Če bi vas kdo vprašal, katera izmed človekovih iznajdb v 20. stoletju je najpomembnejša, verjetno ne bi prav dolgo razmišljali. Večina bi najprej pomislila na elektroniko, ki je omogočila razmah radia, televizije in računalnikov ter nam omogočila vstop v informacijsko dobo. Kdo drug bi izpostavil iznajdbo antibiotikov in drugih metod zdravljenja, ki so povzročile velikanski napredek v medicini. Malo verjetno pa je, da bi kdorkoli pomislil na kemični proces, ki ga je po dolgotrajnem trudu pred dobrimi sto leti iznašel danes že skorajda pozabljen nemški kemik judovskega rodu.

Kako ohraniti zemljo rodovitno

Reklama za gvano.

Eden izmed ključnih problemov človeštva konec 19. stoletja je bilo spoznanje, da naravne oblike gnojenja polj niso dovolj učinkovite, da bi lahko prehranjevale vedno večje število ljudi. Ko se zemlja na polju izčrpa, je treba namreč poskrbeti, da se ponovno napoji s snovmi, ki jih rastline potrebujejo za svojo rast. Žal naravnih virov gnojil, ki bi zemlji hitro povrnila rodovitnost, ni veliko. Gnojila so v 19. stoletju zato postala tako dragocena, da so z njimi trgovali kot z dragocenimi strateškimi surovinami. Gvano, nakopičene iztrebke netopirjev, morskih ptičev  in tjulnjev, so v Evropo tovorili celo z oddaljenih otokov Tihega oceana.

Prav takrat so znanstveniki tudi natančno raziskali in pojasnili kemično ozadje rodovitnosti zemlje. Za pomemben element, ki rastlinam v prsti hitro poide, a ga nujno potrebujejo za svojo rast, se je izkazal dušik. Tega je v naravi sicer zelo veliko, saj kar 78 odstotkov zraka sestavlja dušik, a je žal v obliki, ki je živim bitjem nedostopna. V zraku sta po dva atoma dušika medsebojno vezana z močno trojno vezjo, ki jo je izjemno težko razdreti, saj se razpusti zgolj pri zelo visokih temperaturah. V naravi pride do takšnih ekstremnih razmer le ob udaru strele in v podobnih ekstremnih okoliščinah.

Rastline lahko dušik asimilirajo le v obliki dušikovih in amonijakovih ionov, ko atomi dušika niso več vezani v pare, ampak z drugimi elementi, kot sta vodik in kisik. Vezava dušika je zato pomemben naravni proces, v katerem nekateri mikroorganizmi pretvarjajo atmosferski dušik v anorganske dušikove spojine. Po naravni poti lahko vezan dušik nastaja le s pomočjo nekaterih bakterij, ki živijo na koreninah stročnic, in ob udarih strel.

Gnojilo iz zraka

V začetku 20. stoletja je več kemikov poskušalo iznajti tehnologijo, ki bi omogočala pretvarjanje atmosferskega dušika v amonijak, kot imenujemo molekulo, v kateri so na atom dušika vezani še trije vodiki. Pri tem seveda ni šlo za znanstveno radovednost, ampak za reševanje zelo konkretnega problema, ki bi tistemu, ki bi ga uspešno rešil, poleg slave prinesel tudi veliko denarja. Kemična industrija si je namreč zelo prizadevala, da bi našla kak nov dobičkonosen proizvod, ki bi ga človeštvo nujno potrebovalo.

Težava pri poskusih proizvodnje amonijaka iz zraka je bila v tem, da so bile za razbitje vezi, s katerimi je dušik v zraku vezan v pare, potrebne zelo visoke temperature, hkrati pa nastali amonijak pri visokih temperaturah ni bil obstojen. Temperaturo reakcije je bilo treba zato znižati in tako omogočiti učinkovito odvajanje nastalega amonijaka.

Fritz Haber med študijem.

Eden izmed znanstvenikov, ki so si zelo prizadevali za to, da bi iznašli metodo za proizvodnjo amonijaka, je bil mlad in ambiciozen nemški kemik Fritz Haber. Po mnogih poskusih in neuspehih je leta 1905 o svojih dotedanjih dognanjih objavil znanstveno poročilo. Žal se je izkazalo, da se nekatere njegove meritve razlikujejo od spoznanj, do katerih je prišel njegov kolega, takrat že uveljavljen kemik Walther Nernst. Ta je o razlikah v njunih meritvah nameraval poročati na znanstvenem kongresu, o čemer je vnaprej obvestil tudi Haberja.

Haber se je seveda ustrašil, da bo izgubil ves ugled, če se bo izkazalo, da so njegove meritve napačne, zato se je vneto lotil novih poskusov. Hitro je ugotovil, da je Nernst svoje eksperimente izvajal pri višjem tlaku, kar je verjetno vplivalo na razliko pri produkciji amonijaka. S poskušanjem je ugotovil tudi, da lahko količino proizvedenega amonijaka bistveno poveča tako, da v reakcijo doda še nekatere katalizatorje. Žal pa se na kongresu znanstvenika nista mogla zediniti o tem, čigave meritve so pravilne. Po kongresu se je Haber zato še bolj poglobil v študij procesa in poleti 1909 mu je končno uspelo zgraditi napravo, ki je uspešno proizvajala amonijak.

V začetku julija 1909 so si napravo v njegovem laboratoriju na univerzi v Karlsruheju ogledali tudi inženirji podjetja BASF, s katerim je imel Haber pogodbo o sodelovanju. Kar so videli, jih je prepričalo v to, da lahko začnejo s postopkom pretvorbe laboratorijskega modela na industrijsko velikost, čeprav je vodilne v tovarni še vedno skrbelo, kako bodo lahko zadostili pogoju, da morajo biti plini med postopkom pod več kot stokrat višjim tlakom od tistega, ki je običajen tlak zraka na zemeljskem površju. Prav visok tlak je namreč skupaj s posameznimi katalizatorji omogočil dovolj veliko znižanje temperature procesa, da je proizvodnja amonijaka lahko učinkovito tekla.

Zaradi zahtevnosti procesa je bilo potrebnih še kar nekaj let napornega in iznajdljivega dela inženirjev, da je septembra 1913 prva kemična tovarna začela proizvajati amonijak po Haberjevem postopku. Še danes s to tehnologijo po vsem svetu proizvedejo več kot sto milijonov ton amonijaka na leto in ga kar štiri petine porabijo za umetna gnojila. V proizvodnem procesu se porabi tudi zelo veliko energije. Za izdelavo amonijaka gre nekje od 3 in 5  odstotkov svetovne proizvodnje naravnega plina oziroma od 1 in 2  odstotka celotne svetovne porabe energije.

Znanstvenik postane vojni zločinec

Fritz Haber v laboratoriju.

Po svojem velikem odkritju je Fritz Haber sprejel mesto vodje novega državnega znanstvenega inštituta v Berlinu. Žal pa je kmalu za tem izbruhnila prva svetovna vojna, v kateri se je Haber želel izkazati kot patriot, zato je začel razvijati tudi vojaško tehnologijo. Dušikove spojine namreč niso le hrana za rastline, ampak tudi surovina, iz katere se proizvajajo eksplozivi. Po nekaterih ocenah naj bi prav proizvodnja umetnega amonijaka občutno podaljšala prvo svetovno vojno, saj naj bi Nemcem sicer že prej zmanjkalo eksploziva in se ne bi mogli več bojevati.

Vendar Haber ni razvijal le metod, kako iz zraka izdelovati eksplozive, ampak je poskušal iznajti tudi učinkovito kemično orožje. Bil je celo tako zagnan, da 22. aprila 1915 osebno nadzoroval prvi preizkus kemičnega orožja na fronti v Belgiji. Več tisoč jeklenk s smrtonosnim plinom so takrat postavili po frontni črti in jih v koordinirani akciji odprli, tako da je nastal velik rumeno-siv oblak, ki ga je veter počasi nesel na drugo stran fronte, kjer je sejal smrt in povzročil paniko.

Clara Immerwahr

Haberju se je zdelo, da je bil test novega orožja izjemno uspešen, zato je takoj po vrnitvi v Berlin na svojem domu organiziral zabavo. A njegova žena Clara Immerwahr, ki je bila tudi znanstvenica, moževega navdušenja nad kemičnim bojevanjem nikakor ni mogla sprejeti. Bila je prva ženska, ki je v Nemčiji doktorirala iz kemije, za kar se je morala še posebej truditi. Ker kot ženska ni mogla obiskovati rednega študija, se je morala z vsakim profesorjem posebej dogovoriti, da je lahko kot gostja poslušala njegova predavanja in pisala izpite. Vseeno je doktorirala z odliko in se nadejala, da bo lahko nadaljevala delo kot raziskovalka.

Vendar takratna patriarhalna družba na poročene ženske z otroki, ki bi delovale kot znanstvenice, še ni bila pripravljena. Ker je tudi mož pri prizadevanjih, da bi delovala kot raziskovalka, ni podpiral, je postajala vse bolj depresivna. Preizkus kemičnega orožja na fronti jo je še dodatno prizadel, zato je ponoči, ko so gosti odšli, odšla na vrt in se ustrelila z moževo pištolo. Še živo jo je našel sin, vendar je kmalu za tem umrla.

Žal pa niti ženin samomor Haberja ni omajal v namerah, da še naprej razvija nova orožja. Že kmalu po ženini smrti je odšel na rusko fronto, kjer so ponovno preizkusili kemično orožje. Naslednja leta je na svojem inštitutu razvil še nekaj zelo strupenih plinov. Med njimi tudi Zyklon A, ki naj bi ga uporabljali kot pesticid, a so ga nacisti kasneje preoblikovali v strašljivi Zyklon B, s katerim so pobijali zapornike v plinskih celicah uničevalnih taborišč med holokavstom. Ko so Haberju leta 1918 podelili Nobelovo nagrado za kemijo, se je pojavilo kar veliko kritik, da gre nagrada v roke vojnemu zločincu.

Fritz Haber (z iztegnjeno roko) na fronti med preizkušanjem kemičnega orožja.

A Haber je bil takrat še vedno zaveden nemški patriot. V obdobju po prvi svetovni vojni se je podal v še eno nenavadno raziskovalno pustolovščino. Poskušal je ugotoviti, kako bi lahko kar sam poplačal ogromno odškodnino, ki jo je morala Nemčija izplačati kot poraženka v vojni. Ker je v morski vodi raztopljenega kar nekaj zlata, je poskušal najti način, da bi zlato pridobival kar iz morja. Kljub dolgoletnemu trudu pa mu ni uspelo odkriti metode, ki bi na ta način proizvajala dobiček.

Po vzponu Hitlerja in nacistov je moral, podobno kot drugi Judi, ki jih je bilo med nemškimi znanstveniki veliko, Nemčijo zapustiti. Kmalu zatem se mu je zdravje močno poslabšalo. Umrl je v enem izmed hotelov v Švici, potem ko je sprejel povabilo, da prevzame vodenje znanstvenega inštituta v Palestini.

Danes postopek pridobivanja amonijaka iz zraka poznamo pod imenom Haber-Boschev proces, saj je izvorno Haberjevo idejo za industrijsko uporabo predelal in izpopolnil inženir v tovarni BASF Carl Bosch, za kar je leta 1931 prav tako prejel Nobelovo nagrado. Po različnih ocenah bi brez umetnih dušikovih gnojil, ki jih že sto let proizvajajo po tem procesu, na svetu lahko živelo največ štiri milijarde ljudi. To pomeni, da kar polovica človeštva danes obstaja zgolj zaradi Haber-Boschevega procesa.

Dodatne informacije, interpretacije in viri: