Как устроен мир на самом деле. Наше прошлое, настоящее и будущее глазами ученого - Вацлав Смил

вызывают раздражение слизистой оболочки глаз, носа, рта, горла и легких, а очень высокая концентрация может привести к мгновенной смерти. В отличие от аммиака, аммоний (NH4+, ион аммония), образующийся при растворении аммиака в воде, нетоксичен и не способен проникать через клеточные мембраны.

Синтезировать такую простую молекулу оказалось на удивление сложно. История изобретений изобилует случайными открытиями, и в этой главе о материалах будет уместен пример тефлона. В 1938 г. химик компании Kinetic Chemicals Рой Планкетт и его ассистент Джек Ребок синтезировали тетрафторэтилен в качестве нового охлаждающего вещества. Вскоре выяснилось, что закачанный в баллоны тетрафторэтилен при охлаждении полимеризовался, превратившись в политетрафторэтилен, белый порошок, напоминающий парафин. После Второй мировой войны тефлон стал одним из самых популярных синтетических материалов и, возможно, единственным вошедшим в политический жаргон (у нас был «тефлоновый» президент[176], а «бакелитовых» не было — хотя «железная» леди все же была)[177].

Синтез аммиака из составляющих его веществ относится к противоположному классу открытий — лучшие специалисты шли к четко поставленной цели, пока она не была достигнута одним из упорных исследователей. В период с 1850 по 1900 г. население промышленно развитых стран Европы и Северной Америки выросло с 300 до 500 миллионов человек, и быстрая урбанизация способствовала изменению питания людей, когда скудный рацион, в котором преобладали зерновые, сменился более калорийным, содержащим больше продуктов животного происхождения и сахара[178]. Урожайность не увеличилась, но изменения в рационе опирались на беспрецедентный рост площади пахотных земель: с 1850 по 1900 г. около 200 миллионов гектаров лугов в Северной и Южной Америке, России и Австралии были превращены в поля[179].

Развивающаяся агрономическая наука указывала на то, что в XX в. единственный способ прокормить растущее население — повысить урожайность, увеличив насыщение почвы азотом и фосфором, двумя ключевыми макроэлементами, необходимыми для растений. Добыча фосфатов (сначала в Северной Каролине, а затем во Флориде) и их обработка кислотами открыли надежный способ обеспечения сельского хозяйства фосфорными удобрениями[180]. Но у человечества по-прежнему не было такого же надежного источника азота. Добыча гуано (разложившегося помета птиц с относительно высоким содержанием азота) на тропических островах быстро истощила самые богатые источники, а растущий импорт чилийских нитратов (в засушливых северных регионах страны имеются богатые месторождения азотнокислого натрия) не мог удовлетворить будущий мировой спрос[181].

Чтобы прокормить растущее население, человечество требовалось обеспечить достаточным количеством азота. Эту потребность ясно и понятно объяснил в 1898 г. физик и химик Уильям Крукс в своей речи на заседании Британской ассоциации содействия развитию науки, посвященном так называемому хлебному вопросу. Он предупреждал, что «над всеми цивилизованными странами нависла угроза голода», и предлагал выход: на помощь придет наука, превратив практически неисчерпаемые запасы азота в атмосфере (в виде инертной молекулы N 2) в соединения, которые усваиваются растениями. Он вполне обоснованно заключил, что эта задача «существенно отличается от других химических открытий, которые, если можно так выразиться, витают в воздухе, но еще не созрели. Связывание азота жизненно важно для прогресса цивилизованного человечества. Другие открытия направлены на наш интеллектуальный комфорт, роскошь или удобство; они делают нашу жизнь легче и богаче, экономят время, здоровье и нервы. Связывание азота — это вопрос не такого уж далекого будущего»[182].

Предвидение Крукса реализовалось всего через 10 лет после его доклада. Синтезом аммиака из составляющих его элементов, азота и водорода, занимались многие чрезвычайно квалифицированные химики (в том числе Вильгельм Оствальд, лауреат Нобелевской премии по химии за 1909 г.), но первым в 1908 г. успеха добился Фриц Габер — в то время профессор физической химии и электрохимии в Техническом университете Карлсруэ, — который работал вместе с помощником, англичанином Робертом Ле Россильолем, при поддержке компании BASF, крупнейшей в Германии (и в мире) химической корпорации[183]. В качестве катализатора (вещества, которое ускоряет течение химической реакции, но само в ней не участвует) он использовал железо, а сама реакция проходила под высоким давлением.

Не менее сложно оказалось развить успех эксперимента Габера до промышленных масштабов. Задача была решена всего за четыре года — под руководством Карла Боша, химика и металлурга, который пришел работать в BASF в 1899 г. Первый в мире завод по производству аммиака открылся в городе Оппау в сентябре 1913 г., и с тех пор мы используем термин «процесс Габера — Боша»[184].

Через год завод по производству аммиака в Оппау был перепрофилирован на выпуск нитратов для взрывчатых веществ, необходимых для немецкой армии. Новый, более мощный завод по производству аммиака начал работу в 1917 г. в Лойне, но и он не смог предотвратить поражение Германии в Первой мировой войне. Синтез аммиака расширялся, даже несмотря на экономический кризис 1930-х гг., и продолжился после Второй мировой войны, но в 1950 г. синтетический аммиак все еще использовался в гораздо меньших масштабах, чем навоз[185].

За два следующих десятилетия производство аммиака увеличилось в восемь раз, превысив 30 миллионов тонн в год, благодаря чему стала возможной «зеленая революция» (начавшаяся в 1960-х гг.) — внедрение новых сортов пшеницы и риса, которые при достаточном количестве азота дают беспрецедентно высокие урожаи. Ключевым новшеством, стоявшим за этими достижениями, было использование природного газа в качестве источника водорода, а также применение производительных центробежных компрессоров и более эффективных катализаторов[186].

Затем, как и во многих других сферах современного промышленного развития, пальма первенства перешла к постмаоистскому Китаю. Мао Цзэдун был виновником самого ужасного голода в истории страны (1958–1961), а после его смерти в 1976 г. снабжение продовольствием жителей Китая было ничуть не лучше, чем в 1949 г., когда он объявил о создании коммунистического государства[187]. Первой крупной торговой сделкой после визита президента Никсона в Китай в 1972 г. был заказ на 13 самых современных заводов по производству аммиака и мочевины у техасской фирмы M. W. Kellogg[188]. В 1984 г. в китайских городах были отменены карточки на продукты, а к 2000 г. производство продуктов питания на душу населения было уже больше, чем в Японии[189]. Это стало возможным после преодоления азотной преграды и повышения ежегодного сбора зерна до уровней, превышающих 650 миллионов тонн.

Тщательный подсчет потребления азота в сельском хозяйстве Китая показывает, что источником 60 % этого элемента, попадающего на поля страны, служит синтетический аммиак: таким образом, питание трех пятых населения Китая зависит от синтеза этого вещества[190]. В глобальном масштабе эта доля составляет 50 %. Такая зависимость дает нам основания назвать синтез Габера — Боша самым судьбоносным техническим достижением в истории. Другие изобретения, как справедливо заметил