K1 : Der Krieg - Ditfurth 1985

Der Zugang zum atomaren Feuer

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Glücklicherweise ist diese Welt so beschaffen, daß die Materie, aus der sie besteht, unter normalen Umständen nicht explodiert. Sie neigt dazu in so geringem Grade, daß die Entdeckung, sie sei dazu überhaupt in der Lage, sensationell und zunächst ganz unglaublich wirkte.

Im Zentrum der Sonne geschieht das zwar seit vielen Jahrmilliarden, aber die dort herrschenden Bedingungen — 15 Millionen Grad Hitze und ein Druck von mehr als 200 Milliarden Atmosphären — sind gewiß nicht normal zu nennen, jedenfalls dann nicht, wenn man irdische Verhältnisse als Vergleichsmaßstab heranzieht. Auf der Erde kommen diese eine Kernfusion auslösenden Bedingungen unter natürlichen Umständen niemals vor.

Glücklicherweise, ist man versucht zu sagen. Aber das ist genaugenommen natürlich höchst unlogisch. Denn wenn es anders wäre, wenn also irdische Materie von Zeit zu Zeit spontaner atomarer Explosionen fähig wäre, gäbe es uns nicht, und wir hätten daher auch keine Möglichkeit, uns Sorgen zu machen.

Anlaß unserer Besorgnis ist der Umstand, daß der Fall gewissermaßen andersherum liegt: Unter normalen Umständen, solange es keine Menschen gab, war die irdische Materie - abgesehen einmal von dem langsamen Zerfall der schwersten, der sogenannten radioaktiven Elemente - stabil. Die extremen Bedingungen, die diese Stabilität aufheben, gab es nicht. Daß sie heute auch auf der Erde realisiert werden können, ist allein der Hartnäckigkeit und Intelligenz des Menschen zuzuschreiben.

Noch vor fünfzig Jahren schien die Möglichkeit, die in der Materie steckende atomare Energie jemals freisetzen oder gar nutzen zu können, so unerreichbar, daß der berühmte Physiker Ernest Rutherford, den man als den Vater der modernen Kernphysik anzusehen hat, das Urteil abgab: "Wer von der Möglichkeit einer technischen Anwendung der in der Materie steckenden atomaren Energie redet, ist ein Schwätzer." ("... is talking moonshine") Auch Einstein hat an diese Möglichkeit noch kurz vor dem letzten Krieg nicht geglaubt.

Was war der Grund für diese Skepsis?

Die Situation, wie sie sich in den Köpfen der Experten damals spiegelte, sah etwa folgendermaßen aus: Sinnvolle Überlegungen, wie an die in aller Materie steckende Kernenergie heranzukommen wäre, ließen sich nur im Hinblick auf die beiden Enden der - nach ihren Atomgewichten geordneten - Reihe der 92 existierenden Elemente anstellen.

* detopia-2006: Das ultimative Zusatzzitat zu: "Das Radio hat keine Zukunft !", welches in der abwiegelnden Literatur immer wieder als Beweis dafür auftaucht, daß immer alles anders kommt, als "man" denkt.
wikipedia Rutherford *1871

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Nur Wasserstoff, das leichteste von allen, und die schwersten Elemente kamen in Frage — etwa das Uran oder auch Plutonium, ein künstliches Element mit der Nummer 94, das beim Betreiben eines Uranreaktors als Nebenprodukt entsteht.

Im Falle des Wasserstoffs würde sich die Energie durch Fusion zu Helium freisetzen lassen — theoretisch jedenfalls. Dies Prinzip der "Wasserstoffbombe" war den Theoretikern damals durchaus schon bekannt. Sie wußten auch, daß es nicht nur in der Theorie funktionierte, denn daß die Sonne aus eben diesem Prozeß ihre unerschöpflich scheinende Energie gewinnt, galt schon in den dreißiger Jahren als ziemlich gesichert.

Sämtliche Beteiligten waren jedoch unisono davon überzeugt, daß es sich dabei unter technischem Aspekt um eine für alle Zukunft rein hypothetisch bleibende Möglichkeit handelte. Denn wenn die im Kern der Sonne herrschenden Bedingungen damals auch nur näherungsweise abgeschätzt werden konnten, so stand doch über allem Zweifel fest, daß sie extrem waren und daß ihre Herbeiführung daher außerhalb des irdisch Machbaren lag. Hundert oder mehr Milliarden Atmosphären Druck und die "Sterntemperatur" von mehr als zehn Millionen Grad ließen sich, darin war man sich einig, auf der Erde grundsätzlich und für alle Zeiten auf keine Weise erzeugen.

Und je weiter man die Reihe der Elemente9 vom Wasserstoff (mit der Ordnungszahl 1) über Helium (Ordnungszahl 2) nach oben verfolgte, um so extremer wurden die Bedingungen für die Realisierung einer "Fusion". Die schon im Falle des Wasserstoffs wahrhaft astronomischen Bedingungen nahmen mit jedem schwereren Element weiter zu.

Dies liegt an den mit steigender Kernladung (Ordnungszahl) immer mehr zunehmenden elektrostatischen Abstoßungskräften innerhalb des Atomkerns (der sogenannten Coulomb-Barriere), deren Überwindung dementsprechend immer höhere Temperaturen und Drücke erfordert. Eben diese elektrostatischen Abstoßungskräfte führen dann aber bei den schwersten Kernen (mit den höchsten Kernladungszahlen) zu einer ganz neuen Situation.

Die auf das Blei folgenden Elemente Polonium (Ordnungszahl 84), Radium (88) bis zum Uran mit der Kernladungszahl 92 — und das gilt ebenso für die dazwischen liegenden weniger bekannten Elemente Asiatin, Radon, Francium und so weiter, die hier außer acht bleiben können — sind "radioaktiv". Sie zerfallen über mehrere Zwischenschritte ganz langsam, indem sie zum Beispiel Protonen und Neutronen aus ihren Kernen spontan abstrahlen. Dadurch wandeln sie alle sich langsam, aber sicher in leichtere Elemente (mit entsprechend niedrigeren Kernladungszahlen) um. Das setzt sich jeweils fort, bis sie zu Blei geworden sind. Auf dieser niedrigeren Stufe erst erweist sich ihr Kern als stabil. Blei ist, vom oberen Ende der Reihe aus gesehen, das erste stabile Element.

Was ist von dieser Sachlage zu halten?

Wieder war es Ernest Rutherford, der als erster auf die richtige Deutung kam. Allem Anschein nach waren die Kerne der jenseits des Bleis gelegenen Elemente so schwer und damit so kompliziert zusammengesetzt, daß ihre Lebensfähigkeit darunter litt. Der Atomkern des gewöhnlichen Urans etwa ist aus 92 elektrisch positiv geladenen Protonen (daher: Kernladungszahl 92) und zusätzlich nicht weniger als 146 elektrisch neutralen Neutronen zusammengesetzt. Insgesamt gibt das dem Kern das "Atomgewicht" (die Physiker sprechen hier von der "Massenzahl") 238. (Die extrem leichten Elektronen, die dieses höchst komplizierte Gebilde eines Atomkerns umkreisen, können bei der Charakterisierung eines Atoms durch sein Gewicht außer Betracht bleiben.) 92 (negativ geladene) Elektronen sind es, die den Urankern umkreisen. Wie bei allen intakten Atomen also genauso viele, wie der Kern jeweils Protonen enthält. Ein nicht "ionisiertes", also eines Teils seiner Elektronen beraubtes, Atom ist daher nach außen hin elektrisch neutral.

Selbst wenn man versuchte, sich anhand dieser Angaben ein einzelnes Uranatom wie aus kleinen Billardkugeln zusammengesetzt vorzustellen (was die Situation in grob verfälschender Weise vereinfachen würde), kann einem schwindlig werden. Die Realität innerhalb des wirklichen Atoms ist noch viel komplizierter.

Das Zusammenspiel der Kernbindungskräfte, welche die — sich gegenseitig wegen ihrer gleichsinnigen elektrischen Ladung mit großer Kraft abstoßenden — Protonen zusammenhalten, und die Kraftfelder, welche die Beziehung zwischen diesem Kern und den ihn auf verschiedenen "Schalen" umlaufenden 92 Elektronen herstellen, lassen sich bis heute nicht einmal mathematisch in allen Details erfassen.

Verständlich also, daß das Uranatom nicht sehr haltbar ist, daß es langsam, aber sicher spontan zerfällt. Verständlich auch, daß es jenseits des Urans keine natürlichen Elemente mehr gibt. Genauer muß man sagen: daß es auf der Erde heute keine "Trans-Urane" mehr gibt. Denn bei den in allen Sternen ablaufenden Fusionsprozessen werden außer allen anderen Elementen auch heute noch immer aufs neue große Mengen von ihnen erzeugt. Auch die Urerde enthielt sie daher in nicht geringer Zahl. Ihre Unstabilität ist aber eben so groß, daß sie innerhalb meist sehr kurzer Fristen durch Zerfall wieder verschwinden oder besser: als Blei enden.

In den Zeitungen tauchen in Abständen immer wieder Meldungen auf, in denen es heißt, daß es diesem oder jenem Forscherteam mit Hilfe eines der riesigen Teilchenbeschleuniger gelungen sei, ein neues, künstliches Element herzustellen. Es handelt sich dabei stets um Trans-Urane, also Elemente mit einem "Atomgewicht" (einer Massenzahl) von mehr als 238. (Zwischen dem Wasserstoff und dem Uran ist für neue Elemente sozusagen kein Platz mehr, weil die Reihe lückenlos alle in diesem Bereich überhaupt möglichen Kerngewichte und -zusammensetzungen in der Gestalt schon bekannter Elemente enthält.) Die Menge der neuartigen Materie beschränkt sich dabei in aller Regel auf eine kleine Zahl einzelner Atome, deren Lebensdauer allenfalls Sekundenbruchteile, mitunter nur Bruchteile von Millionstelsekunden beträgt. Stabilität ist eben jenseits des Urans nicht mehr möglich.

Eine bedeutsame Ausnahme bildet das Plutonium mit der Ordnungszahl 94. Zwar ist auch sein Kern nicht mehr stabil. Die Lebensdauer aber der in unserem Zusammenhang wichtigsten Plutonium-Art, die des sogenannten Plutonium-239, ist doch mit einer "Halbwertszeit"10 von 24.360 Jahren noch so groß, daß dieses Trans-Uran technisch — leider, wie man hinzufügen möchte — nutzbar ist.

Die Bedingungen für eine Kernfusion, die schon im Falle des Wasserstoffs unerfüllbar schienen, wurden also mit jedem schwereren Element immer utopischer. Aber wenn es daher nicht möglich war, leichte Elemente zu "fusionieren", vielleicht ließ sich dann am anderen Ende der Reihe, beim Uran, etwas ausrichten? Wenn sein Kern und der des Plutonium-239 schon aufgrund ihrer inneren Struktur (der in ihnen wirkenden Coulomb-Abstoßungskräfte) so unstabil waren, daß sie, wenn auch sehr langsam, von selbst zerfielen, vielleicht konnte man dann hier mit dem umgekehrten Prozeß, dem einer Kernspaltung ("Fission"), an die legendäre Atomenergie herankommen?

Man wußte, daß es auch dabei zu einem "Massendefekt" kommen würde. Es ließ sich berechnen, daß in diesem Falle — dem der schwersten Elemente am oberen Ende des "periodischen Systems" — die Summe der Gewichte der Spaltprodukte um einen winzigen Bruchteil kleiner sein würde als die des ungespalteten Kerns. Auch dieser Materiebruchteil konnte nicht "spurlos" verschwinden. Auch für ihn mußte daher das entsprechende Energie-Äquivalent auftauchen. Zwar würde der Massendefekt bei einer Kernspaltung etwa achtmal kleiner sein als bei der Fusion von Wasserstoff. Trotzdem würde die Energieausbeute immer noch geradezu phantastisch ausfallen.

Aber so einleuchtend der Zugang theoretisch auch erschien, die Experten blieben pessimistisch, was die Realität betraf. Die Mehrzahl von ihnen kam zu dem Schluß, daß das "atomare Feuer" dem Menschen auch angesichts dieser Möglichkeit vorenthalten bleiben würde (worüber die meisten von ihnen gleichzeitig allerdings erleichtert gewesen sein dürften). Nicht einmal die 1938 aus Berlin kommende Nachricht von der Spaltung des Urankerns durch Otto Hahn vermochte ihre Skepsis zu erschüttern. Albert Einstein hat den Grund seiner Ungläubigkeit damals mit einem anschaulichen Vergleich erläutert: "Wir sind", so sagte er, "in der Situation von miserablen Schützen, die in tiefer Dunkelheit in einem Gebiet auf Vögel schießen, in dem es nur sehr wenige Vögel gibt."

Was meinte er damit?

Um einen Atomkern, und sei er schon von Natur aus so zerbrechlich wie der des Urans, aufzuspalten, mußte man ihn mit Neutronen beschießen. Nur mit diesen Elementarteilchen als Geschossen war der Versuch sinnvoll. Neutronen haben die gleiche Masse wie die im Kern steckenden Protonen, im Gegensatz zu diesen sind sie jedoch elektrisch neutral (daher ihr Name). Das heißt, daß sie einerseits genug Energie übertragen können, um den Zusammenhalt der Kernbauteile erschüttern zu können, und daß sie andererseits auf ihrem Wege dorthin nicht von der elektrischen Ladung des Kerns abgebremst oder abgelenkt werden können — als neutrale Teilchen spüren sie diese Ladung überhaupt nicht.

Bis dahin war alles klar und eindeutig. Für den nächsten Schritt aber lag der Knüppel sozusagen neben dem Hund. Die Frage war: Woher die Neutronen nehmen? Die benötigten Geschosse ließen sich nur mit gewaltigem Energieaufwand — mit Hilfe der größten damals existierenden Teilchenbeschleuniger — in geringen Mengen erzeugen. Wenn man elektrisch geladene atomare Teilchen durch die elektrische Spannung in einem Zyklotron beschleunigte und zum Beispiel auf Beryllium losließ, dann trafen einige der Milliarden Geschosse auch einmal den Kern eines Beryllium-Atoms und sprengten dabei einige Neutronen aus ihm heraus. Mehr war nicht möglich. Es war wirklich so, als feuerten Millionen Jäger auf gut Glück ihre Gewehre in den dunklen Nachthimmel ab mit der kleinen Chance, vielleicht rein zufällig den einen oder anderen Vogel herunterzuholen. Es war genau die Situation, die Einstein beschrieben hatte.

Wenige Monate später aber schickte Einstein den berühmten Brief an Franklin D. Roosevelt, in dem er den amerikanischen Präsidenten auf die entsetzliche Möglichkeit hinwies, daß Hitler "Atomwaffen" in die Hände bekommen könnte. Immerhin waren Experten wie Otto Hahn, Werner Heisenberg oder auch Max Planck in Deutschland geblieben. Sie alle haben allerdings zu wiederholten Malen versichert, daß sie sich niemals dazu hergegeben hätten, Hitler die Mittel zu verschaffen, die es ihm erlaubt hätten, sein unmenschliches System in ganz Europa, womöglich in der ganzen Welt zu etablieren.

Wir haben auch nicht den geringsten Grund, an dem Wort dieser Männer zu zweifeln. Aber es gab ja nicht nur sie. Alle entscheidenden Ergebnisse waren veröffentlicht. Und es gab damals in Deutschland genug Physiker, die in der Lage waren, aus diesen Ergebnissen ihre Schlüsse zu ziehen, und an deren charakterlicher Festigkeit berechtigte Zweifel bestanden. Man braucht nur an den Physiker und Nobelpreisträger (!) Philipp Lenard zu denken, der sich als ein so fanatischer Nationalsozialist entpuppt hatte, daß er Einsteins Hinauswurf aus der Preußischen Akademie der Wissenschaften mit der Bemerkung begrüßte, dieser Mann habe eine "jüdische Physik betrieben". In einer Gesellschaft, deren Geistesverfassung es zuläßt, daß derartiger Irrsinn als Argument ernstgenommen wird, muß man mit allen Möglichkeiten rechnen. Einsteins Befürchtungen waren nur allzu begründet.

Aber warum eigentlich diese radikale Kehrtwendung angesichts des zugrundeliegenden physikalischen Problems? Warum erschien Einstein und seinen Kollegen jetzt auf einmal als eine die Sicherheit der ganzen Welt bedrohende Möglichkeit, was sie noch kurz zuvor als entlegene Utopie von sich gewiesen hatten?

Ganz einfach: Die genauere Auswertung des Spaltungsversuchs von Otto Hahn und einiger anderer Experimente hatte in der Zwischenzeit gezeigt, daß von einem Neutronenmangel im Falle der Uranspaltung überhaupt nicht die Rede sein konnte. Das Gegenteil traf zu. Es würde Neutronen im Überfluß geben. Der gespaltene Atomkern lieferte sie selbst.

Man hatte entdeckt, daß bei der Aufspaltung eines einzelnen Uranatoms jedesmal mindestens zwei, mitunter sogar drei Neutronen frei werden. Diese würden, die Schlußfolgerung lag auf der Hand, weitere, benachbarte Urankerne aufspalten können und in diesem Falle abermals zwei- bis dreimal mehr Neutronen freisetzen, als ihrer eigenen Zahl entsprach. Diese Neutronen der "dritten Generation" würden das gleiche bewirken und so fort. Theoretisch mußte grundsätzlich also ein einziges Neutron genügen, um auf dem Wege einer solchen "Kettenreaktion" eine bestimmte Menge Uran atomar explodieren zu lassen. Die dazu erforderlichen Neutronen-Geschosse würde der Spaltungsprozeß selbst laufend im Überschuß produzieren.

Theoretisch war der Zugang zum atomaren Feuer mit dieser Entdeckung plötzlich frei geworden. Technisch, hinsichtlich der praktischen Anwendung des Prinzips, gab es allerdings noch einige gravierende Probleme. Sie hingen mit dem Phänomen des "durchschnittlichen freien Neutronenwegs" zusammen und der Tatsache, daß das auf der Erde natürlich vorkommende Uran ja keineswegs spontan explodiert.

Paul Tibbets vor dem Start am 6.8.45