Tijdens de Tweede Wereldoorlog, Nazi-Duitsland en de VS waren aan het racen om nucleaire technologie te ontwikkelen. Voordat Duitsland kon slagen, Geallieerde troepen verstoorden het programma en namen enkele van de uraniumkubussen in het hart ervan in beslag. Het uiteindelijke lot van het grootste deel van dat uranium is onbekend, maar een paar kubussen waarvan gedacht wordt dat ze verband houden met het programma, bevinden zich in de VS en Europa. Vandaag, wetenschappers rapporteren de eerste resultaten van nieuwe methoden die worden ontwikkeld om hun herkomst te bevestigen. De technieken kunnen ook helpen bij onderzoeken naar de illegale handel in nucleair materiaal.

De onderzoekers presenteren hun resultaten op de najaarsbijeenkomst van de American Chemical Society (ACS).

Eén kubus bevindt zich in het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), maar niemand weet zeker hoe het daar is gekomen, zegt Jon Schwantes, doctoraat, hoofdonderzoeker van het project. Via medewerkers, waaronder Timothy Koeth, doctoraat, aan de Universiteit van Maryland, het lab heeft ook toegang tot enkele andere kubussen. "We weten niet zeker dat de kubussen uit het Duitse programma komen, dus eerst willen we dat vaststellen, " zegt Schwantes. "Dan willen we de verschillende kubussen vergelijken om te zien of we ze kunnen classificeren volgens de specifieke onderzoeksgroep die ze heeft gemaakt."

In het begin van de jaren veertig, verschillende Duitse wetenschappers wedijverden om kernsplijting te exploiteren om plutonium uit uranium te produceren voor de oorlog. De teams omvatten de groep van Werner Heisenberg in Berlijn (later verplaatst naar Haigerloch om te proberen geallieerde troepen te ontwijken) en het team van Kurt Diebner in Gottow. Op deze locaties werden uraniumkubussen geproduceerd om kernreactoren van brandstof te voorzien. Het meten van ongeveer 2 inch aan elke kant, honderden kubussen werden opgehangen aan kabels ondergedompeld in "zwaar" water, waarin deuterium lichtere waterstof vervangt. De wetenschappers hoopten dat radioactief verval van het uranium in de assemblages een zichzelf in stand houdende nucleaire kettingreactie zou ontketenen, maar het ontwerp mislukte.

Amerikaanse en Britse troepen namen in 1945 enkele van de Heisenberg-uraniumkubussen in Haigerloch in beslag, en meer dan 600 van deze kubussen werden naar de VS verscheept. Sommige zijn mogelijk gebruikt in de Amerikaanse kernwapeninspanning - die gedeeltelijk werd gelanceerd vanwege de angst dat Duitsland kernwapens aan het ontwikkelen was - en een paar zijn eigendom van verzamelaars en sites, waaronder PNNL. De verblijfplaats van de anderen, inclusief honderden Diebner-kubussen, zijn niet bekend.

PNNL gebruikt zijn monster om internationale grenswachten en nucleair forensische onderzoekers op te leiden om nucleair materiaal te detecteren. Het is gelabeld als een Heisenberg-kubus, maar ondersteuning voor die bewering is anekdotisch, zegt Brittany Robertson, die het werk presenteert op ACS Fall 2021. "We hadden geen echte metingen om die bewering te staven, " zegt Robertson, een promovendus die in het lab werkt. Om de oorsprong van de kubus te bewijzen, ze begon enkele analytische technieken aan te passen om ze te combineren met de gevestigde forensische methoden van Schwantes. Robertson wendde zich tot radiochronometrie, de nucleaire veldversie van een techniek die geologen gebruiken om de leeftijd van monsters te bepalen op basis van het radioactieve isotopengehalte.

Toen de kubussen voor het eerst werden gegoten, ze bevatten vrij zuiver uraniummetaal. Naarmate de tijd verstreek, radioactief verval transformeerde een deel van het uranium in thorium en protactinium. Robertson past een radiochronometrieprocedure aan om deze elementen in de kubus van PNNL beter te scheiden en te kwantificeren. Hun relatieve concentraties laten zien hoe lang geleden de kubus is gemaakt. Ze verfijnt deze methode ook om onzuiverheden van zeldzame aardelementen in het object te analyseren. Ze konden onthullen waar het originele uranium werd gedolven, waaruit zou kunnen blijken of het werd geproduceerd voor de Heisenberg- of Diebner-groep.

In de tussentijd, Robertson en Schwantes werken samen met Carlos Fraga van PNNL, doctoraat, om de coatings van de kubussen te testen, die de Duitsers toepasten om oxidatie te beperken. Het PNNL-team ontdekte onlangs dat de kubus aan de Universiteit van Maryland is bedekt met styreen - een onverwachte bevinding sinds de groep van Heisenberg een op cyanide gebaseerde coating gebruikte. Echter, het team heeft nu geleerd dat sommige kubussen uit de groep van Diebner, die een op styreen gebaseerde coating gebruikte, naar Heisenberg werden gestuurd, die probeerde meer brandstof voor zijn reactor te vergaren. "We zijn benieuwd of deze specifieke kubus een van de kubussen was die verband hielden met beide onderzoeksprogramma's, "zegt Schwantes. "Ook, dit is een kans voor ons om onze wetenschap te testen voordat we het toepassen in een echt nucleair forensisch onderzoek."

Terwijl de wetenschappers geïntrigeerd zijn door het werken met materiaal uit het begin van het nucleaire tijdperk, deze objecten zijn onmiskenbaar verbonden met een gruwelijke tijd in de geschiedenis. "Ik ben blij dat het nazi-programma tegen het einde van de oorlog niet zo gevorderd was als ze wilden, "Robertson zegt, "omdat anders, de wereld zou een heel andere plaats zijn."