Для этого он изготовил кварцевые пробирки высотой 8 см, укрепленные железным каркасом. В таких пробирках за счет повышения давления реакцию можно было провести при температуре на несколько сотен градусов ниже и при этом повысить выход аммиака.
Некоторые химики уже пытались повышать давление в смеси азота и водорода. Например, кто-то использовал для этой цели велосипедный насос. Но Габер предлагал нечто гораздо более серьезное – создать давление в сотни раз выше атмосферного, способное раздавить современную подводную лодку.
Кроме игр с температурой и давлением, Габер занялся еще и подбором катализатора. Катализатор ускоряет реакцию, но сам при этом не расходуется. Пример – платина в катализаторе автомобиля, где расщепляются вредные вещества. Габер знал, что два металла – марганец и никель – ускоряют взаимодействие между азотом и водородом, но, к сожалению, они работают только при температуре выше 700 oC, а при такой температуре начинается обратная реакция. Поэтому он занялся поиском других катализаторов, пропуская газы над десятками металлов. В конце концов он попробовал осмий, элемент под номером 76, который когда-то использовали для изготовления электрических лампочек. В присутствии осмия реакция шла при температуре «всего лишь» 500–600 oC, а при такой температуре аммиак расщепляется не так быстро.
При помощи уравнения своего врага Нернста Габер рассчитал, что использование осмия в защищенных металлическим каркасом емкостях позволит довести выход аммиака до 8 %, что было приемлемым результатом. Но, до того как продемонстрировать свою победу над Нернстом, он должен был проверить этот результат в лаборатории. И в июле 1909 г. – после нескольких лет мучений от болей в животе, бессонницы и унижений – Габер собрал на столе последовательную цепочку из нескольких кварцевых емкостей. Затем он открыл клапаны высокого давления, позволив азоту и водороду смешаться, и с волнением стал следить за выходным отверстием на противоположном конце установки.
Прошло некоторое время: даже в присутствии осмия связи между атомами в молекуле азота разрывались неохотно. Но в конце концов из форсунки начали вытекать молочно-белые капельки аммиака. От восторга Габер выскочил в коридор с криками: «Посмотрите! Идите посмотрите!» К концу эксперимента у него набралась аж четверть чайной ложки аммиака. А потом забил настоящий фонтан – по чашке аммиака каждые два часа.
Даже при таком скромном выходе BASF решила купить эту технологию и реализовать ее. Как это часто бывало при успешном завершении работы, Габер устроил грандиозную вечеринку. «Когда она закончилась, – вспоминал один из участников, – мы могли идти домой только по прямой, вдоль трамвайных рельсов».
Открытие Габера стало поворотной точкой в истории – столь же важной, как строительство первого ирригационного канала или отливка первого железного орудия. Как было сказано впоследствии, идея получения аммиака путем фиксации атмосферного азота позволила Габеру превратил воздух в хлеб.
Однако пока его успех был только теоретическим: он доказал, что из газообразного азота можно получить аммиак (и, следовательно, удобрения), но выход аммиака в его аппарате был таким, что его едва хватило бы для подкормки помидоров на одном огороде, что уж говорить об удовлетворении нужд всего немецкого народа. Масштабирование процесса Габера для производства тонн аммиака требовало иного гения – способного превратить интересную идею в реальный процесс. Большинство руководителей компании BASF не были гениями. В аммиаке они видели лишь еще одно вещество из списка, еще один возможный источник дохода. Однако руководитель нового отдела, занимавшегося производством аммиака, тридцатипятилетний инженер Карл Бош смотрел на вещи шире. Он считал аммиак важнейшим (в том числе с финансовой точки зрения) соединением нового столетия, способным в корне изменить мировое производство продуктов питания. Как и большинство важных идей, эта идея одновременно была и вдохновляющей, и опасной.
Бош решил разобраться с каждой из множества проблем в производстве аммиака по отдельности. Одна из проблем заключалась в получении чистого азота, поскольку в воздухе, кроме азота, содержится также кислород и другие примеси. Бош обратился за помощью в неожиданное место – в пивоваренную компанию «Гиннесс». За 15 лет до этого в «Гиннессе» создали самый мощный в мире холодильник, в котором удавалось получить даже жидкий воздух (если охладить газы в составе воздуха достаточно сильно, как и все другие вещества, они перейдут в жидкое состояние). Но в данном случае Боша больше интересовал обратный процесс – кипячение сжиженного воздуха. Жидкий воздух представляет собой смесь многих веществ, и все они кипят при разной температуре. Жидкий азот кипит при температуре –196 oС. Поэтому Бошу требовалось получить какое-то количество жидкого воздуха с помощью названного холодильника, потом под давлением нагреть его и собрать пары азота. Теперь каждый раз, когда увидите мешок с удобрениями, вспоминайте компанию «Гиннесс».
Традиционная наука всегда существовала за счет отдельных специалистов или небольших исследовательских групп, в которых каждый участник вносил конкретный вклад в общее дело.
Кроме внедрения новых технологических приемов, Бош также помогал внедрять и новые методы научного поиска. Традиционная наука всегда существовала за счет отдельных специалистов или небольших исследовательских групп, в которых каждый участник вносил конкретный вклад в общее дело. Бош применил конвейерный метод, параллельно решая десятки мелких задач, как будет сделано через 30 лет в рамках Манхэттенского проекта. Опять-таки, как и при реализации Манхэттенского проекта, он удивительно быстро получил результаты – и в таком масштабе, который большинству ученых казался попросту невозможным. Всего через несколько лет после получения Габером первых капель аммиака BAFS построила вблизи города Оппау один из крупнейших в мире химических заводов. По территории завода проходило несколько километров труб и проводов, а установки для получения сжиженных газов были размером с небольшой дом. Один железнодорожный узел обеспечивал завод сырьем, а через другой осуществлялась транспортировка 10 000 рабочих. Но самым удивительным было то, что завод работал и производил аммиак практически с той же скоростью, которую предсказывал Бош. За несколько лет объем выпуска аммиака увеличился вдвое, потом еще вдвое. А доходы росли еще быстрее.
Несмотря на несомненный успех, в середине 1910-х гг. Бош счел необходимым дополнительно расширить производство и подтолкнул BASF к строительству нового, более крупного и необычного завода, на сей раз вблизи города Лойна. Еще больше стальных чанов, еще больше рабочих, еще больше километров труб и проводов и еще больше доходов. К 1920 г. завод в Лойне протянулся на 3 км в длину и 1,5 км в ширину: «машина размером с город», как назвал его один историк.
Строительство заводов в Оппау и Лойне открыло современную эру производства минеральных удобрений, которая не закончилась до сих пор. Даже сегодня, столетие спустя, процесс Габера – Боша потребляет 1 % всех мировых энергетических запасов. Человечество ежегодно расходует 175 млн т аммонийных удобрений и за счет этих удобрений получает примерно половину всех продуктов питания. Половину! Иными словами, если бы не существовало процесса Габера – Боша, не было бы половины живущих на Земле людей, а именно 3,6 млрд человек. Или исчезла бы половина тела каждого человека: каждый второй атом азота из нашей ДНК и наших белков метался бы бессмысленно в воздухе – не будь на свете гордого гения Габера и расчетливого гения Боша.
Как бы я хотел, чтобы история о Габере и Боше на этом закончилась – простая и счастливая история двух немецких химиков, спасших человечество от голода. Но к любой человеческой победе всегда примешиваются гордость и амбиции.
Производство аммиака обогатило Габера. Патенты приносили ему несколько центов с каждого килограмма произведенного продукта, а BASF вскоре стала ежегодно производить десятки тысяч тонн аммиака.
После продажи прав собственности Габер практически забросил работу в области химии азота. В 1911 г. он занял важную административную должность в новом Институте Кайзера Вильгельма в Берлине. В качестве директора института он мог водить дружбу с политиками и членами королевской семьи, что льстило его самолюбию. Он даже помог Альберту Эйнштейну устроиться на работу в Берлине, и, несмотря на политические разногласия (Габер был консерватором, Эйнштейн – либералом), они стали близкими друзьями. Эйнштейн каким-то образом затрагивал нежные струны души Габера. Когда первый брак Эйнштейна распался и от него ушла жена, прихватив с собой двух маленьких сыновей, Габер всю ночь утешал рыдавшего друга.
Отчасти Габер мог сочувствовать Эйнштейну по той причине, что его собственный брак тоже разрушался. Габер и его жена Клара познакомились, будучи студентами химического факультета; ему было 18, ей 15. Через 15 лет он пригласил Клару на конференцию по химии – только чтобы ее увидеть. Несмотря на такое романтическое развитие отношений, брак был трудным, и Клара не хотела переезжать в Берлин. Кроме того, причиной разногласий между мужем и женой становился все возрастающий ура-патриотизм Габера. С самого детства он был über alles, но теперь, заняв новый пост, он мог общаться с кайзером, и у него появилась мания величия. Один коллега однажды застал Габера в кабинете за отбиванием поклонов – Габер тренировался на случай, если кайзер пригласит его на обед. Почувствовав, что за ним наблюдают, Габер неловко повернулся и разбил вазу.
С началом Первой мировой войны Габер превратил свой институт в небольшой военный аванпост. Справедливости ради нужно заметить, что Габер считал войну бессмыслицей, а военачальников – тупицами, но при этом признавал, что победа в войне прославит Германию, поэтому он вступил в армию, стал брить голову и ходил на работу в военной форме. Он оцепил здание института колючей проволокой и направил научные исследования на решение военных задач. Один из проектов заключался в получении бензина, который не замерзал бы зимой в России. Другой имел целью адаптировать процесс производства аммиака для получения взрывчатых веществ. Третий проект, самый страшный, состоял в том, чтобы использовать накопленные Габером знания о газах для создания нового типа оружия.
Хотя химическое оружие существовало уже несколько тысячелетий назад – древние греки выкуривали друг друга из городов-государств с помощью паров серы, – газовые атаки оставались менее эффективным способом ведения войны, нежели, скажем, использование расплавленного масла. Франция первой применила газ против немецкой армии в первые месяцы Первой мировой войны, но атаки практически всегда были неудачными: французские газы рассеивались на ветру еще до того, как немцы понимали, что были «атакованы». Французский газ скорее был слезоточивым, чем отравляющим (этиловый бромацетат), и как оружие поражения был бесполезен.
Габер задумался над созданием гораздо более действенных газов, основанных на хлоре. Все мы знаем, что хлор входит в состав поваренной соли и используется для обеззараживания бассейнов, но он существует также в виде двухатомного газа (Cl2). И в отличие от неактивного двухатомного газа азота, газообразный хлор никак нельзя назвать «спокойным»: его атомы соединены одинарной связью, которую они охотно разрывают, чтобы напасть на другие атомы. Поскольку он тяжелее кислорода и азота, при попадании в воздух этот газ накапливается у земли. То есть, по зловещему замыслу, облака газообразного хлора должны были стекать в окопы, а не рассеиваться в пространстве.
Поначалу в «газовой дивизии» капитана Габера работало лишь 10 химиков – весьма скромное число. Однако среди этих десяти были три лауреата Нобелевской премии. Старый соперник Габера Нернст тоже попытался поучаствовать в работе на благо Германии. Но Габер оттолкнул его, желая славы только для себя одного.
Нужно сказать, что некоторые коллеги-химики не видели в этой работе возможностей ни для славы, ни для победы, и среди них была жена Габера. Клара тоже была химиком (пока заботы домохозяйки не заставили ее прервать научную карьеру) и считала, что использование химических веществ в качестве оружия предает благородную миссию химии, заключающуюся в помощи людям. Но это ее позиция, а другие были недовольны работой Габера из прагматичных соображений. Нобелевский лауреат Эмиль Фишер «от всего патриотического сердца» надеялся, что Габер потерпит неудачу, поскольку не без оснований полагал, что, если преуспеет Габер, французы и англичане применят в ответ свое газовое оружие. Однако Габер отвечал, что союзники никогда не смогут этого сделать.
Габер знал, что хлор не настолько ядовит, чтобы уничтожить значительную часть вражеской армии. Функция газовой атаки, по его мнению, заключалась в запугивании врага: при виде зеленого облака хлора солдаты в панике покинут окопы, освобождая дорогу немецким войскам. Он считал, что одна своевременная газовая атака может обеспечить победу во всей войне. Таким образом, создавая химическое оружие, он, возможно, спасал людей. По крайней мере, это была его позиция.