Neuspeh DARPA: ena največjih napak v zgodovini znanosti

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

Bomba na osnovi hafnijevega izomera Hf-178-m2 bi lahko postala najdražja in najmočnejša v zgodovini nejedrskih eksplozivnih naprav. Ampak ona ni. Zdaj je ta primer priznan kot eden najbolj razvpitih neuspehov DARPA - Agencije za napredne obrambne projekte ameriškega vojaškega ministrstva.

Oddajnik je bil sestavljen iz zavrženega rentgenskega aparata, ki je bil nekoč v zobozdravniški ordinaciji, pa tudi gospodinjskega ojačevalnika, kupljenega v bližnji trgovini. Bilo je v popolnem nasprotju z glasnim znakom Centra za kvantno elektroniko, ki je bil viden pri vstopu v majhno poslovno stavbo na Univerzi v Teksasu v Dallasu. Vendar se je naprava spopadla s svojo nalogo - in sicer je redno bombardirala obrnjeno plastično skodelico s tokom rentgenskih žarkov. Seveda steklo samo s tem ni imelo nobene zveze - služilo je preprosto kot stojalo pod komaj opaznim vzorcem hafnija oziroma njegovega izomera Hf-178-m2. Eksperiment je trajal več tednov. Toda po skrbni obdelavi pridobljenih podatkov je direktor Centra Carl Collins napovedal nedvomni uspeh. Posnetki s snemalne opreme kažejo, da je njegova skupina otipala način, kako ustvariti miniaturne bombe ogromne moči - naprave v velikosti pesti, ki lahko povzročijo uničenje, ki je enako desetinam ton navadnega eksploziva.

Tako se je leta 1998 začela zgodovina izomerne bombe, ki je kasneje postala znana kot ena največjih napak v zgodovini znanosti in vojaških raziskav.

Hafnij

Hafnij je 72. element Mendelejevega periodnega sistema. Ta srebrno bela kovina je dobila ime po latinskem imenu mesta Kopenhagen (Hafnia), kjer sta jo leta 1923 odkrila Dick Koster in Gyordem Hevesi, sodelavca Københavnskega inštituta za teoretično fiziko.

Znanstvena senzacija

Collins je v svojem poročilu zapisal, da mu je uspelo registrirati izjemno nepomembno povečanje rentgenskega ozadja, ki ga je oddajal obsevani vzorec. Medtem pa je rentgensko sevanje znak prehoda 178m2Hf iz izomernega stanja v običajno. Posledično je Collins trdil, da je njegova skupina lahko pospešila ta proces z bombardiranjem vzorca z rentgenskimi žarki (ko se rentgenski foton z relativno nizko energijo absorbira, jedro preide na drugo vzbujeno raven in nato hiter prehod na sledi nivo tal, ki ga spremlja sproščanje celotne rezerve energije). Da bi vzorec prisilil, da eksplodira, je razmišljal Collins, je treba le povečati moč oddajnika do določene meje, po kateri bo lastno sevanje vzorca zadostovalo za sprožitev verižne reakcije prehoda atomov iz izomernega stanja v normalno stanje. Rezultat bo zelo otipljiva eksplozija, pa tudi ogromen izbruh rentgenskih žarkov.

Znanstvena skupnost je to objavo pozdravila z očitno nevero in v laboratorijih po vsem svetu so se začeli poskusi za potrditev Collinsovih rezultatov. Nekatere raziskovalne skupine so hitro razglasile potrditev rezultatov, čeprav je bilo njihovo število le malo višje od merilnih napak. Toda večina strokovnjakov je kljub temu menila, da je dobljeni rezultat posledica napačne interpretacije eksperimentalnih podatkov.

Vojaški optimizem

Vendar je bila ena od organizacij izjemno zainteresirana za to delo. Kljub vsej skepsi znanstvene skupnosti je ameriška vojska zaradi Collinsovih obljub dobesedno izgubila glavo. In bilo je od česa! Študija jedrskih izomerov je utrla pot za ustvarjanje bistveno novih bomb, ki bi bile po eni strani veliko močnejše od običajnih eksplozivov, po drugi pa ne bi spadale pod mednarodne omejitve, povezane s proizvodnjo in uporabo jedrsko orožje (izomerna bomba ni jedrska, saj ni preoblikovanja enega elementa v drugega).

Izomerne bombe bi lahko bile zelo kompaktne (nimajo nižje omejitve mase, saj proces prehoda jeder iz vzbujenega v običajno stanje ne zahteva kritične mase), ob eksploziji pa bi sprostile ogromno trdega sevanja, ki uničuje vse živo. Poleg tega bi lahko hafnijeve bombe obravnavali kot relativno "čiste" - navsezadnje je osnovno stanje hafnija-178 stabilno (ni radioaktiven) in eksplozija praktično ne bi kontaminirala območja.

Vržen denar

V naslednjih nekaj letih je agencija DARPA vložila nekaj deset milijonov dolarjev v študijo Hf-178-m2. Vendar vojska ni čakala na ustvarjanje delujočega modela bombe. To je deloma posledica neuspeha raziskovalnega načrta: med več poskusi z uporabo močnih rentgenskih oddajnikov Collins ni mogel dokazati nobenega pomembnega povečanja ozadja obsevanih vzorcev.

V nekaj letih so bili večkrat poskusi ponovitve Collinsovih rezultatov. Vendar nobena druga znanstvena skupina ni mogla zanesljivo potrditi pospeševanja razpada izomernega stanja hafnija. S tem vprašanjem so se ukvarjali tudi fiziki iz več ameriških nacionalnih laboratorijev - Los Alamos, Argonne in Livermore. Uporabili so veliko močnejši vir rentgenskih žarkov - Advanced Photon Source iz Argonne National Laboratory, vendar niso mogli zaznati učinka induciranega razpada, čeprav je bila intenzivnost sevanja v njihovih poskusih za nekaj vrst višja kot v poskusih samega Collinsa.. Njihove rezultate so potrdili tudi neodvisni poskusi v drugem ameriškem nacionalnem laboratoriju – Brookhavenu, kjer so za obsevanje uporabili močan sinhrotron National Synchrotron Light Source. Po vrsti razočaranih zaključkov je zanimanje vojske za to temo zbledelo, financiranje se je ustavilo, leta 2004 pa je bil program zaprt.

Diamantno strelivo

Medtem je bilo že od samega začetka jasno, da ima izomerna bomba ob vseh svojih prednostih tudi številne temeljne pomanjkljivosti. Prvič, Hf-178-m2 je radioaktiven, zato bomba ne bo povsem "čista" (še vedno bo prišlo do kontaminacije območja z "neobdelanim" hafnijem). Drugič, izomer Hf-178-m2 se v naravi ne pojavlja, proces njegove proizvodnje pa je precej drag. Dobimo ga lahko na enega od več načinov - bodisi z obsevanjem tarče iterbija-176 z alfa delci, bodisi s protoni - volfram-186 ali naravno mešanico izotopov tantala. Na ta način je mogoče pridobiti mikroskopske količine hafnijevega izomera, kar bi moralo zadostovati za znanstvene raziskave.

Bolj ali manj množičen način pridobivanja tega eksotičnega materiala je obsevanje z nevtroni hafnija-177 v termičnem reaktorju. Natančneje, izgledalo je - dokler znanstveniki niso izračunali, da lahko eno leto v takem reaktorju iz 1 kg naravnega hafnija (ki vsebuje manj kot 20% izotopa 177) dobite le približno 1 mikrogram vzbujenega izomera (sprostitev ta znesek je ločena težava). Nič ne govori, množična proizvodnja! Toda masa majhne bojne glave bi morala biti vsaj desetine gramov … Izkazalo se je, da takšno strelivo ni niti "zlato", ampak naravnost "diamant" …

Znanstveni zaključek

A kmalu se je pokazalo, da tudi te pomanjkljivosti niso odločilne. In bistvo tukaj ni v nepopolnosti tehnologije ali neustreznosti eksperimentatorjev. Končno točko v tej senzacionalni zgodbi so postavili ruski fiziki. Leta 2005 je Evgeny Tkalya z Inštituta za jedrsko fiziko Moskovske državne univerze v reviji Uspekhi Fizicheskikh Nauk objavil članek z naslovom "Inducirani razpad jedrskega izomera 178m2Hf in izomerna bomba". V članku je orisal vse možne načine za pospešitev razpada hafnijevega izomera. Obstajajo le trije: interakcija sevanja z jedrom in razpadom skozi vmesno raven, interakcija sevanja z elektronsko lupino, ki nato vzbujanje prenese na jedro, in sprememba verjetnosti spontanega razpada.

Po analizi vseh teh metod je Tkalya pokazal, da je učinkovito zmanjšanje razpolovne dobe izomera pod vplivom rentgenskega sevanja globoko v nasprotju s celotno teorijo, na kateri temelji sodobna jedrska fizika. Tudi z najbolj benignimi predpostavkami so bile dobljene vrednosti za rede manjše od tistih, ki jih je poročal Collins. Tako je še vedno nemogoče pospešiti sproščanje ogromne energije, ki jo vsebuje hafnijev izomer. Vsaj s pomočjo realnih tehnologij.