, 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 Уильям Крукс, связаны с комфортом, удобством, роскошью, богатством или производительностью, спасают нас от преждевременной смерти или хронических болезней, но без синтеза аммиака мы не могли бы обеспечить само существование большей части сегодняшнего и будущего населения планеты[191].
Спешу заметить, что 50 % населения, зависящего от аммиака, — это не постоянная величина. При нынешнем рационе и сельскохозяйственных методах синтетический азот кормит половину человечества — то есть при прочих равных условиях половина населения мира не выжила бы без синтетических азотных удобрений. Но эта доля могла бы уменьшиться, если бы богатые страны перешли преимущественно на растительную индийскую диету, или увеличиться, если бы весь мир питался так хорошо, как сегодня китайцы, не говоря уже о копировании пищевых привычек американцев[192]. Мы также можем уменьшить свою зависимость от азотных удобрений, сократив количество пищевых отходов (как было показано выше) и повысив эффективность применения удобрений.
Приблизительно 80 % мирового производства аммиака используется для выпуска удобрений; остальная часть служит сырьем для производства азотной кислоты, взрывчатых веществ, ракетного топлива, красок, синтетических волокон, моющих средств для окон и пола[193]. При соблюдении должных мер предосторожности и использовании специального оборудования аммиак можно вносить непосредственно в почву[194], однако это соединение используют в основном для производства твердых и жидких азотных удобрений. Среди них преобладает мочевина, твердое удобрение с наивысшим содержанием азота (46 %)[195]. В последнее время на нее приходилось около 55 % азота, вносимого на поля во всем мире, и она широко применяется для повышения урожая риса и пшеницы в Китае и Индии — двух странах с самым многочисленным населением, — а также гарантирует хорошие урожаи в пяти других странах Азии с общим населением более 100 миллионов человек[196].
В меньших количествах применяются такие азотные удобрения, как нитрат аммония, сульфат аммония, известково-аммиачная селитра, а также разные жидкие растворы. После того как азотные удобрения внесены в почву, практически невозможно проконтролировать их потери вследствие испарения (из соединений аммиака), вымывания (нитраты хорошо растворяются в воде) и денитрификации (биохимический процесс с участием бактерий, в результате которого азот возвращается в атмосферу в виде нейтральных молекул)[197].
В настоящее время известны только два эффективных способа уменьшить потери азота на полях: распылять дорогостоящие удобрения с медленным высвобождением азота и вносить удобрения только при необходимости, на основе анализа почвы