Тим Харфорд - 50 изобретений

Речь идет о процессе Габера — Боша, использовании азота из воздуха для производства аммиака, из которого затем можно получать удобрения. Растениям нужен азот; наряду с калием, фосфором, водой и солнечным светом это один из базовых факторов их роста. В природе после смерти растений содержащийся в них азот возвращается в почву и используется новыми растениями. Сельское хозяйство нарушает этот цикл: растения собирают и поедают.

С первых дней развития сельского хозяйства фермеры придумывали различные способы предотвращения падения урожайности путем возвращения азота на поля. Азот содержится в навозе и в компосте. В корнях бобовых живут бактерии, которые восполняют запасы азота в почве, поэтому полезно включать в севооборот горох и фасоль [445]. Но этими методиками сложно в полной мере удовлетворить потребность растений в азоте; просто добавьте больше, и рост улучшится.

Химики открыли этот факт лишь в XIX веке. Тогда же они выяснили, что, по иронии, азот составляет целых 78 процентов воздуха, но в этой форме растения его использовать не могут. Находящийся в воздухе азот содержит два тесно связанных друг с другом атома, а растениям нужны атомы в соединении с каким-нибудь другим элементом, например в виде оксалата аммония, который содержится в гуано — птичьем помете, или в виде нитрата калия, также известного как селитра (это основной ингредиент пороха). Запасы гуано и селитры были найдены в Южной Америке. Там эти вещества добывали, развозили по миру и закапывали в почву. Но к концу века специалисты начали задумываться, что произойдет после того, как эти резервы окажутся исчерпанными. Вот если бы удалось преобразовать азот из воздуха в доступную растениям форму!

Как это сделать, придумал Фриц Габер. Отчасти им руководило любопытство, отчасти патриотизм, который позже привел его к идее химического оружия, а отчасти обещание выгодного контракта с химической компанией BASF. Инженер этой корпорации Карл Бош сумел воспроизвести процесс Габера в промышленном масштабе. Позднее оба получили Нобелевскую премию. В отношении Габера это решение было неоднозначным, так как тогда многие считали его военным преступником.

Процесс Габера — Боша, наверное, самый значительный пример того, что экономисты называют технологическим замещением. Когда кажется, что человечество достигло какой-то базовой физической границы, находится обходной путь. На протяжении большей части истории человечества, чтобы прокормить больше людей, требовалось больше земли для увеличения количества пищи. Но, как однажды пошутил Марк Твен, проблема с землей заключается в том, что ее перестали производить. Процесс Габера — Боша предложил решение: вместо земли надо производить азотные удобрения. Это напоминало алхимию. Как говорят немцы, brot aus luft , или хлеб из воздуха. Точнее, «хлеб» из воздуха и довольно большого количества ископаемого топлива.

Прежде всего, нужен природный газ в качестве источника водорода, с которым азот связывается, образуя аммиак. Еще нужна энергия для создания крайне высокой температуры и давления. Габер открыл, что все это, да еще катализатор, необходимо, чтобы разорвать связи в атомах содержащегося в воздухе азота и «убедить» их связаться с водородом. Представьте жар как в печи для пиццы и давление как на двухкилометровой морской глубине. Для того чтобы создать такие условия в масштабе, достаточном для производства 160 миллионов тонн аммиака в год, большинство из которого идет на удобрения, процесс Габера — Боша сегодня поглощает более 1 процента всей энергии в мире [446]. Это очень большие выбросы углекислого газа, и проблема далеко не только экологическая. Лишь часть азота — вероятно, всего 15 процентов [447] — попадает из удобрений через урожай в желудки людей. Б о льшая часть оказывается в воздухе или воде, что плохо по целому ряду причин. Такие соединения, как оксид азота, — мощные парниковые газы. Они загрязняют питьевую воду. Они вызывают кислотные дожди, которые закисляют почвы, выводя из равновесия экосистемы и угрожая биоразнообразию. Когда соединения азота попадают в реки, они стимулируют рост определенных организмов. В результате, например, в океане появляются «мертвые зоны», где цветущие у поверхности водоросли блокируют солнечный свет и убивают рыбу на глубине [448].

Процесс Габера — Боша — не единственная, но важная причина этих проблем, и от этого никуда не деться: по прогнозам, спрос на удобрения в грядущем столетии удвоится [449]. Ученые все еще не понимают в полной мере, как превращение такого количества стабильного, инертного азота из воздуха в различные высокореактивные химические соединения повлияет на окружающую среду в долгосрочной перспективе. Мы живем в условиях глобального эксперимента [450].

Один из его результатов уже очевиден: много еды для очень большого количества людей. Если посмотреть на график роста населения планеты, видно, как оно увеличилось именно тогда, когда начали широко применять удобрения Габера — Боша. Но это не единственная причина резкого роста урожаев: свою роль сыграли и новые сорта растений, например пшеницы и риса. Тем не менее, даже если представить, что во времена Фрица Габера были доступны лучшие методы ведения сельского хозяйства, Земля могла бы прокормить примерно четыре миллиарда человек [451]. В настоящее время население насчитывает около семи с половиной миллиардов, и, хотя темпы роста замедлились, он не прекращается.

Когда в 1909 году Фриц с триумфом продемонстрировал свой аммиачный процесс, Клара задумалась, стоят ли плоды гения мужа ее собственной жертвы. «То, чего Фриц достиг за эти восемь лет, — печально писала она подруге, — потеряла я» [452]. Она едва ли могла себе представить, к каким глобальным переменам приведет его работа: в одной колонке — пища для миллиардов новых человеческих душ, в другой — огромный дисбаланс, для решения которого потребуется еще больший гений.

Сам Габер ожидал совсем других последствий от своей работы. В молодости он перешел из иудаизма в христианство, и ему до боли хотелось, чтобы его признали немецким патриотом, каким он сам себя считал. Помимо применения хлора как химического оружия, Германии в Первой мировой войне помог и процесс Габера — Боша. Из аммиака можно делать не только удобрения, но и взрывчатые вещества. Из воздуха получается не только хлеб, но и бомбы. Однако когда в 1930-х годах к власти пришли нацисты, никакие заслуги не смогли перевесить еврейского происхождения. Лишенный работы и изгнанный из страны, Габер умер сломленным в швейцарской гостинице.

Кениец Самсон Камау сидел дома в Рифт-Валли и размышлял, когда можно будет вернуться к работе. Ему следовало быть в теплице на берегах озера Найваша и, как обычно, упаковывать розы для экспорта в Европу, но грузовые самолеты были прикованы к земле из-за того, что исландский вулкан Эйяфьядлайекюдль, не посоветовавшись с Самсоном, выбросил в атмосферу облако опасного пепла.