Том Стендейдж - Съедобная история человечества. Еда как она есть – от жертвоприношения до консервной банки

Однако даже после окончания боевых действий опасения в долгосрочной безопасности поставок сохранялись. По прогнозам 1903 г., поставки селитры должны были закончиться к 1938 г. Прогнозы оказались неверными – количества селитры, учитывая уровень ее потребления в то время, хватило бы еще на 300 лет, однако многие люди верили прогнозам. Кроме того, селитра была востребована не только как удобрение, но и как элемент взрывчатки, в которой реактивный азот был жизненно важным ингредиентом. Многие страны осознали, что их способность вести войны, а также прокормить свое население зависела от надежных поставок реактивного азота. Больше всего волновалась Германия. Она была крупнейшим импортером чилийской селитры в начале XX в., и география поставок делала ее уязвимой в случае военно-морской блокады. Так что именно в Германии гигантские усилия были направлены на поиски новых источников реактивного азота.

Одним из подходов было получение его из угля, содержащего небольшое количество азота, остающегося от биомассы, из которой он первоначально формируется. При нагреве угля в отсутствие кислорода азот освобождается в виде аммиака. Но в этом случае выход азота был очень небольшим и не стоил затраченных усилий. Другой подход – симулирование молнии и использование высокого напряжения для генерации искры, которая бы превращала азот в воздухе в более активную закись оксида азота. Все говорило в пользу этого варианта, однако процесс был очень энергоемким и поэтому зависел от наличия дешевой электроэнергии (например, там, где были избытки мощностей от гидроэлектростанций). Так что импортная чилийская селитра осталась основным источником азота в Германии. Британия была в аналогичной ситуации. Как и Германия, она была также крупным импортером нитратов и делала все возможное, чтобы извлечь аммиак из угля. Несмотря на усилия по увеличению сельскохозяйственного производства, обе страны опирались на импортную пшеницу.

В своей речи на ежегодной конференции Британской ассоциации по развитию науки, проходившей в 1898 г., английский химик и президент ассоциации Уильям Крукс подчеркнул очевидную актуальность проблемы. Прошло 100 лет после того, как Томас Мальтус предупреждал о том, что «цивилизованные народы подвергаются смертельной опасности оказаться без еды». С тех пор в условиях растущей зависимости Великобритании от импорта пшеницы не было найдено никакой альтернативы, кроме как найти способ увеличить урожайность. «Пшеница требует азота», – заявил Крукс. Но возможности для увеличения использования навоза или бобовых не было, а удобрений, полученных из угля, было недостаточно. Имея в виду чилийскую селитру, он заметил: «Мы тратим капитал Земли, и наши действия не будут одобрены потомками… Азота достаточно в воздухе – если бы только был найден способ, чтобы получить его».

«Фиксация азота имеет жизненно важное значение для прогресса цивилизованного человечества, – отметил Крукс. – Именно химики должны спасти всех, именно в лабораториях голод в конечном счете может быть побежден».

В 1904 г. Фрицу Габеру, тридцатипятилетнему химику-экспериментатору из Высшей технической школы в Карлсруэ, было предложено провести ряд исследований по заданию венской химической компании. Он должен был определить, может ли аммиак быть синтезирован из его составных элементов – водорода и азота. Результаты предыдущих экспериментов были неудачны, и многие думали, что прямой синтез невозможен. Габер и сам был настроен довольно скептически и ответил, что стандартным способом получения аммиака является его добыча из угля, и это самый простой подход. Но он все равно решил попробовать. Его первые эксперименты показали, что азот и водород действительно могут образовывать аммиак при высокой температуре (около 1000 °С, или 1832 °по Фаренгейту) в присутствии железа в качестве катализатора. Но доля образовавшегося аммиака была очень мала: между 0,005 и 0,0125 %. Поэтому Габер решил, что ответ на вопрос, возможен ли прямой синтез, положителен, но не имеет практического применения.

И все это так бы и оставалось, если бы не Вальтер Герман Нернст, другой немецкий физикохимик, профессор физической химии в Гёттингене. И хотя он был всего на четыре года старше Габера, Нернст уже был выдающимся ученым, внесшим важный вклад в науку. А кроме этого он изобрел новый вид лампочки на основе керамической нити и электрическое пианино со звукоснимателем в гитарном стиле, хотя ни одно из его изобретений не имело коммерческого успеха. Нернст наиболее известен тем, что в 1906 г. предложил «тепловую теорему» (теперь известную как третий закон термодинамики), которая принесла ему Нобелевскую премию по химии в 1920 г. Проблема была в том, что по прогнозу Нернста доля образовавшегося аммиака составляла 0,0045 %, что было ниже, чем получил Фриц Габер в лаборатории. То есть результат Габера не соответствовал оценке (расчету) Нернста, который и сообщил Габеру об этом несоответствии. Габер повторил свой эксперимент и получил более точный результат: на этот раз доля производимого аммиака составила 0,0048 %. Большинство людей сочли бы это приемлемым и близким значением к прогнозируемому показателю Нернста, но сам он так не считал. Когда Габер представил свои новые результаты на конференции в Гамбурге в 1907 г., Нернст публично оспорил их, предположив, что экспериментальный метод был ошибочным и призвал Габера отозвать как старый, так и новый результат.

Фриц Габер

Габер был очень огорчен этим публичным заявлением более опытного ученого и даже заболел. Он решил, что единственный способ восстановить репутацию – это выполнить новую серию экспериментов, чтобы доказать свою правоту. Во время этих экспериментов он и его помощник Роберт Ле Россиньоль обнаружили, что выход аммиака резко увеличивается, если проводить реакцию при более высоком давлении, но более низкой температуре, чем та, которую они задали в своем первом эксперименте. Они рассчитали, что повышение давления до 200 атмосфер и понижение температуры до 600 °С (1112 °по Фаренгейту) должны давать выход аммиака 8 %, а это уже было коммерчески оправданным. Спор с Нернстом показался тривиальным в сравнении с этими результатами и был быстро забыт, а Габер и Ле Россиньоль начали создавать новый аппарат, который, как они надеялись, сможет произвести нужное количество аммиака. В его центре была напорная труба высотой 75 сантиметров и диаметром 13 сантиметров в окружении насосов, манометров и конденсаторов. Габер усовершенствовал свой аппарат, а затем пригласил представителей химической компании BASF, которая к тому времени финансировала его работу.