Что скрывает атмосфера, или Как возник воздух…

Кин Сэм

Но дело в том, что одомашненные животные производят ограниченное количество экскрементов, и к началу XIX в. промышленно развитые страны вынуждены были расширять свои границы с целью удовлетворения потребностей в азоте. Великобритания эксплуатировала Индию, где бедные рабочие из низших каст месили навоз ногами, заготавливая его для отправки на экспорт. В других странах активно использовали гуано (птичий помет), собранное на разных островах. Торговля гуано в некоторых местах, в частности на островах Чинча у юго-западного побережья Перу*, стала настолько прибыльной, что из-за гор птичьего помета между странами Южной Америки развязалась настоящая война. Масштабное вовлечение США в колониальные процессы тоже было связано с потребностью в

гуано. В 1856 г. Конгресс принял Закон о гуано (или Закон о гуановых островах), позволявший любому гражданину США занимать любой ненаселенный остров в любой точке света, если на нем обнаруживались хоть какие-то запасы гуано. Этот закон обеспечил США легальное основание для притязаний на несколько десятков микроскопических островов в Карибском море и Тихом океане. По большей части это были богом забытые скалы, не имевшие никакой ценности, но некоторые, включая атоллы Джонстон и Мидуэй, оказались важными военными базами во время Второй мировой войны. Союзники, возможно, никогда не смогли бы одолеть Японию в Тихом океане, если бы за сто лет до этого США не охотились за гуано*.

А вот у Германии таких источников гуано не было. В отличие от своих соперников в Европе, Германия только недавно (когда Габер был ребенком) прекратила междоусобные войны и сделалась единым государством. В результате она не имела крупных колоний в Азии или Америке и владела лишь несколькими колониями с дешевыми источниками гуано. Проблема усугублялась еще и тем, что почва на территории страны была бедной и очень нуждалась в удобрениях. В начале XX в. Германия импортировала 900 000 т азотных удобрений в год.

Хотя немецкая почва была бедной, наверное, немецкая вода была какой-то особенной, поскольку здесь выросло множество научных гениев. В 1840-х гг. немецкие химики выдвинули идею создания искусственных азотных удобрений. Прошло несколько десятилетий, прежде чем люди начали воспринимать эту идею всерьез – ведь куда проще использовать дешевое южноамериканское гуано. Но в 1890-х гг. в производстве удобрений наметился кризис, поскольку запасы гуано на островах Чинча и в других местах начали подходить к концу. Казалось, спасти человечество от массового голода может только наука. И наша история вновь возвращается к Фрицу Габеру, в наивысшей степени наделенному как талантом, так и честолюбием.

После нанесенного Нернстом оскорбления Габер получил грант от немецкой химической компании BASF на оценку возможных технологий фиксации азота. Так, метод «молния в бутылке» заключался в соединении азота с кислородом за счет пропускания мощной электрической искры через емкость с воздухом. Однако Габер сосредоточился на старой идее о взаимодействии азота с водородом, отчасти по той причине, что смог найти к решению этой задачи новый подход, заключавшийся в применении высокого давления.

Газы активнее вступают в реакцию при повышении температуры или при повышении давления. На молекулярном уровне повышение температуры газа заставляет его молекулы двигаться с более высокой скоростью (на самом деле температура как раз и отражает скорость движения молекул). Чем выше скорость движения, тем легче молекулы расщепляются и воссоединяются, что способствует протеканию химических реакций.

Однако Габер знал, что повышение температуры приводит к разрушению аммиака, так что конечный выход продукта не увеличивается. Поэтому он сосредоточился на изменении давления. При повышении давления молекулы сближаются, и, следовательно, у них больше возможностей для взаимодействия и обмена атомами.

Для этого он изготовил кварцевые пробирки высотой 8 см, укрепленные железным каркасом. В таких пробирках за счет повышения давления реакцию можно было провести при температуре на несколько сотен градусов ниже и при этом повысить выход аммиака.

Некоторые химики уже пытались повышать давление

в смеси азота и водорода. Например, кто-то использовал для этой цели велосипедный насос. Но Габер предлагал нечто гораздо более серьезное – создать давление в сотни раз выше атмосферного, способное раздавить современную подводную лодку.

Кроме игр с температурой и давлением, Габер занялся еще и подбором катализатора. Катализатор ускоряет реакцию, но сам при этом не расходуется. Пример – платина в катализаторе автомобиля, где расщепляются вредные вещества. Габер знал, что два металла – марганец и никель – ускоряют взаимодействие между азотом и водородом, но, к сожалению, они работают только при температуре выше 700 ^oC, а при такой температуре начинается обратная реакция. Поэтому он занялся поиском других катализаторов, пропуская газы над десятками металлов. В конце концов он попробовал осмий, элемент под номером 76, который когда-то использовали для изготовления электрических лампочек. В присутствии осмия реакция шла при температуре «всего лишь» 500–600 ^oC, а при такой температуре аммиак расщепляется не так быстро.

При помощи уравнения своего врага Нернста Габер рассчитал, что использование осмия в защищенных металлическим каркасом емкостях позволит довести выход аммиака до 8 %, что было приемлемым результатом. Но, до того как продемонстрировать свою победу над Нернстом, он должен был проверить этот результат в лаборатории. И в июле 1909 г. – после нескольких лет мучений от болей в животе, бессонницы и унижений – Габер собрал на столе последовательную цепочку из нескольких кварцевых емкостей. Затем он открыл клапаны высокого давления, позволив азоту и водороду смешаться, и с волнением стал следить за выходным отверстием на противоположном конце установки.

Прошло некоторое время: даже в присутствии осмия связи между атомами в молекуле азота разрывались неохотно. Но в конце концов из форсунки начали вытекать молочно-белые капельки аммиака. От восторга Габер выскочил в коридор с криками: «Посмотрите! Идите посмотрите!» К концу эксперимента у него набралась аж четверть чайной ложки аммиака. А потом забил настоящий фонтан – по чашке аммиака каждые два часа.

Даже при таком скромном выходе BASF решила купить эту технологию и реализовать ее. Как это часто бывало при успешном завершении работы, Габер устроил грандиозную вечеринку. «Когда она закончилась, – вспоминал один из участников, – мы могли идти домой только по прямой, вдоль трамвайных рельсов».

Открытие Габера стало поворотной точкой в истории – столь же важной, как строительство первого ирригационного канала или отливка первого железного орудия. Как было сказано впоследствии, идея получения аммиака путем фиксации атмосферного азота позволила Габеру превратил воздух в хлеб.

Однако пока его успех был только теоретическим: он доказал, что из газообразного азота можно получить аммиак (и, следовательно, удобрения), но выход аммиака в его аппарате был таким, что его едва хватило бы для подкормки помидоров на одном огороде, что уж говорить об удовлетворении нужд всего немецкого народа. Масштабирование процесса Габера для производства тонн аммиака требовало иного гения – способного превратить интересную идею в реальный процесс. Большинство руководителей компании BASF не были гениями. В аммиаке они видели лишь еще одно вещество из списка, еще один возможный источник дохода. Однако руководитель нового отдела, занимавшегося производством аммиака, тридцатипятилетний инженер Карл Бош смотрел на вещи шире. Он считал аммиак важнейшим (в том числе с финансовой точки зрения) соединением нового столетия, способным в корне изменить мировое производство продуктов питания. Как и большинство важных идей, эта идея одновременно была и вдохновляющей, и опасной.