Почти с первых дней физики не сомневались, что работу можно вести двумя методами: либо чисто эмпирически, то есть использовать уран или его соединения в различных конструктивных конфигурациях совместно с различными замедляющими веществами и посмотреть, что из этого получится, либо положиться на руководящую роль теории. Первый путь имел свои достоинства и существенные недостатки: прежде всего сразу же требовались большие количества урана и других дефицитных веществ, а к тому же чистая эмпирика могла привести к крайне опасным последствиям. Второй метод, теоретический, требовал проведения весьма точных расчетов, которые указывали бы необходимые дальнейшие шаги. По, чтобы проводить такие расчеты, нужны исходные данные, которые можно получить только в эксперименте; к этим данным относились некоторые ядерные параметры, в частности эффективное сечение атомов различных веществ и зависимость величины этого сечения от скорости бомбардирующих нейтронов. Измерения таких параметров были исключительно тонким и кропотливым делом, а на их осуществление потребовалось бы очень много времени. Правда, тогда удалось бы обойтись очень незначительным количеством столь дефицитных веществ. Последнее обстоятельство в 1940 году оказалось решающим — запасы чистого графита, бериллия, чистой тяжелой воды в Германии были ничтожными.
В основном поэтому 1940 год явился годом сравнительно умеренного экспериментирования. В Лейпциге, Берлине, Гейдельберге, Вене и Гамбурге опыты были направлены главным образом на измерение ядерных констант наиболее подходящих веществ. В Гейдельберге Боте определял длину диффузии тепловых нейтронов в графите; в Лейпциге, ближе к концу лета, Гейзенберг и Дёппель — последний в сотрудничестве с женой — измеряли длину диффузии нейтронов в тяжелой воде, а осенью — в окиси урана. Пожалуй, самыми важными являлись опыты Боте, ведь графит был куда менее дефицитен, чем тяжелая вода. Боте установил, что если удастся получать более чистый и однородный графит, чем тот, которым ему пришлось пользоваться во время опытов, то графит можно было бы выбрать в качестве замедлителя. Лейпцигцы, обследовав тяжелую воду, убедились в ее несравненных качествах как замедлителя; качества эти оказались даже лучшими, чем считалось ранее, и это позволило прийти к выводу о возможности создания реактора на природном уране, если в нем замедлителем будет тяжелая вода.
Пока проводились измерения, в Берлине начали серию других исследований. Берлинцы, стремились выяснить влияние конструктивных параметров реактора на ход цепной реакции. Этим путем они хотели установить минимально необходимые количества урана и тяжелой воды. Теоретики из Физического института во главе с Вайцзеккером изучили несколько возможных конфигураций и пришли к выводу, что при послойном расположении, предложенном Хартеком, для создания реактора понадобится около двух тонн окиси урана и около полутонны тяжелой воды; воду и окись урана при этом следовало разделить на пять-шесть слоев, при высоте реактора от 70 до 90 сантиметров. Рассматривалась и другая конструкция реактора — сферическая, — в которой окись урана и тяжелая вода располагались бы концентрическими слоями. Практическое выполнение подобной конструкции было трудным делом. Зато цепная реакция в сферическом реакторе возникла бы при еще меньшем количестве исходных материалов: тогда считали, что хватит всего 320 литров тяжелой воды и 1,2 тонны окиси урана. Но и такое уменьшение размеров и количества исходных материалов еще не являлось предельным. По расчетам теоретиков, размеры реактора можно было бы еще уменьшить, окружив его графитовым рефлектором, отражающим обратно в реактор нейтроны, которые в противнем случае улетали бы наружу без всякой пользы.
В один из дней Боте, встретившись с Гейзенбергом, высказал подозрение относительно правильности некоторых теоретических положений, изложенных в декабрьском отчете военному министерству. Спустя пару месяцев Гейзенберг засел за детальное математическое описание того, что в предыдущей работе было сделано лишь приближенно. И вот тогда-то он, не имея на то никаких данных, почему-то решил, что как замедлитель чистый графит имеет куда худшие качества, чем считалось ранее, и забраковал его. Забраковал он и гелий, поскольку при использовании газа размеры реактора оказались бы чрезмерно большими. Это и привело к тому, что тяжелую воду стали считать единственным возможным замедлителем.
В январе 1940 года, казалось бы, все подтверждало возможность получения цепной реакции в природном уране при наличии достаточного количества тяжелой воды. 15 января Хартек в дружеском письме Гейзенбергу подчеркивал, что производство тяжелой воды ничуть не менее важно, чем производство урана: «Раз уж вся тяжесть проведения этих опытов обрушилась на плечи нас, несчастных экспериментаторов», — писал он, — «не могу ли я просить вас разузнать, кто — если вообще имеется кто-либо — в Германии занимается производством тяжелой воды?». И добавлял: «По собственному опыту я знаю наше военное министерство, и, если производство тяжелой воды оставить в его ведении, оно не справится с задачей и за несколько лет. Но я вполне уверен, что, взявшись за это дело и имея дельного сотрудника в нашей тяжелой промышленности, я смог бы оказаться у цели гораздо скорее».
Еще дней за десять до того, как Хартек написал письмо Гейзенбергу, у Дибнера состоялось совещание о производстве тяжелой воды. На нем присутствовали Гейзенберг, Виртц и лейпцигский физико-химик профессор Карл Фридрих Бонхоффер. Все они одинаково расценивали отношение военного министерства к производству тяжелой воды. Дибнер спросил Гейзенберга, стоит ли немедленно начинать в Германии строительство завода тяжелой воды. Гейзенберг осторожно ответил, что прежде он предпочел бы получить хотя бы самые первые экспериментальные данные о поглощении нейтронов тяжелой водой. Для этого ее потребуется незначительное количество, а сами опыты не займут много времени. Дибнер пообещал срочно получить из Норвегии десять литров Тяжелой воды. Гейзенберг ответил, что в таком случае они смогут доподлинно установить пригодность тяжелой воды и при положительном результате строительство завода станет необходимым. Однако в своем ответе Хартеку 18 января Гейзенберг высказался определеннее. Строительство завода он считал делом физико-химиков, поскольку это относится «к их епархии», а физикам, по его мнению, следовало заняться своим прямым делом — экспериментами по созданию реакторов на тяжелой воде.
В то время немецким физикам казалась весьма сомнительной возможность получения необходимых количеств тяжелой воды из Норвегии. И они искали другие пути обеспечения этой дефицитной жидкостью. Еще за несколько лет до войны Хартек и Суэсс пытались разработать процесс каталитического обмена для получения тяжелой воды. Но оставили работу, не доведя ее до конца, так как вступил в строй норвежский завод, который с лихвой удовлетворял все тогдашние потребности в тяжелой воде. Теперь положение стало иным, и 24 января Хартек написал в военное министерство, предложив пересмотреть отношение к процессу каталитического обмена, поскольку тяжелой воды потребуется очень много; ведь в расчетах Гейзенберга необходимое количество тяжелой воды в реакторе получилось примерно равным количеству урана, а это означало, что тяжелой воды будет нужно много тонн.
И если получать тяжелую воду из Норвегии окажется невозможным, единственным выходом станет строительство собственного электролизного завода на электроэнергии от тепловых станций. А тогда для изготовления одной тонны тяжелой воды потребуется сжигать сто тысяч тонн угля! Эта цифра ошеломила военных, но они стоически выдержали потрясение и лишь строго отчитали Хартека, вступившего без их ведома в прямой контакт с Гейзенбергом; они напомнили Хартеку, что «проект полностью засекречен и непосредственная передача сведений, с ним связанных, из одного института в другой в будущем строго воспрещается. В каждом случае переписка должка вестись только через Департамент армейского вооружения». Все же военные сочли возможным уведомить Хартека о решении январского совещания у Дибнера относительно строительства завода тяжелой воды.
По расчетам Хартека и Суэсса предлагаемый ими процесс помог бы значительно удешевить производство тяжелой воды. В принципе такой процесс несложен: через жидкость пропускается газообразный водород, и благодаря присутствию специального катализатора содержание дейтерия в жидкости становится в три раза большим, чем в газе. Хартек предложил построить опытную установку и попросил у военных разрешения привлечь к работе Бонхоффера. Военные не возражали, и вскоре Хартек повидался с Бонхоффером, рассказав о своих планах «пристройки» завода каталитического обмена к одному из действующих гидрогенизационных предприятий. В конце февраля Хартек получил от Бонхоффера письмо, в верхнем углу которого стояла пометка: «Уничтожить по прочтении»; Бонхоффер сообщал о своих переговорах с представителями аммиачного завода фирмы «ИГ Фарбениндустри», которые «целиком одобряли идею». И действительно, никаких принципиальных возражений не предвиделось, предприятие в Лейне было достаточно мощным, оно вырабатывало до 170 тысяч кубических метров водорода в час. Главное же было в том, «удастся ли найти подходящий катализатор?»
Не оставался без внимания и самый прямой путь обеспечения тяжелой водой. Германское правительство вступило в контакт с Норвежской гидроэлектрической компанией. Как впоследствии стало известно от норвежцев, завод в Рьюкане посетил представитель «ИГ Фарбениндустри», имевший финансовые связи с Норвежской гидроэлектрической компанией, и попытался уговорить норвежцев уступить Германии все запасы — сто восемьдесят пять килограммов тяжелой воды с концентрацией 99,6 и 99,9 процента. За это немцы сулили сделать еще больший заказ, они собирались ежемесячно получать по 100 килограммов, хотя фактическое производство в то время не превышало 10 килограммов тяжелой воды и месяц. Норвежцы, естественно, заинтересовались, зачем немцам понадобилось столько тяжелой воды, но прямого ответа не получили. В феврале 1940 года Норвежская гидроэлектрическая компания дала ответ: к ее глубочайшему сожалению, она не располагает возможностями удовлетворить немецкий заказ.