Метод Габер-Боша: як людство навчилося перетворювати азот з повітря в добрива
Джерело фото: Latifundist.com
Азот є одним із п'яти базових елементів для живлення рослин. Разом із калієм, фосфором, водою та сонячним світлом він забезпечує ріст та життєздатність рослин. У природному циклі рослини отримують азот від самих себе: вони ростуть, відмирають, а азот, який у них міститься, повертається у ґрунт, і в новому циклі все починається спочатку.
Якщо говорити про джунглі, ліси чи майданчики з дикоросами, то такий цикл повністю забезпечує рослини азотом. В умовах сільського господарства, коли є ціль — нагодувати населення планети, лише природного азоту недостатньо. Як тільки людство перейшло від збирання до вирощування сільськогосподарських культур, питання додаткового внесення добрив набуло актуальності.
Фермери шукали різні способи відновлення балансу азоту на своїх полях, щоб запобігти зниженню врожайності: спочатку — інтуїтивно використовуючи органічні рештки, потім — вже за підказками науки вносячи гній та компост. Згодом з’явилося розуміння ефективності певних рослин для насичення ґрунту азотом. Ці знання лягли в основу того, що ми сьогодні називаємо здатністю пов'язувати атмосферний азот і продукувати органічні азотовмісні сполуки.
Зі збільшенням населення планети та розвитком сільськогосподарського виробництва людство дедалі активніше працювало над пошуком способів отримувати більше добрив, зокрема азоту. Трохи більше ста років тому двоє німецьких хіміків такий спосіб знайшли. Фріц Габер (Fritz Haber) і Карл Бош (Carl Bosch) розробили метод перетворення азоту з повітря в добрива. Згодом він став відомим як процес Габера-Боша.
Хліб з повітря
Відомо, що на коренях бобових культур живуть бульбочкові бактерії, здатні пов'язувати атмосферний азот і продукувати органічні азотовмісні сполуки. Однак вже наприкінці XIX ст. використання лише гороху, квасолі, сої, сочевиці, нуту або машу в сівозміні було недостатньо для потрібного живлення сільськогосподарських культур. Перед Габером стояло завдання знайти спосіб, як додати більше азоту в ґрунт, щоб рослини росли краще.Варто зазначити, що сам метод відкрив Габер. Мотивований, зокрема, перспективою вигідного контракту з хімічною компанією BASF, він працював над пошуком методів, які допоможуть повністю покрити потреби рослин в азоті.
Відкритий ним метод перетворення азоту з повітря в добрива став вирішенням цього завдання. Однак лише після того, як інженер BASF Карл Бош зумів відтворити процес Габера в промислових масштабах. Згодом обидва отримали Нобелівські премії — Фріц Габер у 1918 р., а Бош — у 1931 році.
В історії чимало прикладів, коли задля збільшення продовольства людство розширювало площу оброблювальних земель. У певний момент це стало неможливим, бо, як колись сказав Марк Твен, землі більше не виробляють («Buy land, they're not making it anymore», — Mark Twain).
Габер та Бош запропонували альтернативу: замість збільшення обсягу оброблюваної землі виробляти азотні добрива. Тоді це було схоже на алхімію. «Brot aus Luft», як кажуть німці, або «хліб із повітря». З повітря та досить великої кількості викопного палива.
Процес Габера-Боша є, мабуть, найпоказовішим прикладом того, що економісти називають «технологічним переходом» — коли ми, здавалося б, досягли якоїсь фізичної межі, а потім знайшли обхідне рішення.
Читайте також: Гроші на посівну: як зекономити обігові кошти та отримати додатковий дохід
Як це працює
По-перше, потрібен природний газ як джерело водню — елемента, з яким азот зв'язується, утворюючи аміак. Далі для процесу потрібна енергія, щоб згенерувати надзвичайно високу температуру та тиск.
У березні 1909 р. Фріц Габер вперше отримав аміак при 600°С і 17,5 МПа, використовуючи як каталізатор порошкоподібний осмій. Він виявив, що за допомогою каталізатора необхідно розірвати зв'язки між атомами азоту повітря та змусити їх з'єднатися з воднем. Умови, які потрібно створити, можна порівняти із жаром дров'яної печі для піци з таким тиском, який можна відчути лише на глибині 2 км під водою.
Для створення подібних умов у масштабах, достатніх для виробництва 160 млн т аміаку на рік (більшість з яких використовується саме для добрив), процес Габера-Боша сьогодні споживає понад 1% усієї світової енергії. Викиди вуглекислого газу від спалювання копалин, очевидно, також колосальні.
Читайте також: Деградовані ґрунти, або Чому чверть земної поверхні непридатна для землеробства
Шкода для довкілля
Лише частина азоту, що міститься в добривах, потрапляє через сільськогосподарські культури в організм людини. За різними оцінками, не більше 15%. Велика ж його частина потрапляє у повітря та воду. І це проблема з кількох причин:
- по-перше, такі сполуки, як закис азоту, є потужними парниковими газами;
- по-друге, вони забруднюють питну воду;
- по-третє, провокують кислотні дощі, які підвищують кислотність ґрунту, порушують екосистеми та загрожують біорізноманіттю.
Графік NOAA Climate.gov показує, що загальна кількість вуглекислого газу в атмосфері (синя крива) зростала разом із збільшенням викидів від промислової діяльності (сіра крива) з початку промислової революції у 1750 році. Викиди повільно зростали, приблизно до 5 млрд т на рік до середини ХХ ст., перш ніж різко злетіти до більш ніж 35 млрд т на рік до кінця століття.
До того ж, коли азотні сполуки потрапляють у водне середовище, то руйнують його екосистему. У результаті виникають «мертві зони» у річках, озерах, морях тощо, де цвітіння водоростей біля поверхні блокує сонячне світло та вбиває рибу.
Справедливо зауважити, що процес Габера-Боша — не єдина причина цих проблем, але одна з основних, і вона нікуди не дінеться. За прогнозами, у наступні 100 років попит на добрива подвоїться. Вчені ж досі не до кінця розуміють довгостроковий вплив на навколишнє середовище перетворення такої великої кількості стабільного, інертного азоту з повітря в різні високореактивні хімічні сполуки.
Зростання чисельності населення
Сьогодні на Землі проживає понад 7,9 млрд людей, і їхня кількість продовжує зростати. Однією із причин цього є різке зростання врожайності. Якщо поглянути на графік нижче, то можна побачити, що чисельність населення у світі різко збільшилась якраз тоді, коли почали широко застосовувати добрива, вироблені завдяки процесу Габера-Боша.
Графік зростання чисельності населення від Світового банку показує, що за 60 років — з 1960 р. до 2020 р. — населення нашої планети виросло з 3 до понад 7,5 млрд людей.
Свій внесок зробило виведення нових сортів сільськогосподарських культур, зокрема пшениці та рису. Однак, якщо б сьогодні людство використовувало найкращі практики в сільському господарстві, доступні за часів Фріца Габера, то їжі вистачило б приблизно для 4 млрд людей, тобто лише для половини сьогоднішнього населення Землі.
У 1909 р., коли Фріц Габер гордо представляв свій винахід, він навряд чи уявляв, наскільки його робота змінить світ. Сьогодні на одній чаші терезів — продовольство для мільярдів людей, на іншій — криза сталості, для вирішення якої потрібно ще більше геніїв.
Сам Габер був доволі неоднозначною фігурою в історії, а наслідки його роботи виявилися не такими, як він очікував. Його Нобелівська премія викликала чималі суперечки, оскільки на той момент його вже вважали військовим злочинцем. Річ у тім, що Габер дуже хотів бути визнаним патріотом Німеччини. Для цього в молодості змінив віру з юдаїзму на християнство. Багато років працював над перетворенням хлору та інших отруйних речовин на зброю під час Першої Світової Війни. Допомагав Німеччині робити вибухівку з аміаку — не лише хліб, а й бомби з повітря. Через це його назвали «батьком хімічної зброї».
Однак, коли у 1930-х роках до влади прийшли нацисти, ніщо з цього не компенсувало його єврейського коріння. Фріц Габер втратив роботу і був вигнаний із країни. Він помер у швейцарському готелі нещасною людиною.
Наталія Кузьо, по матеріалам з відкритих джерел, Latifundist.com
