Фриц Габер: он загубил миллионы и накормил миллиарды [Veritasium]
Вряд ли в истории Нобелевской премии найдется более важное открытие, чем то, за которое в 1919 году наградили Фрица Хабера. Ему удалось найти решение одной из сложнейших проблем человечества. На сегодняшний день жизнями ему обязаны четыре миллиарда человек. Однако многие коллеги решили не присутствовать на вручении премии немецкому ученому. Два лауреата того года в знак протеста отказались от наград, а в Нью-Йорк Таймс вышла не лестная статья: "Фриц Габер - ученый, работы которого принесли как огромную пользу, так и невероятное горе". Вряд ли кто-то еще единолично повлиял на становление современного мира настолько же сильно.
Если у вас есть американское гражданство и вам доведется открыть загаженный птицами островок, вы можете заявить, что эта территория - США, и американские власти вас поддержат. Президент имеет право отправить на защиту этого невероятного территориального приобретения армию и флот. Именно таким способом у США появились десять островов. Закон, допускающий такую практику, приняли в 1856 году, и с тех пор его так и не отменили.
В чем ценность покрытых птичьими экскрементами клочков суши? [музыка] Близ побережья Перу есть несколько десятков островов, куда в период размножения прилетают миллионы морских птиц. Местные воды полны рыбы, и птицы ее едят, а затем обильно покрывают острова пекарями толстым слоем. [музыка] В сухом жарком климате эта масса застывает и копится тысячелетиями. Только представьте: утесы из птичьего помета высотой по 30 метров. [музыка]
Экскременты птиц со временем превращаются в гуано, и в середине 19 века им активно торговали. Цена доходила до 76 долларов за фунт. Другими словами, четыре фунта гуано можно было обменять на фунт золота. Почему же птичий помет ценился так высоко? Ответ на этот вопрос, как ни странно, кроется внутри нас. Если оценивать по весу, в человеке больше всего кислорода, углерода и водорода. На четвертом месте в этом списке - азот.
Он входит в состав аминокислот, формирующих белки. Он есть в гемоглобине, который содержится в эритроцитах и переносит кислород. Он - главный компонент ДНК и РНК. Жизнь на земле была бы невозможна без азота. Мы получаем его из растительной пищи или мяса животных, которые едят растения, а растения получают азот из почвы. Если из года в год использовать для посадки один и тот же участок земли, азота в почве с каждым разом будет всё меньше, и в какой-то момент нормального урожая просто не получится.
Без возможности выработать достаточно хлорофилла для фотосинтеза растения ослабят, у них желтеют листья, их подкрашивают болезни и вредители, и что страшнее всего для фермеров - из-за нехватки азота падает урожайность. Чтобы это исправить, нужно насытить почву азотом. Вот здесь и пригодится птичий помет - в нем содержание азота достигает 20 процентов.
Сотни лет назад инки заметили, что если бросить в землю гуано, урожай получится богаче. Там, где раньше ничего не росло, появились поля, благодаря чему границы империи расширялись. Естественно, в других краях заметили, что Южная Америка богата запасами гуано. В 1865 году Испания пошла войной на свои бывшие колонии: Перу, Чили, Эквадор и Боливию только чтобы заполучить богатые удобрениями острова.
Но спрос на помет во всем мире оказался так высок, что к 1872 году его запасы начали иссякать, и на экспорт из Перу был наложен запрет. Миру пришлось искать другой способ добычи азота. Разразился кризис. Британский химик Уильям Крукс в 1898 году пророчил ужасно: "При росте населения сокращение запасов азота", - говорил он, - "мы оказываемся в смертельной опасности. Есть будет нечего". Круг считал, что пройдет меньше 30 лет, и люди по всему миру начнут погибать от голода.
Однако ученые предложили решение. На помощь должны прийти химики. Их руками в стенах лаборатории голод однажды сможет обратиться в изобилие. Смысл вот в чем: азот совсем не редкое вещество, его много. Воздух на 78 процентов состоит из азота, но в форме, которую растения и животные не могут употреблять.
По два атома с тройной связью - это одна из самых крепких химических связей в природе. Их силу измеряют в энергии, которую нужно затратить, чтобы их разорвать. Так, например, чтобы разделить два атома хлора, нужно два с половиной электрон-вольта, и два атома углерода - три и восемь электрон-вольт, а два атома кислорода - пять целых два. Чтобы разрушить связь между двумя атомами азота, понадобится аж девять целых восемь электрон-вольт. А это очень много.
Естественным образом это происходит в двух случаях. Во-первых, при ударе молнии выделяется так много энергии, что молекулы N2 распадаются на отдельные атомы азота, затем из них образуются оксиды азота, которые сохраняются в атмосфере, а потом, попав в облаке, выпадают с дождем. Еще разрывать друг от друга атомы азота умеют некоторые бактерии в почве, и у них на это тоже уходит много энергии. Благодаря им азот становится пригодным для растений, но бактерии пополняют запасы азота медленно, да и молний маловато, чтобы производить его в достаточных количествах. В общем, за дело взялись химики.
Георг Хильдебранд в 1811 году смешал азот с водородом в герметичном сосуде. Так он надеялся получить аммиак - один из компонентов гуано, в котором содержится азот. У него ничего не вышло. И тогда Хильдебранд поместил бутылку под давление и опустил ее в воду на глубину 300 метров. Это не сработало, но подход был верным. Следующие 100 лет ученые повторяли примерно то же самое, но все больше и больше усложняли эксперимент, всякий раз безуспешно.
Заинтересовавшись этой темой, в 1904 году приз Габер вступил на тропу, проложенную неудачами других химиков. В то время 36-летний Габер трудился на должности младшего научного сотрудника университета Карлсон. На тот момент у него был двухлетний сын Герман и жена Клара, одна из первых женщин, которым удалось получить научную степень в области химии. Гордый и желая обогнать своих коллег, Габер решил смешивать азот и водород не только под давлением, но еще и при высокой температуре и с катализатором - веществом, которое бы снизило количество энергии, необходимое, чтобы разделить двухатомную молекулу азота.
Установку для экспериментов ему пришлось изобретать самому. Габер работал без усталости, конструируя один за другим новые аппараты для более высоких температур и давлений. В чем-то ему повезло: Габер подрабатывал техническим консультантом на фабрике, где производили лампочки, и потому мог достать множество материалов, которые было довольно сложно найти, например, осмий. В те времена чистого осмия на весь мир было всего-то около ста килограммов.
В компании, где работал Габер, проводили эксперименты по использованию осмия в нитях накаливания, поэтому основной запас этого материала был у них. Габер решил, что осмий может послужить отличным катализатором и отнес немного к себе в лабораторию. На третьей неделе марта 1909 года ученый поместил усовершенствованную пластину в камеру, повысил в ней давление до 200 атмосфер и при этом нагрел азот и водород до 500 градусов Цельсия. В этих условиях связь между атомами азота разорвалась, и они начали реагировать с водородом. Вами ок превратилось в 6 процентов газовой смеси. Когда все остыло, из узкой трубочки в колбу накопал миллилитр аммиака.
Габер принялся бегать из одной лаборатории в другую! Это аммиак! Крупнейшая в Германии химическая компания BASF поставила открытие Габера на коммерческие рельсы. За четыре года они запустили завод в городе Опал, который производил 5 тонн аммиака в день. Пошли разговоры о том, что хлеб делают буквально из воздуха. Удобрение, которое начали производить в промышленных масштабах, позволило фермерам получать в четыре раза больше урожая, и в результате в четыре раза увеличилось население земли.
Не исключено, что и вы лично обязаны своей жизнью изобретению Габера. А сегодня на нашей планете людей на четыре миллиарда больше, чем было бы без этих удобрений. И около половины атомов азота у нас в организме - заслуга так называемого процесса Габера-Боша. На своем изобретении Фриц Габер разбогател и продвинулся по службе. Он стал директором Института физической химии и электрохимии кайзера Вильгельма в Берлине. Габер завел дружбу с лучшими учеными своего времени. Среди них Макс Планк, Макс Борн и Альберт Эйнштейн.
Эйнштейн даже как-то остался у него ночевать после расставания со своей первой женой в 1914 году. Но если Габера так высоко ценили, почему же коллеги не захотели разделить с ним радость получения Нобелевской премии? Ответ на это дают события Первой мировой войны. Габер почти сразу добровольцем поступил на службу. В отличие от Эйнштейна, для которого военные действия были неприемлемы, Габер отличался патриотизмом. Он хотел, чтобы все его знания служили родной стране. Всего через несколько месяцев с начала войны запасы пороха и взрывчатки в Германии уже заканчивались, а нитрат аммония - не только отличное удобрение, но еще и взрывчатое вещество.
Помните, что случилось в августе 2020 года? В Бейруте в порту загорелся склад, где находились почти три тысячи тонн нитратов. Из-за высокой температуры удобрения взорвались: взрыв, который было слышно с расстояния сотен километров, лишил жизни не меньше 217 человек. Еще тысячи пострадали. Письмо митры зафиксировало толчок, эквивалентный землетрясению в 3.3 бала. Это далеко не единственное происшествие, связанное со взрывоопасным удобрением. На заводе в Апоул, где впервые применялся процесс Габера-Боша, тоже прогремел взрыв еще в 1921 году. Виной всему - азот.
Мы уже знаем, что тройная связь между двумя атомами азота разрывается только при очень большом количестве энергии. Обратная сторона медали: когда два атома образуют эту связь, огромное количество энергии наоборот выделяется при взрывах пороха, тротила, нитроглицерина и нитрата аммония. Образуются двухатомные молекулы азота, и формирование тройных связей - главный источник энергии взрыва. Габер лоббировал перепрофилирование фабрик, на которых использовался открытый процесс, на производство взрывчатки вместо удобрений. Начальство считало, что сделать это невозможно. Однако Габер не сдавался, и вскоре его изобретение стало сердцем немецкой наступательной мощи.
Сначала хлеб из воздуха, теперь - бомбы. Однако Габер считал, что химия может еще более внушительно послужить войне. В декабре 1914 года он наблюдал испытание химического оружия и ничуть не впечатлился. Он решил, что справился бы с задачей лучше. Габер взялся за создание газа, способного убивать при низкой концентрации и более тяжелого, чем воздух. Тогда он будет оседать в окопах противника. Снаряды с химическим оружием хотя бы в теории запрещала Гаагская конвенция 1899 года, но на практике, когда разразилась война, разработками занимались и в Германии, и во Франции, и в Британии.
В своем крыле института Габер развернул лабораторию химического оружия и через несколько месяцев сосредоточил основные старания на хлоре. Сотрудник Отто Ган выражал сомнение по поводу нового оружия, но Габер отвечал ему, что если это позволит быстрее положить конец войне, будут спасены бесчисленные человеческие жизни. 22 апреля в 1800, когда ветер дул в сторону окопов их противников, германские войска взяли 5000 цилиндров с газом и распылили 168 тонн хлора. Поле боя заволокло ядовитым покровом. Хлор, который в два с половиной раза тяжелее воздуха, опускался в окопы, где сидели солдаты. Любой, кто делал глубокий вдох, погибал в муках. Хлор раздражает слизистые оболочки дыхательной системы, возникает отек, легкие наполняются жидкостью, солдаты буквально захлебывались.
На суше ходе первой атаки погибли более 5 тысяч солдат. Габера повысили до звания капитана, и спустя неделю он вернулся домой в Берлин. 1 мая у него дома была назначена вечеринка. После нее Фриц принял снотворное и отправился в кровать. Той ночью его жена Клара взяла его пистолет, вышла в сад и там выстрелила себе в грудь. Это услышал 12-летний сын Герман. Он выбежал из дома и увидел свою умирающую мать.
Наутро приз Габер сел на поезд и поехал в сторону восточного фронта, наблюдать за газовой атакой на российские войска. Есть мнение, что Клара покончила с собой из-за того, что ее муж слишком увлекся химическим оружием. Отчасти возможно, но наверняка мы этого не знаем. Никаких прямых свидетельств в пользу этой версии событий не сохранилось. Однако известно, что для Клары это был несчастливый брак. В 1910 году, через восемь лет после свадьбы, она писала: "Всего, чего добился Фритц за эти восемь лет и даже больше того, я лишилась, а все, что ждет впереди, наполняет меня только глубочайшей досадой".
После самоубийства супруги и до конца войны Габер заведовал институтом, занимался химическим оружием, противогазами и пестицидами. К 1917 году в институте работали полторы тысячи человек, 150 из них - ученых. Это был своего рода Манхэттенский проект, посвященный химическому оружию. В Первой мировой войне химическим оружием были убиты 100 тысяч солдат. Когда Германия капитулировала, Габер был в отчаянии. Деньги, которые принесли ему патенты на получение аммиака, сгорели из-за гиперинфляции. В попытках помочь Германии с выплатой умопомрачительных военных долгов он пробовал выделить золото из морской воды, но из этого ничего не вышло.
В 1933 году к власти пришли нацисты. Они приняли закон, по которому все евреи на госслужбе, включая ученых, подлежали увольнению. Габер - еврей по происхождению, в религию никогда не практиковал ее. Благодаря службе в армии закон на него не распространялся, однако Габер уволился из института в знак солидарности с учеными еврейского происхождения, которые там работали. На следующий год он умер от сердечной недостаточности в номере отеля в швейцарском базеле.
И кое-что напоследок. Сразу после окончания Первой мировой в институте Габера разработали инсектицид на основе цианида. Он почти ничем не пах, поэтому, чтобы люди сразу чувствовали опасность, в него добавили вещество с неприятным запахом. Полученный газ назвали Циклон-Б. Через 10 лет после смерти Габера нацисты отдали ученым распоряжение удалить пахучий компонент, и Циклон-Б, разработанный институтом Габера, стал активно применяться во времена холокоста.
Размышляя об этой истории, легко объявить Габера как злодеем, так и героем - изобретателем способа накормить полмира. А можно считать, что в общей картине он на самом-то деле не важен. Не он, так кто-то другой понял бы, как связывать атмосферный азот. Да и над химическим оружием корпела немало ученых за последние несколько веков. Наука и технологии невероятно улучшили нашу жизнь, они же предоставляют нам все больше и больше способов самоуничтожения.
Думаю, было бы здорово, если бы мы могли попросить ученых заниматься только тем, что принесет человечеству пользу. Но в действительности каждый новый кусочек знания - это обоюдоострый меч. Неизвестно, какие результаты даст исследование и как ими потом воспользуются. Нитрат аммония - это удобрение, и он же взрывчатое вещество. А значит, стоит задаться вопросом, как нам расширять знания и обретать все больше контроля над природой, но при этом не уничтожить самих себя и всё, что есть на планете.