Il segreto del dispositivo Trinity: come 32 lenti esplosive cambiarono la Seconda Guerra Mondiale. VD

Il segreto del dispositivo Trinity: come 32 lenti esplosive cambiarono la Seconda Guerra Mondiale

13 luglio 1945. Tarda sera, Macdonald Ranchhouse, Nuovo Messico. George Kistakowski è inginocchiato sul pavimento di legno, le mani tremanti, non per paura, ma per la stanchezza. Davanti a lui c’è una sfera di circa un metro e mezzo di diametro, ricoperta da 32 blocchi esplosivi realizzati con precisione, che sta forando con un trapano da dentista.

Un chimico, convertitosi alla fabbricazione di bombe, ha scoperto delle sacche d’aria nelle lenti esplosive: minuscole cavità in grado di distruggere qualsiasi cosa. In meno di tre giorni, questo dispositivo, soprannominato “The Gadget”, sarà in grado di comprimere un nucleo di plutonio fino allo stato critico, liberando tutta la potenza dell’atomo, oppure di disperdere 2.400 chilogrammi dell’esplosivo più costoso al mondo nel deserto del New Mexico.

Kistiakovsky riempie ogni fessura con esplosivo liquido e lavora tutta la notte. I suoi colleghi lo osservano nervosamente. Un passo falso, una scintilla, e mesi di lavoro ingegneristico apparentemente impossibile vengono vanificati in un istante. Ma è proprio questo che rende questo momento così straordinario: solo 18 mesi prima, tutti i fisici di Los Alamos credevano che questo progetto fosse impossibile.

L’idea di utilizzare un’esplosione per ottenere un’implosione perfetta, combinando così onde d’urto divergenti con una precisione di microsecondi, sfidava tutto ciò che si sapeva sugli esplosivi. Si diceva che sfidasse le leggi della natura. Oggi scoprirete come un team di brillanti scienziati ha risolto una delle sfide tecniche più difficili della Seconda Guerra Mondiale.

Non grazie a una singola scoperta rivoluzionaria, ma attraverso centinaia di esperimenti falliti, una matematica rivoluzionaria e esplosivi che non esistevano nemmeno all’inizio della guerra. Questa è la storia delle 32 lenti esplosive che hanno reso possibile l’era atomica. Torniamo alla primavera del 1944. Il Laboratorio Scientifico di Los Alamos. Il Progetto Manhattan è in corso da due anni.

Migliaia di persone lavorano in strutture segrete in tutta l’America, in una corsa contro il tempo per costruire una bomba atomica prima della Germania nazista. Il piano iniziale sembra semplice: usare una sorta di cannone. Sparare un pezzo di uranio contro un altro. Questo crea una massa critica che innesca un’esplosione nucleare. Semplice, elegante, e con l’uranio-235 funziona alla perfezione. Ma poi arriva l’aprile del 1944.

I primi campioni di plutonio prodotti nel reattore provenivano da Hanford. Il team di Alio Segre li analizzò immediatamente. I risultati furono disastrosi. Il plutonio prodotto nel reattore conteneva plutonio-240, un isotopo con un tasso di fissione cinque volte superiore a quello del plutonio-239 puro. Se sottoposto a un tipo di esplosivo, il plutonio esplodeva prematuramente.

Il materiale nucleare si sarebbe autodistrutto prima di raggiungere la piena criticità. Invece di un’esplosione da 20 chilotoni, avrebbe potuto essere di 200 tonnellate: uno spettacolo pirotecnico devastante che avrebbe sprecato tutto il prezioso plutonio. J. Robert Oppenheimer, il direttore del laboratorio, si trovò di fronte a una scelta impossibile. Potevano abbandonare completamente il plutonio e puntare tutto sull’uranio-235, che Oak Ridge produceva a un ritmo allarmantemente lento, oppure potevano utilizzare un metodo alternativo che la maggior parte dei fisici considerava fantascienza: l’implosione.

L’idea sembra folle. Si circonda una sfera di plutonio subcritico con esplosivi e li si fa detonare simultaneamente da più punti. Questo crea un’onda d’urto sferica che comprime il nucleo di plutonio fino al doppio della sua densità in meno di un microsecondo. Il fisico del Caltech Seph Netterme studia le implosioni dal 1943.

I suoi primi esperimenti consistevano nell’avvolgere dei tubi con dell’esplosivo e farli detonare. I risultati furono sconcertanti. I cilindri erano contorti, asimmetrici e sembravano lattine di birra schiacciate. Nulla assomigliava minimamente alla forma perfettamente sferica richiesta per un’arma nucleare. Non sapevano ancora, tuttavia, che la soluzione avrebbe richiesto un completo abbandono della ricerca tradizionale sugli esplosivi e lo sviluppo di un campo completamente nuovo: gli esplosivi di precisione.

Nel gennaio del 1944, James Conand, presidente del National Defense Research Committee, telefonò all’Università di Harvard. Cercava George Kistakoski. Questo chimico di origine ucraina dirigeva già l’ottava divisione dell’Office of Scientific Research and Development, responsabile degli esplosivi e dei propellenti. Ne sapeva più di quasi chiunque altro in America in materia di esplosivi, ma era scettico.

Quando Conan spiega il concetto di implosione, Kistiakosski lo considera impossibile. “Stai chiedendo agli esplosivi di fare qualcosa per cui non sono stati progettati”, dice a Conan. “Gli esplosivi si disintegrano. Distruggono. Tu vuoi che si riducano con una precisione di microsecondi.” Conan insiste. Nel giugno del 1944, Kistiakosski arriva a Los Alamos.

Nel giro di poche settimane, Oppenheimer lo promuove a vice capo della divisione esplosivi. Nettermire, l’ideatore originale dell’implosione, viene retrocesso a consulente tecnico senior. È una decisione difficile, ma Oppenheimer sa che il tempo stringe. Kissakoski assume la direzione dell’azienda. Il suo team conduce un test sugli esplosivi dopo l’altro.

Tutti i risultati indicano una compressione asimmetrica. La sfera di plutonio risulterebbe deformata e non raggiungerebbe mai la densità necessaria per raggiungere la criticità. Poi arrivò a Los Alamos il brillante matematico ungherese John Vanimoman. Vanimoman considerò il problema da una prospettiva diversa. Invece di cercare di far convergere un singolo esplosivo, si potrebbero usare diversi esplosivi con diverse velocità di detonazione. Questo può essere visualizzato come una lente ottica.

La luce viaggia a velocità diverse attraverso materiali diversi. Il vetro focalizza e concentra i raggi luminosi. E se si potesse ottenere lo stesso effetto utilizzando onde d’urto? Nacque così l’idea della lente esplosiva. Tuttavia, la vera svolta arrivò nell’aprile del 1944 con l’arrivo dello scienziato britannico James Tuck.

Tuck aveva trascorso anni a sviluppare cariche sagomate per armi anticarro: esplosivi progettati con tale precisione da concentrare la loro energia in un unico raggio penetrante. Sapeva come modellare la geometria degli esplosivi. Insieme, Vonoman e Tuck svilupparono le basi matematiche. Avevano bisogno di due cariche esplosive, una veloce e una lenta.

Una carica esplosiva a rapida esplosione genera un’onda d’urto iniziale divergente. Invece di lasciarla propagare verso l’esterno, la carica esplosiva a lenta esplosione è disposta secondo una geometria calcolata con precisione. L’onda d’urto colpisce la carica a lenta esplosione con un angolo, si rifrange come la luce attraverso una lente e si focalizza verso l’interno in un singolo punto. Venti lenti esagonali e dodici lenti pentagonali, per un totale di 32, sono disposte in una sfera perfetta attorno al nucleo di plutonio.

In teoria, è un’idea geniale. In pratica, però, prima bisogna costruirle. E questo significa trovare gli esplosivi giusti. Ed è proprio qui che sta il problema: nel 1944, gli Stati Uniti non disponevano degli esplosivi necessari. Per una detonazione rapida, serviva qualcosa con una velocità di detonazione di circa 7,9 millimetri al microsecondo.

Per un esplosivo a movimento lento, è necessaria una velocità di circa 4,9 mm al microsecondo. Fondamentalmente, entrambi i materiali devono essere fusi e colati per consentire una modellatura precisa. Il trinitrotoluene (TNT) è in uso dal 1863. È stabile, prevedibile e colabile, ma troppo lento: solo 6,9 mm al microsecondo. È qui che entra in gioco l’RDX, un esplosivo sviluppato nel dipartimento di ricerca. Fu sintetizzato per la prima volta nel 1898 dal chimico tedesco Georg Friedrich Henning.

L’RDX era praticamente inutile fino alla Seconda Guerra Mondiale. L’arsenale britannico di Woolwich sviluppò metodi di produzione all’inizio degli anni ’40. È 1,5 volte più potente del TNT, due volte più potente per unità di volume e ha una velocità di detonazione di 8,7 mm/µm. Tuttavia, c’è un problema: il processo di produzione di Woolwich richiede 10 kg di acido nitrico per ogni chilogrammo di RDX.

È costoso e poco pratico per la produzione di massa. Ricordando il periodo in cui era a capo del dipartimento degli esplosivi, Kistyakovsky contattò Verer Bachmann all’Università del Michigan. Bachmann lavorò a un metodo di produzione più efficiente. Nel giro di pochi mesi, perfezionò il cosiddetto processo Bachmann, una combinazione di tecniche canadesi e nitrurazione diretta.

L’esercito americano affida alla Eastman Kodak la costruzione di uno stabilimento di produzione nel Tennessee. L’impianto di munizioni dell’esercito di Holston inizia a produrre RDX. Ancora oggi, 80 anni dopo, rimane il principale fornitore americano di esplosivi militari. La miscela è composta per il 59,5% da RDX, per il 39,5% da TNT e per l’1% da cera desensibilizzante. Il risultato è la Composizione B. Velocità di detonazione 7.

9 mm per un microcondensatore. Ideale per esplosivi a detonazione rapida. Ma che dire degli esplosivi a detonazione lenta? Kistyakovskiy si rivolge nuovamente ai suoi ex colleghi del Laboratorio di Ricerca sugli Esplosivi di Brutin, in Pennsylvania. Ha bisogno di qualcosa di molto più lento del TNT. Il dottor Duncan McDougall e il suo team iniziano gli esperimenti mescolando nitrato di bario con TNT.

Il TNT puro non è abbastanza lento, mentre il nitrato di bario è praticamente inerte. Mescolando le due sostanze, è possibile regolare la velocità di detonazione agendo sul rapporto di miscelazione. La soluzione scelta fu una miscela al 76% di nitrato di bario e al 24% di TNT. La velocità di detonazione risultante fu di 4,9 mm/µm. Avevano i materiali necessari, ma la sfida più grande doveva ancora arrivare: produrre 32 lenti esplosive realizzate con precisione, ciascuna del peso di oltre 36 kg e con tolleranze di un millesimo di pollice. Aprile 1945.

La fonderia della X Division a Los Alamos opera 24 ore su 24. Immaginate la sfida: lavorare con 2.400 kg di esplosivo. Bisogna fonderlo, versarlo negli stampi, lavorarlo con precisione e poi assemblarlo in una sfera perfetta. Il tutto mentre la Germania nazista potrebbe star cercando di fare la stessa cosa.

La composizione B arriva allo stato solido. Gli operai la versano in caldaie a vapore e la riscaldano a 100 °C. Innanzitutto, il TNT si scioglie, diventando un liquido trasparente. Quindi, mescolando continuamente, aggiungono lentamente l’RDX inumidito con acqua. L’acqua evapora. Infine, aggiungono un agente desensibilizzante sotto forma di cera. L’esplosivo liquido viene versato in stampi – alcuni esagonali, altri pentagonali – ciascuno accuratamente costruito secondo i principi matematici di von Newman.

Creano il vuoto per rimuovere le bolle d’aria. La densità è fondamentale. Le inclusioni d’aria portano a una detonazione asimmetrica. Il barile è più difficile. Il nitrato di bario non fonde. Rimane sospeso come polvere fine nel TNT fuso, formando una massa viscosa. Per ridurre la viscosità, aggiungono lo 0,1% di nitrocellulosa. Poco prima della colata, viene aggiunto acido stearico per prevenire la formazione di crepe. Anche in questo caso, il vuoto rimuove i gas intrappolati.

Ogni lente è composta da due parti: una esterna in materiale Composition B e una interna in un materiale a forma di asta. Sono realizzate con precisione e perfettamente allineate. All’interfaccia tra queste due parti, dove si incontrano gli esplosivi veloci e lenti, accade qualcosa di straordinario. L’onda d’urto incontra questo confine, viene riflessa verso l’interno e converge verso il centro. Ma è proprio questo l’aspetto davvero notevole.

Le lenti stesse non possono essere testate. Sono troppo costose e complesse da produrre. Al loro posto, vengono utilizzati materiali sostitutivi come piastre d’acciaio, sfere di alluminio e raggi X per osservare la propagazione dell’onda d’urto. Il team diagnostico è guidato da Bruno Rossi, un fisico italiano fuggito dal fascismo. Stanno sviluppando diverse tecniche: fotografia ad alta velocità con flash, telecamere con specchi rotanti e il metodo del perno, in cui perni metallici collegati a oscilloscopi vengono fatti implodere, fornendo così dati temporali.

Il test più avanzato è l’esperimento RALA con lantanio radioattivo. In questo test, una sorgente di radiazioni gamma viene posizionata al centro del banco di prova. Man mano che l’onda d’urto comprime la sfera metallica circostante, una quantità sempre maggiore di radiazioni gamma viene assorbita. I rivelatori posizionati attorno all’esplosivo misurano le variazioni di intensità, indicando così la simmetria della compressione.

Test dopo test, correzione dopo correzione. Nell’estate del 1945, avevano condotto centinaia di esperimenti. E poi Luis Alvarez risolse l’ultimo enigma. Anche con lenti perfette, rimaneva un problema: il tempo. 32 lenti esplosive significavano 32 punti di detonazione. Se non si fossero innescate tutte in pochi microsecondi, l’implosione sarebbe stata asimmetrica.

Il nucleo di plutonio viene espulso lateralmente, anziché condensarsi uniformemente. I detonatori convenzionali utilizzano un innesco, una piccola carica esplosiva che reagisce al calore o all’impatto. Tuttavia, questi detonatori sono inaffidabili. Il tempo di detonazione varia di decimi di microsecondo. Questo è assolutamente inaccettabile. Lewis Alvarez, fisico sperimentale e responsabile del gruppo di ricerca sui detonatori elettronici, ha ideato una soluzione.

Detonatori a filo. Il loro principio di funzionamento è il seguente: un filo sottile, chiamato filo di collegamento, è a contatto con un esplosivo. Quando viene applicata un’alta tensione, il filo non solo si riscalda, ma vaporizza anche rapidamente, creando un’onda d’urto sufficientemente potente da far detonare la carica esplosiva principale. Soprattutto, sono veloci e affidabili.

La deviazione temporale è inferiore a un microsecondo. Tuttavia, c’è un altro problema: la latenza del segnale. L’elettricità viaggia velocemente, ma non senza ritardo. Se i cavi che vanno dal modulo di accensione ai singoli accenditori hanno lunghezze diverse, i segnali arrivano in momenti diversi. La soluzione è elegante: tutti i cavi devono avere esattamente la stessa lunghezza.

I fili di accensione sono instradati con precisione in tutto il dispositivo per garantire l’arrivo simultaneo degli inneschi. Viene preso in considerazione anche lo spessore dell’isolamento, che influisce sulla velocità di propagazione del segnale. Ogni lente ha due inneschi, per un totale di 64, tutti collegati a un unico modulo di accensione. In caso di guasto di un innesco, un innesco di riserva garantisce il funzionamento continuo della lente.

L’intero sistema deve funzionare in modo impeccabile. Non sono ammessi errori. Non ci sono seconde possibilità. E questo ci riporta a quella notte al McDonald Ranch House. Kistioski sta praticando dei fori di ventilazione. Il test Trinity si svolgerà tra meno di tre giorni. 15 luglio 1945. La sera prima di Trinity. Oppenheimer è nervoso.

L’ultimo test magnetico a Kuitz aveva rilevato delle anomalie. Hans Btha aveva passato tutta la notte a rianalizzare i dati e aveva concluso che si trattava di un malfunzionamento del dispositivo, ma i dubbi persistevano. George Castia incontrò Oppenheimer alla base. I fisici erano molto scettici sul corretto funzionamento delle lenti. Castiacowski in seguito ricordò: “Scommisi con Oppenheimer una parte considerevole del mio denaro, circa 600 o 700 dollari contro 10, sul fatto che l’esplosivo avrebbe funzionato”.

“Non si tratta solo di soldi, si tratta di fiducia.” Kistiakowski ha lavorato 18 mesi per perfezionare queste lenti. Sa che funzioneranno. 16 luglio 1945, ore 4:00. Una tempesta ritarda il test. Il meteorologo Jack Hubard prevede una breve finestra di bel tempo tra le 5:00 e le 6:00. Ore 5:29. Guerra in montagna. Kenneth Banebridge scatta la foto.

Sessantaquattro detonatori si attivano simultaneamente. Trentadue lenti focalizzano le onde d’urto in espansione in una sfera perfettamente convergente. L’onda d’urto si propaga verso l’interno a 38.620 km/h. Raggiunge il nucleo di plutonio, una sfera di 6,2 chilogrammi grande circa quanto un’arancia, e lo comprime fino a raddoppiarne la densità in meno di un microsecondo.

Il plutonio raggiunge la fase supercritica. Ottanta generazioni di neutroni si susseguono in meno di un battito cardiaco. La temperatura del nucleo raggiunge i 10 milioni di gradi Celsius. In una frazione di secondo, viene rilasciata un’energia equivalente a 21 chilotoni di TNT. Un lampo di luce più brillante di mille soli illumina il deserto del Nuovo Messico.

A dieci metri di distanza, gli osservatori sentirono il calore sul viso. L’onda di pressione arrivò 40 secondi dopo. La nube a fungo si innalzò fino a sette miglia nell’atmosfera. Il dispositivo funzionò alla perfezione. Christyowski rintracciò Oppenheimer. “Gli diedi una pacca sulla spalla e gli dissi: ‘Ho vinto la scommessa’”, ricordò. Oppenheimer pagò. Ma quello fu solo l’inizio.

Tre settimane dopo, un dispositivo identico a Trinity, soprannominato “Fat Man”, fu caricato su un bombardiere B-29 soprannominato “Box Car”. Il 9 agosto 1945, esplose sopra Nagasaki, in Giappone, ponendo fine alla Seconda Guerra Mondiale. Tuttavia, il concetto di lenti esplosive non si esaurì con “Fat Man”. Le lenti esplosive continuano a svolgere un ruolo importante.

Le cariche sagomate sviluppate da Tuck vengono utilizzate per perforare i pozzi petroliferi. Le compagnie di perforazione utilizzano schiere radiali di piccole cariche sagomate, in genere da 12 a 36 per metro, per creare percorsi di flusso tra il pozzo e il giacimento petrolifero. Le applicazioni militari includono le armi anticarro, dove gruppi di cariche sagomate possono penetrare corazze di diametro diverse volte superiore a quello della carica stessa.

La moderna capsula SpaceX Crew Dragon utilizza cariche sagomate, essenzialmente lenti unidimensionali, per separare con precisione gli stadi del razzo durante il volo. L’impianto di munizioni dell’esercito di Holston, costruito per produrre RDX per il Progetto Manhattan, è tuttora operativo. Rimane l’unico produttore statunitense di RDX, HMX ed esplosivi speciali a legame polimerico.

Sviluppato sotto la pressione della guerra, il processo Bachmann rimane il metodo di produzione standard. Tuttavia, la sua eredità più significativa è di natura concettuale. Prima del 1945, gli esplosivi erano strumenti di distruzione primitivi. Il Progetto Manhattan li trasformò in strumenti di precisione. Da questi sforzi bellici emersero la fisica della detonazione, la comprensione della propagazione delle onde d’urto, la modellazione delle equazioni di stato e lo studio dell’instabilità idrodinamica.

Le moderne armi nucleari utilizzano ancora meccanismi di implosione basati sui principi del dispositivo Trinity. Sebbene gli esplosivi moderni siano più sicuri e potenti, il principio di base rimane invariato: lenti esplosive dalla forma precisa trasformano onde divergenti in una convergenza sferica. Tutto ebbe inizio con un chimico ucraino che scommise che 32 blocchi di esplosivo scolpiti avrebbero potuto innescare un’implosione perfetta. Aveva ragione.

Cosa abbiamo imparato oggi? Le 32 lenti esplosive della Trinity Gadgets sono tra le più grandi conquiste ingegneristiche della Seconda Guerra Mondiale. Gli scienziati dovettero inventare nuovi esplosivi, sviluppare processi di produzione inesistenti, mettere a punto sistemi diagnostici precisi per misurare fenomeni microscopici e risolvere problemi matematici che spingevano al limite le possibilità del 1945.

Ma, cosa ancora più importante, hanno cambiato la nostra visione degli esplosivi. Hanno dimostrato che, con sufficiente precisione, creatività e determinazione, anche le forze distruttive possono essere sfruttate in modo controllato. I 2.404 kg (5.300 libbre) di miscela esplosiva e i contenitori che circondavano il nucleo di plutonio da 6,2 kg hanno cambiato la storia. Non perché gli esplosivi siano intrinsecamente potenti.

L’umanità lo ha sempre saputo, ma solo ora gli esplosivi sono diventati precisi. Se questa storia ti ha affascinato, iscriviti. La prossima settimana approfondiremo un altro mistero tecnologico dell’era atomica: come i crittografi di Bletchley Park crearono Colossus, il primo computer programmabile al mondo, che decifrò il cifrario di Loren.

Una storia di valvole termoioniche, nastro perforato e matematica che hanno contribuito alla vittoria in guerra. E se volete saperne di più sulla risoluzione di problemi ingegneristici nella storia militare, guardate il nostro video sui Malberry Docks. Racconta di come gli ingegneri costruirono due bacini galleggianti in soli nove mesi per rifornire lo sbarco in Normandia. Il link è nella descrizione. Grazie per la visione.

Questa è stata un’altra profonda intuizione sulla genialità tecnica del nostro

Nota: alcuni contenuti sono stati creati utilizzando strumenti di intelligenza artificiale (ChatGPT) e modificati dall’autore a fini creativi e per illustrare la storia.