Neuspjeh DARPA-e: jedna od najvećih pogrešaka u povijesti znanosti

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

Bomba na bazi hafnijevog izomera Hf-178-m2 mogla bi postati najskuplja i najmoćnija u povijesti nenuklearnih eksplozivnih naprava. Ali nije. Sada je ovaj slučaj prepoznat kao jedan od najozloglašenijih promašaja DARPA-e - Agencije za napredne obrambene projekte američkog vojnog odjela.

Emiter je sastavljen od odbačenog rendgen aparata koji je nekoć bio u zubarskoj ordinaciji, kao i od kućnog pojačala kupljenog u obližnjoj trgovini. Bio je to u potpunoj suprotnosti s glasnim natpisom Centra za kvantnu elektroniku, koji je viđen kako ulazi u malu poslovnu zgradu na Sveučilištu Texas u Dallasu. No, uređaj se nosio sa svojim zadatkom – naime, redovito je bombardirao preokrenutu plastičnu čašu mlazom rendgenskih zraka. Naravno, samo staklo nije imalo nikakve veze s tim - jednostavno je služilo kao stalak ispod jedva primjetnog uzorka hafnija, odnosno njegovog izomera Hf-178-m2. Eksperiment je trajao nekoliko tjedana. No nakon pomne obrade dobivenih podataka, ravnatelj Centra Carl Collins najavio je nedvojbeni uspjeh. Snimke s opreme za snimanje pokazuju da je njegova skupina napipala način da stvori minijaturne bombe kolosalne snage - naprave veličine šake koje mogu proizvesti uništenje koje je ekvivalentno desecima tona običnog eksploziva.

Tako je 1998. započela povijest izomerne bombe, koja je kasnije postala poznata kao jedna od najvećih pogrešaka u povijesti znanosti i vojnih istraživanja.

Hafnij

Hafnij je 72. element Mendeljejevljevog periodnog sustava. Ovaj srebrnobijeli metal ime je dobio po latinskom nazivu za grad Kopenhagen (Hafnia), gdje su ga 1923. godine otkrili Dick Koster i Gyordem Hevesi, suradnici Kopenhagenskog instituta za teorijsku fiziku.

Znanstvena senzacija

Collins je u svom izvješću napisao da je uspio registrirati izuzetno beznačajno povećanje rendgenske pozadine koju je emitirao ozračeni uzorak. U međuvremenu, upravo je rendgensko zračenje znak prijelaza 178m2Hf iz izomernog stanja u obično. Slijedom toga, tvrdio je Collins, njegova je skupina uspjela ubrzati ovaj proces bombardiranjem uzorka rendgenskim zrakama (kada se apsorbira rendgenski foton s relativno malom energijom, jezgra prelazi na drugu pobuđenu razinu, a zatim brzi prijelaz na slijedi razina tla, popraćena oslobađanjem cjelokupne rezerve energije). Da bi se uzorak natjerao da eksplodira, razmišljao je Collins, potrebno je samo povećati snagu emitera do određene granice, nakon čega će vlastito zračenje uzorka biti dovoljno da pokrene lančanu reakciju prijelaza atoma iz izomernog stanja u normalno stanje. Rezultat će biti vrlo opipljiva eksplozija, kao i kolosalan prasak X-zraka.

Znanstvena zajednica ovu je publikaciju dočekala s jasnom nevjericom, a u laboratorijima diljem svijeta počeli su eksperimenti kako bi se potvrdili Collinsovi rezultati. Neke su istraživačke skupine brzo objavile potvrdu rezultata, iako je njihov broj bio samo neznatno veći od mjernih pogrešaka. No većina stručnjaka ipak je vjerovala da je dobiveni rezultat rezultat netočne interpretacije eksperimentalnih podataka.

Vojni optimizam

Međutim, jedna od organizacija bila je izrazito zainteresirana za ovaj posao. Unatoč svoj skepticizmu znanstvene zajednice, američka vojska je doslovno izgubila glavu od Collinsovih obećanja. I bilo je od čega! Proučavanje nuklearnih izomera utrlo je put za stvaranje temeljno novih bombi, koje bi, s jedne strane, bile mnogo snažnije od običnih eksploziva, as druge ne bi potpadale pod međunarodna ograničenja povezana s proizvodnjom i upotrebom nuklearno oružje (izomerna bomba nije nuklearna, jer nema transformacije jednog elementa u drugi).

Izomerne bombe mogle bi biti vrlo kompaktne (nemaju niže ograničenje mase, budući da proces prijelaza jezgri iz pobuđenog stanja u obično stanje ne zahtijeva kritičnu masu), a prilikom eksplozije oslobađale bi ogromnu količinu tvrdog zračenja koje uništava sve živo. Osim toga, hafnijeve bombe bi se mogle smatrati relativno "čistima" - uostalom, osnovno stanje hafnija-178 je stabilno (nije radioaktivno), a eksplozija praktički ne bi kontaminirala područje.

Bačeni novac

Tijekom sljedećih nekoliko godina, agencija DARPA uložila je nekoliko desetaka milijuna dolara u studiju Hf-178-m2. Međutim, vojska nije čekala stvaranje radnog modela bombe. Djelomično je to zbog neuspjeha istraživačkog plana: tijekom nekoliko eksperimenata koji su koristili moćne rendgenske emitere, Collins nije uspio demonstrirati bilo kakvo značajno povećanje pozadine ozračenih uzoraka.

Pokušaji repliciranja Collinsovih rezultata bili su nekoliko puta tijekom nekoliko godina. Međutim, nijedna druga znanstvena skupina nije uspjela pouzdano potvrditi ubrzanje raspada izomernog stanja hafnija. Fizičari iz nekoliko američkih nacionalnih laboratorija - Los Alamos, Argonne i Livermore - također su bili angažirani na ovom pitanju. Koristili su mnogo snažniji izvor rendgenskih zraka - Advanced Photon Source iz Argonne National Laboratory, ali nisu mogli otkriti učinak induciranog raspada, iako je intenzitet zračenja u njihovim eksperimentima bio nekoliko redova veličine veći nego u eksperimentima samog Collinsa.. Njihove rezultate potvrdili su i nezavisni eksperimenti u drugom američkom nacionalnom laboratoriju - Brookhavenu, gdje je za zračenje korišten moćni sinkrotron National Synchrotron Light Source. Nakon niza razočaravajućih zaključaka, interes vojske za ovu temu je izblijedio, financiranje je prestalo, a program je 2004. zatvoren.

Dijamantna municija

U međuvremenu, od samog početka bilo je jasno da uz sve svoje prednosti, izomerna bomba ima i niz temeljnih nedostataka. Prvo, Hf-178-m2 je radioaktivan, pa bomba neće biti u potpunosti "čista" (ipak će doći do neke kontaminacije područja "neobrađenim" hafnijem). Drugo, izomer Hf-178-m2 se ne pojavljuje u prirodi, a proces njegove proizvodnje je prilično skup. Može se dobiti na jedan od nekoliko načina - ili zračenjem mete iterbija-176 alfa česticama, ili protonima - volfram-186 ili prirodnom mješavinom izotopa tantala. Na taj način se mogu dobiti mikroskopske količine hafnijevog izomera, što bi trebalo biti sasvim dovoljno za znanstvena istraživanja.

Manje-više masivan način dobivanja ovog egzotičnog materijala je zračenje neutronima hafnija-177 u toplinskom reaktoru. Točnije, izgledalo je - sve dok znanstvenici nisu izračunali da za godinu dana u takvom reaktoru iz 1 kg prirodnog hafnija (koji sadrži manje od 20% izotopa 177) možete dobiti samo oko 1 mikrogram pobuđenog izomera (oslobađanje ovaj iznos je zaseban problem). Ne govori ništa, masovna proizvodnja! Ali masa male bojne glave trebala bi biti najmanje desetke grama … Ispostavilo se da takvo streljivo nije čak ni "zlato", već sasvim "dijamant" …

Znanstveno zatvaranje

No ubrzo se pokazalo da ni ti nedostaci nisu presudni. I poanta ovdje nije u nesavršenosti tehnologije ili neadekvatnosti eksperimentatora. Konačnu točku u ovoj senzacionalnoj priči stavili su ruski fizičari. Godine 2005. Evgeny Tkalya s Instituta za nuklearnu fiziku Moskovskog državnog sveučilišta objavio je u časopisu Uspekhi Fizicheskikh Nauk članak pod naslovom “Inducirani raspad nuklearnog izomera 178m2Hf i izomerna bomba”. U članku je iznio sve moguće načine za ubrzanje raspadanja hafnijevog izomera. Postoje samo tri od njih: interakcija zračenja s jezgrom i raspad kroz srednju razinu, interakcija zračenja s elektronskom ljuskom, koja zatim prenosi uzbuđenje na jezgru, te promjena vjerojatnosti spontanog raspada.

Nakon analize svih ovih metoda, Tkalya je pokazao da učinkovito smanjenje poluživota izomera pod utjecajem rendgenskog zračenja duboko proturječi cjelokupnoj teoriji koja leži u osnovi moderne nuklearne fizike. Čak i uz najbenignije pretpostavke, dobivene vrijednosti bile su redove veličine manje od onih koje je objavio Collins. Dakle, još uvijek je nemoguće ubrzati oslobađanje kolosalne energije koja je sadržana u hafnijevom izomeru. Barem uz pomoć stvarnih tehnologija.