Nuklear-Forensik "Heisenberg-Würfel" verrät Details über Hitlers Atomprogramm

Karlsruher Forscher haben neue Erkenntnisse darüber gewonnen, wie weit das Atomprogramm des Dritten Reichs wirklich fortgeschritten war. Uranproben aus dem letzten Labor erzählen die erstaunliche Geschichte des Projekts - die USA lagen in ihrer Einschätzung über Hitlers Wissenschaftler falsch.

Aus Karlsruhe berichtet


Als die USA mit der Entwicklung der ersten Atomwaffen begannen, wähnten sie sich in einem Wettlauf auf Leben und Tod: Hitler, so fürchteten die Alliierten, lasse deutsche Wissenschaftler schon seit Jahren an der neuen, furchterregenden Waffe basteln. Zahlreiche Wissenschaftler, darunter Albert Einstein, hatten die US-Regierung im Sommer 1939 vor der angeblich drohenden Gefahr gewarnt. Mit ungeheurem Aufwand begannen die Amerikaner daraufhin ihre Aufholjagd. Das Ergebnis des "Manhattan-Projekts" war 1945 die nukleare Einäscherung von Hiroshima und Nagasaki.

Später aber stellte sich heraus, dass die Alliierten den Stand der deutschen Nuklearforschung bei weitem überschätzt hatten. Der "Uranverein" unter Leitung des Physik-Nobelpreisträgers Werner Heisenberg hatte, so die gängige Meinung unter Historikern, nicht die Entwicklung einer Atomwaffe im Sinn. Hauptziel der Wissenschaftler vom Kaiser-Wilhelm-Institut war ein Kernreaktor mit einer selbsterhaltenden nuklearen Kettenreaktion - ähnlich wie sie in modernen Atomkraftwerken stattfindet.

Jetzt haben Forscher am Karlsruher Institut für Transuranelemente (ITU), der zur Gemeinsamen Forschungsstelle der Europäischen Kommission gehört, einige der ältesten bekannten Spaltmaterial-Proben Deutschlands mit Hightech-Methoden analysiert. "Wir haben erstmals experimentell belegt, was man bisher nur aus Literaturberichten schlussfolgern konnte", sagt ITU-Chemiker Klaus Mayer im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. "Wir haben stumme Zeitzeugen zum Reden gebracht."

Bei den Zeitzeugen handelt es sich um: einen Uranwürfel, ein Fragment eines weiteren Würfels - und eine Uranplatte.

Reaktorkonzept mit schwerem Wasser

Der Grund für die unterschiedlichen Geometrien - Platte und Würfel - ist, dass die Deutschen zwei grundverschiedene Reaktordesigns getestet haben. "Die Uranplatte geht auf einen Entwurf von Werner Heisenberg selbst zurück", sagt Mayer. Der Theoretiker hatte vorgeschlagen, spaltbares Uran und sogenannte Moderatoren wie Paraffin, Trockeneis oder Graphit übereinanderzuschichten. Solche Moderatoren bremsen die umherschwirrenden Neutronen ab. Sind sie langsamer unterwegs, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass sie von Urankernen eingefangen werden und weitere Kernspaltungen auslösen. Nur so kann es zu einer Kettenreaktion kommen.

Uran und Atomwaffen
Uran
Uran eignet sich sowohl für die Energiegewinnung als auch für den Einsatz in Atomwaffen. Entscheidend ist der Grad der Anreicherung. Der Ausgangsstoff Uranerz besteht zu rund 99,3 Prozent aus Uran 238; das spaltbare Uran 235 macht nur etwa 0,7 Prozent aus. Für die Nutzung in Kernreaktoren muss der Anteil von Uran 235 auf drei bis fünf Prozent gesteigert werden, für eine Atombombe ist ein Anreicherungsgrad von mindestens 85 Prozent notwendig.
Anreicherung
Uranerz wird nach dem Abbau zunächst zu einem gelblichen Pulver verarbeitet, dem sogenannten Yellowcake. Es dient zur Herstellung von Brennelementen für Reaktoren, kann aber zwecks Anreicherung auch in Uran-Hexafluorid (UF6) umgewandelt werden, das bis 56 Grad Celsius in kristalliner Form vorliegt und darüber gasförmig ist.

Die meisten Anreicherungsanlagen weltweit basieren auf der Gasdiffusion: Gasförmiges Uran-Hexafluorid wird durch halbdurchlässige Membrane gepresst, wobei sich das Uran 235 vom Rest trennt. Das Verfahren gilt inzwischen jedoch aufgrund seines hohen Energiebedarfs als veraltet.

Eine modernere Methode ist die Gaszentrifuge, an der auch in Iran experimentiert wird. Bei ihr macht man sich den Massenunterschied zwischen beiden Uran-Isotopen zunutze: Wird Uran-Hexafluorid in die Zentrifugen gegeben, sammeln sich die schwereren Uran-238-Moleküle bei bis zu 70.000 Umdrehungen pro Minute außen in den Zylindern, die Uran-235-Moleküle bleiben innen.
Einsatz in Atomwaffen
Für den Einsatz in Kernreaktoren genügt es bereits, wenn Uran 235 zu drei bis fünf Prozent in den Brennelementen angereichert ist. Ab 20 Prozent ist von hochangereichertem Uran die Rede. Für eine Atombombe ist ein Anreicherungsgrad von mindestens 80 Prozent erforderlich, da sonst eine zu große Uranmenge notwendig wäre.

Uran 235 kam in der ersten jemals eingesetzten Atombombe, die am 6. August 1945 Hiroshima zerstörte, als Sprengstoff zum Einsatz. Die Sprengkraft lag bei rund 13 Kilotonnen TNT. Die Bombe, die drei Tage später auf Nagasaki abgeworfen wurde, erreichte 20 Kilotonnen TNT. In ihr kam allerdings nicht Uran zum Einsatz, sondern Plutonium 239, das per Neutronenbeschuss in Brutreaktoren aus Uran 238 gewonnen wird.

Der Nachteil von Heisenbergs Schichten-Anordnung war jedoch, dass man das spaltbare Material nicht aus allen Richtungen mit Neutronen beschießen konnte. Deshalb entwickelte Kurt Diebner mit seiner Arbeitsgruppe am Heereswaffenamt ein weiteres Reaktorkonzept, bei dem Würfel aus Uran in einem Becken mit sogenanntem schwerem Wasser versenkt wurden, das als Moderator diente. "So konnte das Uran von allen Seiten mit Neutronen beschossen werden", sagt Mayer.

Als US-Soldaten gegen Kriegsende das letzte deutsche Atomlabor stürmten, einen Bierkeller unter der Schlosskirche des Städtchens Haigerloch am Rand der Schwäbischen Alb, fanden sie 659 Uranwürfel. "Es hätten aber 664 sein müssen", sagt Mayer. Wo die restlichen Würfel geblieben sind, wurde nie vollständig geklärt.

Analyse des "Heisenberg-Würfels"

Allerdings besteht der Verdacht, dass Heisenberg einen oder mehrere mitgehen ließ. Anfang der sechziger Jahre fanden spielende Kinder einen der dunkel-metallisch schimmernden Würfel am Flüsschen Loisach, nur wenige Kilometer entfernt vom Wohnort der Familie Heisenberg. Obwohl der Kubus nur fünf Zentimeter Kantenlänge besaß, brachte er beeindruckende zweieinhalb Kilo auf die Waage. "Als die Kinder ihn über die Straße rollten, schlug er Funken", sagt Mayer. Denn ähnlich wie bei Magnesium fangen Uranpartikel Feuer, wenn sie mit Sauerstoff in Berührung kommen.

Dann verschwand der Würfel erneut - und tauchte erst in den neunziger Jahren in einem Hauskeller in der Gegend wieder auf. Der Finder übergab ihn dem Bundesamt für Strahlenschutz, das die Experten am ITU bat, das Fundstück genauer zu untersuchen.

"Wir durften nur kleine Mengen abfeilen", sagt Mayer. Eine ganze Kante vom letzten erhaltenen "Heisenberg-Würfel" abzuschneiden, wie er von den Karlsruher Forschern genannt wird, kam nicht in Frage. Hilfreich war, dass das "Atomkeller-Museum" in Haigerloch, das am früheren Arbeitsplatz des Uranvereins eingerichtet wurde, dem ITU das Fragment eines weiteren Würfels zur Verfügung stellte.

Bei den Untersuchungen stellte sich heraus, dass die beiden Würfel aus unterschiedlichen Produktionslinien stammten, da sie sich in ihrem Verunreinigungsgrad unterschieden. Die weitere Analyse gestaltete sich schwierig. "Bei derart alten und seltenen Proben fehlte uns das Vergleichsmaterial", sagt Mayer. Da Uran aber schwach radioaktiv ist und mit der Zeit zerfällt, konnten die Forscher anhand des Verhältnisses zwischen Zerfallsprodukten und Ursprungsmaterial das Alter der Proben bestimmen.

Keine Spur von Plutonium

Der intakte Würfel und das Fragment wurden demnach spätestens im Herbst 1943, die Uranplatte schon Mitte 1940 hergestellt. Anhand der chemischen Verunreinigungen konnten die Forscher die Proben der Uranmine Joachimsthal zuordnen. Das wichtigste Ergebnis aber: "Der Würfel hat kaum Neutronen abbekommen", so Mayer. Das lege nahe, dass der Uranverein "weit davon entfernt war, eine selbsterhaltende Kettenreaktion zu erschaffen".

Fazit der Wissenschaftler: Die Deutschen hätten nur dann einen Reaktor mit selbsterhaltender Kettenreaktion bauen können, wenn die Arbeitsgruppen von Diebner und Heisenberg ihre Würfel kombiniert hätten. Dies war jedoch kurz vor Kriegsende nicht mehr möglich.

Die Analysen brachten auch eine zentrale historische Erkenntnis: Heisenberg und seinen Kollegen ist, soweit es das untersuchte Material verrät, keine Plutonium-Herstellung gelungen. Hätten die Wissenschaftler eine Atomwaffe herstellen wollen, wäre es technisch leichter gewesen, sie auf Basis dieses Stoffs zu bauen. Doch in den Proben suchten die Karlsruher Wissenschaftler vergebens nach Plutonium, das aus einem Reaktorbetrieb stammte.

Die Amerikaner beschritten dagegen beide Wege - und gelangten auf beiden zum Ziel: In der Hiroshima-Bombe "Little Boy" entfachte eine Uranladung das nukleare Feuer, ihr Nachfolger "Fat Man" machte Nagasaki mit Hilfe von Plutonium dem Erdboden gleich.



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