2O невелики, но поскольку в столовой ложке воды содержится 500 000 000 000 000 000 000 000 молекул воды (5 × 1023), то вы можете сделать ставку у своего букмекера на то, что каждый день поглощаете достаточное количество молекул тяжелой воды.
Значит, мы пьем эту воду и готовим на ней пищу; но можно ли получить ее в чистом виде? Ответ утвердительный, и именно поэтому вам не стоит заменять ежедневную порцию H2O на D2O. Химические связи, которые дейтерий образует в организме с углеродом, азотом и кислородом, будут почти такими же, как те, которые образует водород, но скорость, с которой ферменты (белки-катализаторы в нашем теле) обращаются с водородом или дейтерием, будет отличаться, так как дейтерий в два раза тяжелее водорода. Это означает, что употребление тяжелой воды будет медленно искажать ваш метаболизм и в итоге у вас возникнут серьезные проблемы со здоровьем. Эта небольшая разница в продолжительности процесса – или, вернее, в скорости реакции, как называют ее химики, – лежит в основе производства тяжелой воды.
Поскольку нейтрон открыли лишь в 1932 году, а дейтерий – почти сразу после этого, нет ничего удивительного в том, что первые сообщения об интересе нацистов к тяжелой воде разведка встретила несколько скептически: на службе практически не было офицеров с естественно-научным образованием[140]. К счастью, физик Реджинальд Джонс стал первым ученым, завербованным в разведку в 1939 году, и смог немедленно приступить к действиям, когда получил от норвежского ученого телеграмму, в которой тот сообщал о планах нацистов увеличить производство тяжелой воды в оккупированной Норвегии[141].
Несмотря на то что высокая концентрация и долгий прием тяжелой воды вредны для здоровья, в планы немцев не входило медленное отравление британцев D2O, произведенной на заводе Norsk Hydro’s Vemork в Рьюкане. Желание заполучить единственный в Европе крупный завод по производству тяжелой воды не было основной причиной оккупации немцами Норвегии в 1940 году, но это непременно принесло бы пользу Uranverein – нацистскому проекту по созданию ядерной бомбы.
К несчастью для нацистов, союзникам было известно о существовании завода в Рьюкане (в горах на юге Норвегии, в губернии Телемарк). Он был частью большой системы химических заводов, где основными реагентами служили электроны – очень дешевые электроны, которые использовались в самых разных процессах. Одним из направлений было производство газообразного водорода путем электролиза воды, в результате которого получался побочный продукт – вода, обогащенная D2O. Тяжелую воду здесь производили с середины 30-х годов, а последнюю предвоенную поставку тайно получило Второе разведывательное управление – орган военной разведки вооруженных сил Франции; 185 кг этой воды второпях привезли ради безопасности в Англию двое французских ученых, спасавшихся от немецкого вторжения в начале лета 1940 года[142].
Рисунок 24. Электростанция «Веморк» в Рьюкане. Коллекция Гундерсена / Норвежский музей промышленности.
Отдаленное расположение завода было благом лишь отчасти: его было легко защищать и патрулировать, но во многих отношениях он был более уязвим для дерзких диверсионных операций, чем если бы располагался, скажем, в Людвигсхафене на Рейне. Людвигсхафен служил домом большому химическому конгломерату, однако ему не хватало важного ресурса: дешевых электронов, которые можно получить на гидроэлектростанции.
Если у вас есть доступ к электричеству, вы можете провести электролиз, пропуская электрический ток через раствор при помощи двух электродов, как описывалось в главе 10. Если раствор водный, а напряжение достаточно высокое (это классический демонстрационный опыт из школьной программы), то вы получите газообразный водород там, где электроны попадают в воду и где собираются катионы (катод), и кислород там, где они снова возвращаются в замкнутую электрическую цепь (анод). Если вы работаете с расплавом оксида алюминия, то на катоде вы получите металлический алюминий, а из концентрированного раствора хлорида натрия (столовой соли) на аноде вы можете получить газообразный хлор. Все эти процессы служат рабочими лошадками для химической промышленности по всему миру.
В Рьюкане главной целью компании Norsk Hydro было производство аммиака, который далее переправлялся на одну из фабрик в Херёйе (да, то самое место, которое упоминалось в главе 10), где из него делали азотную кислоту и удобрения. Первоначально азотную кислоту производили прямо в Рьюкане, используя очень энергозатратный электродуговой метод, когда азот и кислород вынуждают вступать в реакцию прямо в воздухе; но к 30-м годам этот метод заменили гораздо более эффективным процессом Габера – Боша. В реакции Габера – Боша азот из воздуха соединяется с газообразным водородом, и в результате получается аммиак:
N2+3H2 → 2NH3.
Для этой реакции не нужен электрический ток, но Norsk Hydro использовала электроэнергию для получения необходимого газообразного водорода путем электролиза воды[143].
Вскоре стало понятно, что этот процесс обогащает D2O и HDO воду, не превращенную в газы: поскольку Н легче D, реакция, производящая Н2, будет проходить быстрее, чем та, в результате которой получается D2[144]. В числе осознавших это был и Лейф Тронстад, молодой профессор неорганической химии из Норвежского технологического института в Тронхейме. Представьте себе, как имеющие меньший размер ионы Н+ быстро несутся к отрицательно заряженному катоду, где смогут поймать электрон и образовать газообразный водород, соединившись с другим шустрым ионом Н+; более крупные ионы D+ слегка отстают в этой гонке. Следовательно, атомы водорода будут удаляться из раствора быстрее, чем атомы дейтерия, и оставшаяся вода будет обогащена D2O и HDO.
Однако разница в скорости реакции все же мала, поэтому школьный эксперимент с водой, аккумулятором и одним-единственным сосудом не представлял бы для немцев почти никакой ценности. Тронстад и несколько других людей спроектировали процесс, где первичный раствор переходит во вторую ячейку для электролиза и вновь слегка обогащается – и так далее, и так далее. Этот так называемый каскадный процесс заканчивается в n-ной ячейке, в которой вы наконец получаете обогащенную тяжелую воду.
На этот процесс вы затратите огромное количество энергии. Вы не только подвергнете электролизу все молекулы Н2О, но также большое количество молекул HDO и D2O. Чтобы заниматься этим в промышленных масштабах, вам нужна огромная электростанция, а впервые заработавшая в 1911 году электростанция «Веморк» была тогда крупнейшей в мире. В электролизе используется постоянный ток (DC) – тот, что получают при помощи аккумулятора, в отличие от переменного тока (AC), который используется в бытовых электроприборах. Теоретически электроэнергию лучше транспортировать в виде постоянного тока, но в то время не все инженерные проблемы были решены, поэтому в 30–40-х годах крупному производству, занимающемуся электролизом, для работы требовалось находиться рядом с электростанцией.
Тронстад бежал в Лондон в 1941 году, и благодаря опыту службы в вооруженных силах и опыту научной работы его вскоре приняли на службу в находившееся в изгнании норвежское высшее командование. Поскольку он обладал глубокими познаниями по части производства тяжелой воды, которую в своих дневниках неизменно называл «сиропом», ему предстояло играть одну из главных ролей в различных операциях, известных под общим названием «диверсия на производстве тяжелой воды». Прежде чем покинуть службу, именно он отправил Реджинальду Джонсу первую важную телеграмму, касавшуюся тяжелой воды, а впоследствии сообщил еще некоторые крайне важные сведения, хоть и с условием, что никакая информация не будет передана Имперскому химическому тресту (ICI) – крупнейшему британскому химическому концерну, поскольку «кровь – не вода, пусть даже тяжелая»[145].
Рисунок 25. А – Херёйя, Норвегия, место расположения Norsk Hydro; В – Рьюкан, Норвегия; С – Эвимор, Великобритания, база УСО; D – Уик, Великобритания, база ВВС; Е – Хайгерлох, Германия, экспериментальный реактор.
Во время первой из военных акций, операции «Тетерев», четверых норвежцев из роты Линге в конце 1942 года успешно сбросили с парашютами на плато Хардангервидда для проведения рекогносцировки. Второй операции было суждено превратиться в трагедию.
Вечером 19 ноября 1942 года с авиабазы Скиттен Королевских ВВС неподалеку от Уика на северо-востоке Шотландии взлетели два бомбардировщика Halifax («Галифакс»); они вели за собой два планера, на борту которых находились 48 молодых, прошедших особую подготовку добровольцев из Королевских инженерных войск. Назад вернулся только один бомбардировщик, а большая часть операции «Незнакомец» пошла наперекосяк. Найти подходящую посадочную площадку оказалось невозможно, погода стояла плохая, один Halifax разбился, погубив семь членов экипажа, а планеры совершили трудную посадку вдали от цели, и при этом несколько солдат получили ранения.
Нацисты, которых быстро оповестили местные власти (у них в этом деле не было особого выбора, и поэтому не стоит судить их слишком строго), жестоко казнили всех выживших, поскольку под военной формой у них была гражданская одежда, из-за чего их сочли партизанами, а не находящимися на службе солдатами. По прошествии времени стало понятно, что эта операция была плохо спланирована. Выполнив задание, солдаты должны были перебраться через горы в Швецию, но они не умели ходить на лыжах и знали лишь несколько фраз на норвежском языке. Их командир, полковник Хенникер, был недоволен этим планом и, возможно, предчувствовал, что отправляет молодых людей почти на верную смерть