáticas, llamado investigación operativa, para tratar problemas complejos de optimización. La investigación operativa se trasladó a los EE.UU. en 1942, donde fue llevada a cabo con propósitos militares en la Universidad de Princeton y en el MIT (Massachusetts Institute of Technology).
La Segunda Guerra Mundial también fue testigo del desarrollo y primer uso sistemático de ordenadores para resolver problemas militares. En Alemania, la computadora de Konrad Zuse se empleó en la industria de la aviación. En el Reino Unido, el Coloso, el primer ordenador digital, fue desarrollado para desenmascarar los códigos alemanes. En EE.UU., el sistema electromecánico Mark I de Harvard y el electrónico ENIAC del ejército proporcionaron tablas de disparo para la artillería y otras computaciones militares. ENIAC se usó también para el desarrollo de la bomba atómica.
Imagen derecha arriba: El dispositivo de madera en primer plano es una máquina alemana Enigma de cuatro rotores, usada para codificación. La gran máquina en el fondo es una "Bomba" usada para romper el código. El uso de ondas de radio para detectar y localizar objetos ya fue sugerida por Nikola Tesla nada menos que en 1900.
Las ventajas militares de este método fueron de importancia crítica en la Segunda Guerra Mundial en la batalla aérea de
Inglaterra y en las operaciones en el Océano Pacífico.
Un tubo para generar potencia de microondas, fundamental para el éxito del radar. La cavidad (magnetrón), se desarrolló en el
Reino Unido alrededor de 1940. Además un laboratorio especial, bautizado "Laboratorio de Radiaciones" fue creado en el
Massachusetts Institute of Technology; en él trabajaron varios físicos americanos.
El ataque alemán de 1941 encontró la estructuras de la Unión Soviética muy poco preparadas, lo que permitió la rápida invasión de los territorios rusos. La industria soviética tuvo que producir nuevos sistemas armamentísticos, y los científicos y las instituciones científicas fueron convocados a desarrollar materiales para tanques, aeronaves y armamento adecuados para las condiciones extremas del invierno ruso.
El tanque T-34 tuvo un influencia profunda y duradera en el diseño de tanques y las tácticas posteriores. Desarrollado desde 1940, se le considera el diseño más eficaz, efectivo e influyente de la Segunda Guerra Mundial.Muy poco después de la observación de Otto Frisch y Lise Meitner de la enorme cantidad de energía liberada en la fisión del uranio (diciembre de 1938) y de la sugerencia de Fermi de que era factible una reacción en cadena (enero de 1939) el posible uso militar del proceso de fisión se hizo evidente para la comunidad de físicos nucleares. La propuesta de Leo Szilard de abstenerse de la publicación de nuevos resultados se barajó seriamente, aunque no fue finalmente aceptada. En la primavera de 1939 los gobiernos y autoridades militares de EE.UU., Alemania, la Unión Soviética, Francia y Gran Bretaña ya habían sido advertido de las posibles aplicaciones militares de la fisión nuclear.
Problemas: neutrones rápidos
No obstante la construcción de una bomba nuclear presenta problemas extremadamente diferentes de los que supone la construcción de un reactor nuclear. El problema fundamental es la necesidad de fisiones simultáneas de un ingente número de núcleos en un tiempo lo suficientemente corto como para evitar la dispersión del material fisil debido al calentamiento. Una explosión equivalente a 20 kilotones de explosivo químico (TNT) requiere la fisión de 1 kg de 235U, lo que implica encadenar 80 reacciones de fisión. Dado que el proceso de fisión tiene lugar en unos 10-8s, 80 generaciones de neutrones ocurren en 0,8 microsegundos. Los neutrones necesitan 1 microsegundo para frenar y por lo tanto una bomba tiene que operar con los neutrones rápidos a medida que se producen, sin moderador.
La masa crítica de material fisil
Una amplia fracción de los neutrones liberados en el proceso de fisión tienen menos de 1 MeV de energía, por lo que no son capaces de inducir la fisión de un núcleo de 238U. Así pues, las armas nucleares sólo emplean 235U o 239Pu. La masa mínima depende de la pureza del material fisil, pero puede reducirse ampliamente rodeando el núcleo con una capa de material pesado que refleja los neutrones y retarda la expansión del material activo. Por ejemplo, un reflector de U espeso reduce la masa crítica de una esfera de 235U puro de 56 kg a 15 kg y de 239Pu de 11kg a 5kg.
Imagen derecha: Curvas de masa crítica de 235U y 239Pu en función de su pureza.Diseño de la bomba
Para cumplir su cometido un arma nuclear debe ser fácil de manejar de manera segura y tiene que funcionar sin fallo. Además tiene que ser lo suficientemente pequeña para alcanzar su objetivo. Todas estas condiciones en cierta medida contradictorias tienen que darse, requiriendo la cooperación de expertos de varios campos. El conocimiento científico necesario incluye particularmente la determinación precisa de las probabilidades de fisión y el comportamiento del material fisil en función de la presión y la temperatura.
Mecanismos de detonación
Antes de disparar, el material activo ha de estar preparado de tal manera que no pueda desarrollarse la reacción en cadena, teniendo en cuenta todas las posibles fuentes de neutrones. El proceso de disparar consiste en una reorganización del volumen que asegura la configuración necesaria para la reacción en cadena. Hay dos enfoques alternativos.
En la técnica de arma una masa subcrítica se propele a alta velocidad contra otra masa subcrítica usando un arma convencional.
En la técnica de implosión se hace detonar uniformemente una carga periférica de explosivo químico de una manera diseñada para comprimir una masa subcrítica en una configuración supercrítica. Para las armas de 235U ambas técnicas son posibles, mientras que para las de plutonio, debido a la presencia del 240Pu, que puede fisionar espontáneamente, sólo se emplea la técnica de implosión.
Imagen izquierda: Dibujos esquemáticos de los dos mecanismos de detonación; de Los Alamos, principios de 1943.
En 1939 en la Universidad de Columbia en Nueva York, y con el apoyo financiero parcial de la Marina de los Estados Unidos, los grupos de Enrico Fermi y John Dunning llevaron a cabo investigaciones sobre las propiedades básicas de la fisión. Mientras que Fermi intentaba obtener una reacción en cadena con los moderadores de uranio y grafito naturales, Dunning comenzó la investigación sobre el enriquecimiento de uranio del isótopo 235U. En Princeton, Niels Bohr y John Wheeler desarrollaban la teoría básica de la fisión, haciendo hincapié en la importancia del 235U.
Imagen izquierda: Fermi, Bohr y Rosenfeld en la Institución Carnegie en 1939. La fisión se demostró en el Departamento de Magnetismo Terrestre (DTM) en 28 de enero 1939.Francia
En París Hans von Halban, Lew Kowarski, Francis Perrin y Frédéric Joliot-Curie se dieron cuenta de que los neutrones lentos eran más eficaces para la producción de fisión y empezaron a utilizar primero el hidrógeno y luego agua pesada para ralentizar los neutrones de fisión. En octubre de 1939 obtuvieron una fórmula aproximada para la ley de la reacción en cadena, que se mantendría en secreto hasta el final de la Segunda Guerra Mundial. Después de la invasión alemana de Francia, von Halban y Kowarski llevaron el agua pesada a Inglaterra y se unieron al equipo de investigación británico. Joliot continuó sus investigaciones en Francia, donde participó en la resistencia contra los nazis.
Germany
Muy pronto, en marzo de 1939, el gobierno alemán comenzó a interesarse por la fisión nuclear. En septiembre, se creó formalmente un "Proyecto del Uranio" bajo la responsabilidad de Kurt Diebner. El Kaiser Wilhelm Institut für Physik en Berlín-Dahlem se convirtió en el centro científico, pero el trabajo se desarrolló en diversos institutos de Alemania. Los principales temas de investigación abordaban el uso del agua pesada y la separación de isótopos. Heisenberg desarrolló la teoría de la fisión. En el verano de 1941, en Leipzig, comenzó a operar una pila subcrítica moderada por agua pesada. Fritz Houtermans definió diversos aspectos de la fisión y sugirió el uso del elemento 94 (plutonio) producido a partir de 238U. En Berlín se construyó un gran pila subcrítica utilizando 500 l de agua pesada.
En 1942 Heisenberg estaba convencido de la imposibilidad de construir un arma nuclear debido a las dificultades de la separación del 235U. Del 4 al 6 de junio de 1942, el Comité de Uranio presentó sus resultados al Ministro Albert Speer y el mariscal Milch Erhald, decidiéndose en ese momento dar prioridad a la producción de energía nuclear. Se barajó entonces la posibilidad de fabricar un motor nuclear para la Marina y se construyó un gran arsenal durante el invierno de 1944 en Dahlem con 1.5 toneladas de uranio y el 1.5 toneladas de agua pesada. Después del bombardeo del instituto, la investigación se transfirió a una cueva en Hechingen en Baviera. Los instrumentos y los científicos fueron capturados por las fuerzas estadounidenses el 22 de abril 1945.
Imagen izquierda: El laboratorio de uranio en Dahlem.La Unión Soviética
La investigación experimental y teórica sobre la fisión comenzó de inmediato en la ciudad rusa de Leningrado (la actual San Petersburgo) y allí se describieron en 1939-40 los principios básicos de la reacción en cadena de fisión en una serie de trabajos de Yakov Borisovich Zel'dovich y Yuli Khariton.
En 1940, se presentó un programa para la explotación de la fisión al Presidium de la Academia de Ciencias. En Leningrado, en junio de 1941, el grupo de Kurchatov inició la operación de ciclotrón recién construido. Sin embargo, durante la invasión alemana de Rusia (junio de 1941) Stalin detuvo la investigación sobre la fisión.
En julio de 1945 Stalin decidió comenzar un programa de choque para desarrollar la energía nuclear bajo la dirección de Igor Kurchatov. Se construyó para ello un laboratorio secreto (Arzamas-16) por prisioneros de guerra, cerca de Arzamas, a unos 400 kilómetros al este de Moscú. Varios científicos alemanes, con materiales de sus laboratorios, ayudaron a acelerar el proyecto ruso.
Imagen de la derecha: Mapa de los primeros laboratorios nucleares soviéticos.
Gran Bretaña: El memorandum Frisch-Peierls
El inicio del programa británico de armas nucleares fue el resultado de la investigación llevada a cabo en Birmingham por dos refugiados: el alemán Rudolph Ernst Peierls y el austríaco Otto Frisch. El 19 de marzo de 1940 se presentaron a Henry Tizard, Presidente del Colegio Imperial, dos memoranda confidenciales: "Sobre las propiedades de una 'superbomba' radiactiva" y "Sobre la construcción de un 'superbomba' basada en una reacción nuclear en cadena del uranio".
En su memorándum, sostuvieron la viabilidad de una reacción en cadena explosiva de 235U con neutrones rápidos con una masa crítica de sólo 1 kg. Describieron el mecanismo de detonación, exploraron también los efectos del arma y a partir de ahí insistieron en iniciar un programa de investigación para contrarrestar los desarrollos nucleares alemanes.
El memorando Frisch-Peierls, que prometía la perspectiva de un arma de uranio asequible, convenció a la RAF para iniciar un potente programa de investigación (el Comité MAUD) bajo la dirección de George Thompson con grupos en Liverpool (James Chadwick), Birmingham (Oliphant y Peierls), Oxford (para la separación de isótopos) y en las Imperial Chemical Industries.
Image left: Mark Oliphant en el Departamento de Física de Birmingham in 1941.Después de la caída de Francia, los científicos parisinos llevaron, junto con el agua pesada, su experiencia al Reino Unido. El 7 de julio de 1941, el Comité MAUD presentó al Gobierno los documentos detallados que describían los usos militares y civiles de la fisión. Churchill dio alta prioridad a las dos áreas de investigación; se creó la “Directorate Tube Alloys” bajo el control de John Anderson, Presidente del Consejo. A finales de 1941, el programa británico se convirtió en el más avanzado del mundo.
Italia
El grupo de física nuclear de Roma, fundado por Enrico Fermi y dirigido por Edoardo Amaldi después de que éste emigrara a los EE.UU. en 1939, se especializó en reacciones inducidas por neutrones lentos. Fue importante llevar a cabo la investigación sobre la fisión para aclarar la confusión previa del grupo en la producción de elementos transuránicos y los elementos de fisión.
Sin embargo, en 1941 el grupo de Roma decidió poner fin a toda investigación sobre la fisión por sus implicaciones militares.
Imagen de la derecha: El acelerador de protones de Cockroft-Walton 200kV, usado a partir de 1939 por el grupo de física nuclear en Roma.Yoshio Nishina comenzó la investigación sobre armas nucleares en el verano de 1940 en el laboratorio de Riken en Tokio, con un apoyo limitado del ejército japonés. En Kioto, la Armada Imperial apoyó la investigación de Bunsaku Arakatsu. La rivalidad entre la Armada y la Fuerza Aérea condujo a un progreso limitado hasta la primavera de 1943, en que se fabricaron las primeras plantas de separación. Sin embargo, el proyecto nunca llegó a más. Después del bombardeo de Hiroshima, Nishina voló sobre la ciudad y reconoció la naturaleza aterradora de un ataque nuclear.
