В 1940 году была проведена серия экспериментов в Лейпциге, Берлине, Гейдельберге, Вене и Гамбурге. Ученые пытались определить значения констант для различных материалов, применяемых в ядерной реакции. В июне профессор Боте в Гейдельберге рассчитал рассеивание тепловых нейтронов в графите. Позднее профессора Гейзенберг и Допель (последнему помогала жена) вычислили это значение для тяжелой воды, а той же осенью были определены показатели для оксида урана. Возможно, работы Боте являлись наиболее значительными из перечисленных выше, поскольку углерод по сравнению с тяжелой водой, несомненно, является более распространенным материалом. Боте доказал, что углерод очень высокой степени очистки может быть использован в ядерной реакции в качестве замедлителя. В то же время физики из Лейпцига настаивали на применении в реакторе тяжелой воды, поскольку в этом случае они считали возможным использовать в качестве ядерного топлива природный уран. В некоторых других институтах и лабораториях достигли значительных успехов в определении критической массы и энергии, выделяемой в результате реакции деления ядра урана.
После того как стали более или менее ясными значения констант, ученые в Берлине приступили к изучению переменных, а также к разработке самого реактора. Физики-теоретики Института имени кайзера Вильгельма во главе с фон Вайцзеккером сделали необходимые расчеты и пришли к заключению, что загрузка многоуровневого реактора конструкции, предложенной Гартеком, составит около двух тонн оксида урана и примерно полтонны тяжелой воды. Эту массу предполагалось разместить в пять или шесть уровней в реакторе, высота которого составит от 70 до 90 сантиметров.
В качестве альтернативы был предложен вариант построения сферического многоуровневого реактора, в котором топливо и замедлитель располагались бы концентрическими уровнями; при этом общая загрузка составила бы всего 320 литров тяжелой воды на 1,2 тонны оксида урана. Однако было очевидным то, что второй вариант было бы более сложно воплотить с технической точки зрения. Кроме того, ученые рассчитали, что размещение вокруг реактора дополнительного отражающего углеродного слоя, который, отталкивая нейтроны, воспрепятствовал бы их утечке из реактора наружу, позволило бы еще более сократить размеры реактора. Примерно в это же время профессор Боте поделился с Гейзенбергом сомнениями относительно собственных выводов, сделанных в декабре 1939 года в докладе в военном ведомстве. И действительно, когда Гейзенберг через два месяца провел математический анализ доклада Боте, оба с сожалением пришли к заключению, что чистый графит не настолько эффективен в роли замедлителя ядерной реакции, как это казалось на первый взгляд. По тем же причинам немецкие ученые были склонны отказаться от гелия, так как в случае применения этого газа в качестве замедлителя недопустимо росли размеры реактора. Оказалось, что никакой другой материал не мог здесь конкурировать с тяжелой водой.
В январе 1940 года все пребывали в уверенности, что при наличии достаточного количества тяжелой воды цепную реакцию можно было инициировать, используя в качестве ядерного топлива природный уран. 15-го числа в дружеском письме профессору Гейзенбергу Гартек писал, что считает производство тяжелой воды не менее важной задачей, чем добыча урана. «Поскольку бремя этих экспериментов все равно упадет на плечи нам, бедным экспериментаторам, – вопрошал он, – хотелось бы знать, кто в Германии занимается производством тяжелой воды, и занимается ли этим кто-либо вообще?» Далее Гартек продолжает: «Исходя из моего собственного опыта совместной работы с военными, я считаю, что, если полагаться на них, для производства необходимого количества тяжелой воды нам потребуется несколько лет. В то же время я считаю, что, поручив выполнение этой задачи компетентным людям в нашей тяжелой промышленности, этот срок будет значительно сокращен».
За девять дней до этого в управлении доктора Дибнера в Берлине уже состоялось совещание по этому вопросу, на котором присутствовал профессор Гейзенберг, а также его коллеги – ученые физик Карл Вирц и химик Карл Фридрих Бонхоффер. Было видно, что проблема производства тяжелой воды поставила военных в тупик. Дибнер спросил мнение Гейзенберга о том, следует ли немедленно построить в Германии предприятие по производству тяжелой воды, на что профессор мудро заметил, что для начала он предпочел бы изучить процесс поглощения нейтронов, имея для экспериментов небольшое количество этого материала. Для его, Гейзенберга, исследований не потребуется более нескольких литров этой жидкости. Дибнер обещал немедленно закупить в Норвегии десять литров. Далее Гейзенберг продолжил, что строительство предприятия конечно же будет необходимо, однако руководить им должны ученые, физики и химики. Эти же слова он повторил 18 января в своем письме профессору Гартеку, посоветовав ему обязательно переговорить по поводу производства тяжелой воды с Бонхоффером. В то же время Гейзенберг был убежден, что первые эксперименты с использованием тяжелой воды были обязаны проделать именно физики.
Было маловероятным, что все потребности Германии в тяжелой воде будут удовлетворены за счет Норвегии. Ранее, несколько лет назад, профессор Гартек и доктор Суэсс работали над получением этой жидкости путем реакции каталитического обмена. Однако после вступления в эксплуатацию норвежского предприятия исследования были прекращены, поскольку в них уже не видели необходимости. 24 января Гартек написал письмо военному руководству, в котором предложил возобновить изучение процесса каталитического обмена. При этом он опирался на расчеты Гейзенберга, согласно которым расход в реакторе урана и тяжелой воды должен был быть примерно одинаковым, то есть требовались многие тонны и того и другого материала.
В случае, если норвежцы откажутся поставлять в Германию необходимое количество тяжелой воды, немцам придется получать ее путем электролиза. При этом производство одной тонны тяжелой воды будет сопряжено с расходом 100 тысяч тонн угля. Военное руководство было шокировано этими расчетами; в то же время Гартек получил от военных нагоняй за то, что осмелился действовать через их голову, обратившись напрямую к Гейзенбергу. Ему строго указали на то, что «ввиду особой секретности проекта впредь запрещается прямой обмен информацией между различными институтами. В случаях необходимости вся переписка должна вестись только через управление вооружений вермахта». Гартека проинформировали, что на совещании в начале января было принято решение о массовом производстве тяжелой воды на территории Германии.
Предложенный Гартеком и Суэссом процесс был намного дешевле электролиза. Он заключался в следующем: если пропускать обычный водород через воду в присутствии катализатора, происходила реакция, равновесие в которой наступало тогда, когда в жидкости образовывалось примерно в три раза больше атомов тяжелого водорода, чем в газе. Гартек предложил создать предприятие, на котором производство тяжелой воды основывалось бы на этом процессе. Он предложил обсудить эту идею с профессором Бонхоффером в Лейпциге. Военные согласились, и вскоре Гартек встретился с Бонхоффером, который также одобрил идею применения принципа каталитического обмена наряду с процессом гидрирования. В конце февраля в письме с пометкой «по прочтении уничтожить»
Бонхоффер писал Гартеку, что обсудил его предложение на предприятии «И.Г. Фарбен» по производству аммония в Мерсенбурге, где «все с восторгом восприняли эту идею». На предприятии производилось около шести миллионов кубических футов водорода в час. Сам же Бонхоффер по поводу предложения Гартека высказался так: «Любая идея выживает или умирает, в зависимости от того, кто будет ее катализатором».
