Store opdagelser: Fikseringen af luftens kvælstof

Hvad er den mest betydningsfulde opdagelse i det 20. århundrede? Man vil måske tænke på relativitetsteorien, opdagelsen af penicillin eller af DNA-molekylets struktur. Men disse har næppe haft samme betydning som en mindre kendt opdagelse fra starten af århundredet.

Dette er i det mindste, hvad der blev hævdet i en artikel fra 1999 i tidsskriftet Nature, som giver æren til de to tyske kemikere Fritz Haber (1868-1934) og Carl Bosch (1874-1940) for deres udvikling af en proces, hvorved luftens kvælstof (N₂) kan omdannes til ammoniak (NH3).

Når denne opdagelse – eller skal vi kalde den en opfindelse? – med nogen ret kan hævdes at være så betydningsfuld, at selv Einstein blegner ved sammenligningen, skyldes det ikke et gennembrud i videnskabelig erkendelse, men derimod de sociale, økonomiske og demografiske konsekvenser, 'opdagelsen' har haft og stadig har.

Haber-Bosch-processen førte nemlig til en storproduktion af kvælstofholdige gødninger, der har været af afgørende betydning for landbrugsproduktionen og dermed for den veritable befolkningseksplosion, vi har været vidner til de sidste 100 år: Klodens befolkningstal er gået fra cirka 1,7 milliarder i 1900 til cirka 7 milliarder mennesker i dag.

Chilesalpeter indeholder natriumnitrat og fosforforbindelser

I Nature kan vi læse, at havde det ikke været for Haber-Bosch-processen, ville vi ikke kunne brødføde verdens befolkning. Mellem to og tre milliarder mennesker ville ikke have været her.

Problemet om en hastigt voksende befolkning i forhold til høstudbyttet var velkendt i Europa omkring 1900, hvor agerbruget i stigende grad var afhængigt af naturlige kvælstofgødninger i form af især chilesalpeter.

Forekomsten af chilesalpeter, der som navnet antyder især findes i Chile, skyldes blandt andet havfugles ekskrementer (guano), som indeholder store mængder natriumnitrat (NaNO₃) og fosforforbindelser.

Der er også kvælstof i atmosfæren

Omkring 1900 blev 70 procent af verdensforbruget af kvælstofgødning dækket af chilesalpeter, mens det i dag er mindre end en procent.

Bekymringen for en udtømning af de sydamerikanske salpeterlejer førte til et behov for en teknisk løsning på et konkret problem, nemlig at 'fiksere' luftens kvælstof.

Der var jo kvælstof nok i atmosfæren (80 procent), og den var endda helt gratis, så hvis den kunne bindes i form af for eksempel nitrater, urinstof eller ammoniak, ville problemet være løst.

Ingeniører og kemikere forsøgte at industrialisere processen

Den engelske kemiker William Crookes (1832-1919) var blandt dem, der mente, at sultens spøgelse kunne undgås gennem fremskridt i de kemiske laboratorier.

»Før vi kommer i knaphedens virkelige greb, vil kemikeren gribe ind og udskyde hungersnødens dag til en fjern fremtid«, sagde han i et foredrag fra 1898.

Crookes ansporede sine kolleger til at finde metoder til at fiksere den atmosfæriske kvælstof og dermed sikre 'de civiliserede menneskeracers fremtidige velfærd og lykke'.

Der gik ikke lang tid, før kemikere og ingeniører var i gang med at udtænke industrielle processer til fremstilling af kvælstofgødninger.

Problemet var simpelt

Den vigtigste af disse processer til fremstilling af ammoniak blev især studeret af den tyske kemiker Fritz Haber, der var professor i fysisk kemi ved det tekniske universitet i Karlsruhe.

I 1908 indgik han et tæt samarbejde med industrikoncernen BASF (Badische Anilin- und Sodafabrikation), der var datidens største, rigeste og teknisk mest avancerede kemiske industri – og som den dag i dag er en storindustri med 120.000 ansatte.

Tilsyneladende var problemet simpelt, for det er vel bare at få brint og kvælstof til at reagere efter N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃, en proces der foregår under udvikling af varme.

Men det var alt andet end simpelt, blandt andet fordi der er tale om en dynamisk ligevægt, hvor den modsatte proces 2 NH₃ → N₂ + 3H₂ forløber samtidig med den førstnævnte.

Haber ville optimere forholdene for udbyttet

Forståelsen af den slags ligevægtsprocesser skyldtes blandt andet den franske kemiker Henri Le Châtelier (1850-1936), der havde givet regler for, hvordan de kunne forskydes ved at ændre på tryk- og temperaturforhold.

I 1900 undersøgte han, hvad der skulle til for at realisere ammoniakligevægten, men uden at komme til nogen brugbar konklusion. En sådan nåede man først, da hans kolleger i Tyskland overtog projektet.

I ammoniakligevægten må trykket være højt og temperaturen lav, men da vil også reaktionshastigheden være lav, og det resulterer i et lavt udbytte af ammoniak.

Habers problem var altså at optimere forholdene, så man fik et væsentligt udbytte, uden at dette ville kræve meget store omkostninger. Trods alt arbejdede man hen imod en kommerciel produktion.

Habers første eksperimenter var nu ikke lovende, idet de kun gav et udbytte på 0,01 procent ammoniak af brint-kvælstof-blandingen.

Der skulle indsættes en katalysator

Haber vidste, at han ud over temperatur og tryk også kunne påvirke processen med katalysatorer, der netop forøger reaktionshastigheden.

Ud fra laboratorieforsøg og teoretiske beregninger indså han, at ved et højtryk på næsten 200 atmosfære og en temperatur på 600 °C ville processen forløbe tilfredsstillende, hvis den blev tilsat en effektiv katalysator.

Efter stort besvær lykkedes det ham i 1909 at finde en egnet katalysator i form af det dyre og sjældne metal osmium, der øgede udbyttet til otte procent. Metallets høje pris var heldigvis ikke et stort problem, da en katalysator ikke forbruges i en kemisk proces.

Nu kunne den afgørende overgang fra laboratorieforsøg til pilotprojekt, og derfra til et egentligt produktionsanlæg, finde sted.

Brint og kvælstof var udgangsmaterialerne

Denne del af projektet skyldtes især kemikeren Carl Bosch, der i 1899 var blevet ansat hos BASF og som løste mange af de tekniske problemer, herunder den risikofyldte brug af meget højt tryk.

Da problemerne var ryddet af vejen, kunne BASF den 9. september 1913 fremstille det første syntetiske ammoniak i den tyske by Oppau, en forstad til Ludwigshafen, der husede verdens første ammoniakfabrik.

Udgangsmaterialerne var brint og kvælstof, og man udvandt brinten ved at lede vand over ophedet kul (hvorved H₂O reduceres til H₂), og kvælstoffet fik man især ved at brænde luftens ilt af over glødende kul.

Den indledende produktion var beskeden, omkring 20 tons ammoniak per dag.

Ammoniakfabrikatopn blev af stategisk betydning

Med udbruddet af 1. Verdenskrig i august 1914 fik hele produktionen af ammoniak et nyt perspektiv, idet den reelt blev en afgørende faktor i Tysklands militært-industrielle kompleks.

De allieredes flådeblokade afskar nemlig Tyskland fra den vitale import af chilesalpeter, og dette truede dels den hjemlige fødevareforsyning, dels produktionen af militære sprængstoffer, der alle var kvælstofforbindelser. Uden mad og krudt kunne tyskerne ikke føre krig.

Ammoniakfabrikationen blev i denne situation af strategisk betydning, hvilket førte den tyske generalstab til at indgå et nært samarbejde med landets kemikere og ingeniører.

Samarbejdet resulterede i 1917 i et nyt og gigantisk ammoniakværk i Leuna nær Leipzig med en årlig produktion svarende til cirka 150.000 tons kvælstof – mod cirka 7.300 tons få år tidligere.

Faderen til kemisk krigsførsel

Den videnskabeligt baserede Haber-Bosch-proces og dens omformning til en storindustri inden for BASF-koncernen var en stor succes både teknisk og militært.

Den forhindrede ganske vist ikke Tysklands nederlag, men var dog en vigtig årsag til, at landet kunne fortsætte krigen gennem fire år uden hungersnød og mangel på ammunition.

Skønt processen ikke var en militær teknologi, var den i militær henseende langt vigtigere end for eksempel de giftgasser, som Haber og andre tyske kemikere også producerede under krigen – og som også har gjort Haber kendt som faderen til kemisk krigsførelse.

Storproduktion af gødningsstoffer til landbruget gav Nobelpris

Det kan selvfølgelig diskuteres, om ammoniakprocessen også var en succes i menneskelig henseende. Den afværgede hungersnød i Tyskland, men ved at holde den tyske krigsmaskine intakt indtil efteråret 1918 resulterede den også i millioner af dødsfald.

Trods krigens katastrofale betydning besluttede nobelkomiteen i Stockholm sig for at tildele Haber Nobelprisen i 1918 for hans videnskabelige bidrag til en kemisk teknologi, der havde muliggjort storproduktion af gødningsstoffer til landbruget og dermed 'været til gavn for hele menneskeheden', som det blev udtrykt.

Haber blev højt dekoreret

Også Bosch blev tildelt Nobelprisen i kemi, men først i 1931, og da for sit pionerarbejde inden for højtrykskemi, der var en afgørende faktor i Haber-Bosch-processen.

Habers patriotiske indsats under krigen var af mindst lige så stor betydning som de tyske generalers, og han blev da også højt dekoreret. Men da Hitler kom til magten i 1933, hjalp hverken hans Nobelpris eller militære medaljer ham.

Han måtte forlade sin stilling i Berlin og døde året efter i eksil i Schweiz. Haber var jøde.

Der er sket en markant ændring i det globale forbrugsmønster

De verdenspolitiske konsekvenser af den industrielle produktion af syntetisk ammoniak skulle først for alvor vise sig efter 2. Verdenskrig, da produktionen af syntetisk fremstillede kvælstofgødninger eksploderede.

Mens den globale produktion i 1960 var omkring 10 millioner tons ren kvælstof per år, var den tyve år senere steget til omkring 70 millioner tons.

I dag er tallet i nærheden af 100 millioner tons, der produceres af en industri, som tegner sig for lidt mere end en procent af verdens samlede energiforbrug, hvilket er et enormt tal for en enkelt industrisektor. Samtidig kan vi iagttage en markant ændring i det globale forbrugsmønster.

En detonator for befolkningseksplosionen

Stadig i 1950erne forbrugte de rige og højt industrialiserede lande næsten al den syntetiske kvælstofgødning, men i dag forbruger udviklingslandene mere end 80 procent af den industrielt producerede kvælstofgødning.

Industrien baseret på Haber-Bosch-processen er med andre ord i dag en endnu mere afgørende faktor i verdens fødevareforsyning end under 1. Verdenskrig, og nu med sin vigtigste rolle i de tredjeverdenslande, der især tegner sig for befolkningsvæksten.

Opdagelsen af en teknik til at omdanne luftens kvælstof til gødningsstoffer er ikke uden grund blevet kaldt en detonator for befolkningseksplosionen.