Per decenni, il Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ha ospitato un insolito manufatto della seconda guerra mondiale: un piccolo cubo di metallo solido di uranio, che misura circa due pollici su ciascun lato e pesa poco meno di 2,5 chilogrammi. La tradizione di laboratorio sostiene che il cubo sia stato confiscato dagli esperimenti falliti sui reattori nucleari della Germania nazista negli anni ’40, ma ciò non è mai stato verificato sperimentalmente.
Gli scienziati del PNNL stanno sviluppando nuove tecniche forensi nucleari che dovrebbero aiutarli a confermare il pedigree di questo cubo, e di altri simili, una volta per tutte. Tali metodi potrebbero eventualmente essere utilizzati anche per tracciare il traffico illecito di materiale nucleare. Jon Schwantes del PNNL e la studentessa Brittany Robertson hanno presentato alcuni dei loro risultati iniziali questa settimana alla riunione autunnale dell’American Chemical Society (un evento ibrido virtuale/di persona).
Il fisico dell’Università del Maryland Timothy Koeth è tra i collaboratori esterni in questa ricerca in corso. Ha trascorso più di sette anni a rintracciare questi rari artefatti del programma di ricerca nucleare della Germania nazista, dopo averne ricevuto uno in dono. A partire dal 2019, lui e una collega dell’UMD, Miriam Herbert, avevano rintracciato 10 cubi negli Stati Uniti: uno allo Smithsonian, un altro all’Università di Harvard, una manciata in collezioni private e, naturalmente, il cubo PNNL.
Ciò che rende questi cubi così speciali è il loro significato storico.
Alla base del Progetto Manhattan negli Stati Uniti c’era la paura che gli scienziati tedeschi sotto il regime nazista di Adolf Hitler avrebbero battuto gli Alleati con una bomba nucleare. I tedeschi avevano un vantaggio di due anni , ma secondo Koeth, “l’accesa competizione per le risorse limitate, le aspre rivalità interpersonali e l’inefficace gestione scientifica” hanno provocato ritardi significativi nei loro progressi verso il raggiungimento di una reazione nucleare sostenuta. Gli scienziati nucleari tedeschi sono stati separati in tre gruppi isolati con sede a Berlino (B), Gottow (G) e Lipsia (L).
Il famoso fisico Werner Heisenberg guidò il gruppo di Berlino e, mentre le forze alleate avanzavano nell’inverno del 1944, Heisenberg trasferì la sua squadra in una grotta sotto un castello in una piccola città chiamata Haigerloch, ora sede del Museo Atomkeller . È lì che il gruppo ha costruito il reattore B-VIII. Assomigliava a un “candeliere inquietante”, secondo Koeth, perché era composto da 664 cubi di uranio legati insieme con un cavo aereo e poi immersi in un serbatoio di acqua pesante schermato da grafite per prevenire l’esposizione alle radiazioni.
Mentre gli scienziati tedeschi correvano contro il tempo, il capo del progetto Manhattan, il tenente generale Leslie Groves, ha dato il via a una missione segreta soprannominata “Alsos”, con l’esplicito scopo di raccogliere informazioni e materiali relativi alla ricerca scientifica tedesca. Quando finalmente le forze alleate si avvicinarono, Heisenberg smontò l’esperimento B-VIII e seppellì i cubi di uranio in un campo, scovando la documentazione chiave in una latrina. (Peccato Samuel Goudsmit , il povero fisico che ha dovuto scavarli.) Lo stesso Heisenberg è fuggito in bicicletta, portando alcuni cubi in uno zaino.
Come riconobbe lo stesso Heisenberg, l’ultimo esperimento degli scienziati tedeschi fallì perché la quantità di uranio nei cubi era insufficiente per innescare una reazione nucleare prolungata. Ma Heisenberg era fiducioso che “un leggero aumento delle sue dimensioni sarebbe stato sufficiente per avviare il processo di produzione di energia”. Un modello descritto in un articolo del 2009 lo conferma, mostrando che il gruppo avrebbe avuto bisogno solo del 50% in più di cubi di uranio per far funzionare il progetto. Se così fosse, il nostro mondo potrebbe sembrare molto diverso oggi.
La squadra di Alsos avrebbe presumibilmente portato i cubi confiscati da Berlino negli Stati Uniti per l’uso nell’impianto di lavorazione dell’uranio a Oak Ridge. Tuttavia, Koeth apprese che, nell’aprile 1945, gli Stati Uniti non avevano bisogno di ulteriori materie prime. E non esiste una registrazione ufficiale di cubi entrati nel paese, quindi la maggior parte di essi non è mai stata contabilizzata. Idem per i circa 400 cubi di uranio che erano stati utilizzati dal gruppo Gottow, guidato da Kurt Diebner.
Secondo la tradizione del PNNL , il loro cubo è stato conservato presso la sede del DOE fino al 1989. Fu allora che fu portato in laboratorio come strumento di addestramento alle radiazioni per RadCAD, una serie di corsi pratici sull’individuazione e l’intercettazione del traffico illecito di materiali radioattivi.
Il cubo PNNL, come i suoi fratelli, è realizzato in solido metallo di uranio naturale. I cubi sono solo leggermente radioattivi e non rappresentano un problema per la salute. Poiché l’uranio è così denso, essenzialmente si scherma. Qualsiasi radiazione misurata proviene dalla superficie. Tuttavia, il cubo PNNL è conservato in un doppio contenitore di plexiglass per prevenire l’esposizione alle radiazioni durante la manipolazione e la contaminazione del cubo dall’ossidazione, secondo Robertson.
Gli scienziati del PNNL erano abbastanza fiduciosi di avere un “cubo di Heisenberg”; tra le altre prove, il cubo è dentellato, per appenderlo meglio ai cavi utilizzati negli sforzi del reattore tedesco. Ma quella prova è in gran parte aneddotica, secondo Robertson e Schwantes. Il cubo è stato analizzato nel 2002 tramite spettroscopia gamma ad alta risoluzione per ottenere una stima della sua età, ma quei risultati erano inconcludenti. “In genere non è abbastanza sensibile da fornire un’età precisa per il cubo”, ha affermato Schwantes.
Diversi anni fa, mentre il cubo PNNL veniva riconfezionato, Schwantes e un collega hanno rasato alcuni piccoli campioni dal metallo per l’analisi. Speravano di confermare una volta per tutte che si trattava di uno dei cubi di Heisenberg, o forse di un “cubo di Diebner”. Il lavoro di Robertson, parte della sua ricerca di tesi di dottorato, consiste nello studiare quei campioni utilizzando le sue tecniche analitiche modificate, insieme ai metodi forensi nucleari standard del PNNL.
Ad esempio, la radiocronometria è un metodo popolare tra i geologi. È comunemente usato per determinare l’età di un materiale ricco di uranio misurando i sottoprodotti del decadimento dell’uranio, vale a dire l’isotopo radioattivo torio-230 e protattinio. L’approccio modificato di Robertson prevede la separazione simultanea del torio e del protattinio nella speranza che le concentrazioni relative dei materiali diano qualche indicazione su quando è stato realizzato il cubo. Inoltre, l’analisi delle impurità degli elementi delle terre rare potrebbe aiutare gli scienziati del PNNL a determinare dove è stato estratto l’uranio originale.
Finora, i risultati iniziali hanno confermato che almeno uno dei tre cubi testati al PNNL è uranio naturale. Ci sono anche risultati preliminari dall’analisi di Robertson dei rivestimenti che i tedeschi applicavano ai cubi per tenere sotto controllo l’ossidazione. I rivestimenti a base di cianuro sono stati utilizzati dal gruppo di Berlino, mentre il gruppo Gottow di Diebner ha utilizzato rivestimenti a base di stirene. Se si potessero misurare con precisione le firme rilevanti, consentirebbe al team di dire se un dato cubo proviene dal gruppo di Berlino o Gottow.
“Per quanto ne sappiamo, nessun altro ha eseguito questa misurazione”, ha detto Robertson. “E devo essere onesto, ho pensato che fosse un po’ una possibilità. Non pensavo che un organico sarebbe durato accanto all’uranio metallico per così tanti decenni e sarebbe stato ancora rilevabile”.
Quel colpo lungo ha pagato. Il cubo di Koeth è stato tra quelli testati, rivelando un rivestimento in stirene, un po’ una sorpresa, dato che lo storico investigatore di Koeth ha rintracciato il cubo fino al gruppo di Berlino. Tuttavia, si scopre che Diebner ha inviato alcuni dei cubi del suo gruppo a Heisenberg a Berlino quando quest’ultimo ha cercato più carburante per il suo reattore. Quindi il cubo di Koeth potrebbe essere stato usato da entrambi i gruppi.