تصور کنید روی عرشه یک کشتی ایستادهاید و به صخرههایی خیره شدهاید که ۳۰ متر ارتفاع دارند؛ اما این صخرهها از سنگ نیستند، بلکه از انباشت هزاران ساله فضولات پرندگان دریایی تشکیل شدهاند. شاید خندهدار به نظر برسد، اما در اواسط قرن نوزدهم، همین تپههای بدبو به یکی از استراتژیکترین منابع کره زمین تبدیل شدند.
به نقل از کانال Veritasium وضعیت بهقدری جدی بود که در سال ۱۸۵۶، ایالات متحده قانونی تصویب کرد که به شهروندانش اجازه میداد هر جزیره بیصاحب و پوشیده از گوانو (همان فضولات پرندگان دریایی) را به نام آمریکا ثبت کنند و ارتش موظف بود از آن دفاع کند. باورتان میشود که این قانون هنوز هم لغو نشده است؟
تب گوانو چنان بالا گرفت که در سال ۱۸۶۵، اسپانیا با مستعمرات سابق خود یعنی پرو، شیلی، اکوادور و بولیوی بر سر کنترل این جزایر وارد جنگ شد. حتی کار به جایی رسید که قیمت گوانو با طلا رقابت میکرد؛ هر ۱٫۸ کیلوگرم فضله پرنده معادل ۴۵۰ گرم طلا ارزش داشت. اما چه چیزی در این فضولات نهفته بود که ابرقدرتهای جهان برایش خون میریختند؟
بحران خاموشی به نام نیتروژن
برای درک ارزش دیوانهوار گوانو که ۲۰ درصد آن را نیتروژن تشکیل میدهد، باید نگاهی به درون بدن خودمان بیندازیم. پس از اکسیژن، کربن و هیدروژن، چهارمین عنصر فراوان در ساختار زیستی ما نیتروژن است؛ عنصری که در اسیدهای آمینه، پروتئینها، هموگلوبین خون و البته DNA نقشی حیاتی دارد.
ما نیتروژن را از گیاهان میگیریم یا حیواناتی که گیاهی خوردهاند و گیاهان هم آن را از خاک میمکند.
در قرن نوزدهم صنعت کشاورزی رو به افول گذاشت، زیرا زمینهای کشاورزی بعد از چند بار کشت پیاپی، تمام نیتروژن خود را از دست میدادند. بدون نیتروژن، گیاهان دیگر نمیتوانستند کلروفیل بسازند، برگهایشان زرد میشد و محصولات شدیداً افت میکرد.
صدها سال پیش، کشاورزان امپراتوری اینکا کشف کرده بودند که در چنین شرایطی هیچچیزی بهتر از گوانو جواب نمیدهد. همین کشف ساده به آنها اجازه داد در زمینهای لمیزرع کشاورزی کنند و امپراتوریشان را گسترش دهند.
اما در اواخر قرن نوزدهم، جمعیت کره زمین با سرعت در حال افزایش بود و اشتهای سیریناپذیر کشورها، ذخایر گوانوی آمریکای جنوبی را به مرز نابودی کشاند. سال ۱۸۷۲، کشور پرو صادرات این ماده را ممنوع کرد و زنگ خطر بلندتر از همیشه به صدا درآمد.
سال ۱۸۹۸ ویلیام کروکس شیمیدان برجسته بریتانیایی هشدار داد که با تهکشیدن ذخایر نیتروژن، انسانها در کمتر از ۳۰ سال با قحطی و گرسنگی فراگیر روبهرو خواهند شد. کروکس گفت مردم در سراسر جهان از گرسنگی تلف خواهند شد، مگر اینکه دانشمندان از درون آزمایشگاهها راه نجاتی برای این معضل بیابند.
شاید فکر کنید نیتروژن اصلاً عنصر کمیابی نیست؛ ۷۸ درصد از هوایی که همینالان تنفس میکنیم از نیتروژن تشکیل شده است. اما چگونه میتوان هوای نامرئی را به نان روی سفره تبدیل کرد؟
این معمای غیرممکنی بود که باید به هر قیمتی حل میشد.
دژ تسخیرناپذیر جو: ناتوانی علم در شکستن پیوندها
بیایید یکقدم به جلو برویم. اگر بخش زیادی از جو زمین از نیتروژن تشکیل شده، پس چرااقیانوس بیکران هوایی که بالای سر ماست، نمیتواند جان گیاهان را نجات دهد؟
نیتروژن موجود در جو زمین در قالب مولکولهای دواتمی N2 وجود دارد که در آن دو اتم نیتروژن با یک پیوند اشتراکی سهگانه به یکدیگر متصل شدهاند. این پیوند یکی از پایدارترین و مستحکمترین پیوندهای شیمیایی در طبیعت است که گسستن آن را بسیار دشوار میکند.
برای مقایسه در نظر بگیرید که شما برای شکستن پیوند دو اتم کلر، به ۲٫۵ الکترونولت انرژی، برای کربن به ۳٫۸ و برای اکسیژن ۵٫۲ الکترونولت انرژی نیاز دارید. اما از هم گسستن دو اتم نیتروژن ۹٫۸ الکترونولت انرژی میخواهد، یک نیروی فوقالعاده عظیم.
در طبیعت، تنها دو پدیده میتوانند این سد را بشکنند: نخست صاعقه که با انرژی مهارنشدنیاش مولکولهای نیتروژن را در هم میکوبد و با قطرات باران به زمین میآورد، و دوم چند نوع باکتری خاص در خاک. اما رعدوبرقها و باکتریها بسیار کندتر از آن بودند که بتوانند شکم جمعیت روبهرشد انسانها را در مقیاس صنعتی سیر کنند.
شیمیدانها برای صدسال تلاش کردند این پیوند را بشکنند و همگی شکست خوردند. برای مثال در سال ۱۸۱۱، شیمیدانی به نام گئورگ هیلدبرانت، نیتروژن و هیدروژن را در یک ظرف شیشهای مهروموم کرد و وقتی جوابی نگرفت، ظرف را به عمق ۳۰۰ متری آب فرستاد تا شاید فشار آب اقیانوس کاری از پیش ببرد؛ تلاشی که البته بینتیجه ماند.
صدسال تمام، علم در برابر پیوند سهگانه نیتروژن زانو زده بود.
ظهور فریتز هابر: مردی در جستجوی ناممکنها
سال ۱۹۰۴، وقتی فریتز هابر تصمیم گرفت سراغ چالش نیتروژن برود، احتمالاً فقط به صف طولانی شیمیدانهای شکستخورده میپیوست. او در آن زمان یک استاد ۳۶ساله و نهچندان سرشناس در دانشگاه کارلسروهه بود. مردی جاهطلب، بهشدت رقابتجو و مغرور که طعم پدر بودن را با پسر دوسالهاش هرمان تجربه میکرد.
هابر پنج سال از عمرش را وقف حل این معمای لاینحل کرد. ایده او این بود که نیتروژن و هیدروژن را نهتنها در فشار و دمای بسیار بالا ترکیب کند، بلکه از یک کاتالیزور هم بهره ببرد؛ مادهای که بتواند انرژی لازم برای شکستن آن پیوند ۹٫۸ الکترونولتی را کاهش دهد.
طراحی تجهیزاتی که بتوانند چنین دما و فشار جهنمیای را تحمل کنند، به نوبهی خود چالش عجیبی محسوب میشد، اما هابر شانس عجیبی آورد. او در آن زمان شغل دومی هم داشت و بهعنوان مشاور فنی در کارخانه تولید لامپ کار میکرد. همین شغل بهظاهر بیارتباط، کلید مشکل را به دستش داد. در آن کارخانه به فلز اوسمیوم دسترسی پیدا کرد که در آن روزگار بینهایت کمیاب بود.
در آن زمان تنها مجموع اوسمیوم تصفیهشده در کل کره زمین به حدود ۱۰۰ کیلوگرم میرسید و کارخانه لامپسازی که هابر در آن کار میکرد، بخش عمدهای از این ذخیره جهانی را برای آزمایش روی رشتههای لامپ در اختیار داشت.
هابر که حدس میزد این فلز میتواند همان کاتالیزور جادویی باشد، مقداری از آن را برداشت و با خود به آزمایشگاهش برد. تجهیزات آماده بود و جهان در آستانه یکی از بزرگترین کشفیات تاریخ علم قرار داشت.
قطرهای که جهان را تغییر داد
هفته سوم مارس ۱۹۰۹ هابر ورقه کمیاب اوسمیوم خود را درون محفظه فشار گذاشت، مخلوطی از نیتروژن و هیدروژن را به دمای ۵۰۰ درجه سانتیگراد رساند و تحت فشار خردکننده ۲۰۰ اتمسفر قرار داد.
این شرایط افراطی، بالاخره مقاومت لجبازانه طبیعت را در هم شکست. پیوندهای سهگانه از هم گسستند و نیتروژن با هیدروژن واکنش نشان داد. ۶ درصد از این مخلوط گازی به آمونیاک تبدیل شد.
وقتی گاز سرد شد، از انتهای یک لوله باریک، تنها یک میلیلیتر آمونیاک درون بشر چکید. اما همان یک قطره کافی بود. هابر که سر از پا نمیشناخت، در راهروهای آزمایشگاه میدوید و با خوشحالی فریاد میزد: «بیایید پایین، آمونیاک به دست آمد!»
بزرگترین شرکت مواد شیمیایی آلمان یعنی BASF، این فرایند را ظرف کمتر از چهار سال تجاریسازی کرد. آنها کارخانهای در اوپاو ساختند که روزانه ۵ تن آمونیاک تولید میکرد. کشاورزان با این کود شیمیایی جدید توانستند در همان زمینهای قبلی چهار برابر محصول بیشتری برداشت کنند و حالا مردم با شگفتی از «تولید نان از هوا» حرف میزدند.
رشد فزاینده محصولات کشاورزی و جمعیت از سال ۱۹۱۹ تا به امروز
درست به همین دلیل جمعیت کره زمین چهار برابر شد. امروز زندگی بیش از ۴ میلیارد نفر روی کره زمین مستقیماً به اختراع فریتز هابر وابسته است. بگذارید این فکت را شخصیتر کنیم: حدود ۵۰ درصد از اتمهای نیتروژنی که همین حالا در تکتک سلولهای بدن شما وجود دارد، مستقیماً از فرایند هابر بهدستآمده است!
این اختراع، هابر را هم ثروتمند کرد و هم قدرتمند. او مدیر مؤسسه کایزر ویلهلم در برلین شد و با بزرگترین دانشمندان زمان خود مثل ماکس پلانک، ماکس بورن و آلبرت انیشتین دوستی صمیمانهای به هم زد؛ تا جایی که وقتی انیشتین در سال ۱۹۱۴ از همسر اولش جدا شد، شب را در خانه هابر سپری کرد.
بله، هابر جهان را از قحطی نجات داد و در بازهای خاص، دنیا به احترام او از جای بر میخاست. کسی فکرش را هم نمیکرد وقتی این مرد جایزه نوبل بگیرد، توسط همکارانش طرد شود. بار دیگر همهچیز به خاکریزهای جنگ برمیگشت.
وقتی نان به باروت تبدیل شد
با آغاز جنگ جهانی اول، مسیر زندگی هابر تغییر کرد. برخلاف دوستش انیشتین که صلحطلب بود و جنگ را محکوم میکرد، هابر بهعنوان میهنپرستی افراطی داوطلبانه به ارتش پیوست. تنها چند ماه پس از شروع جنگ، ارتش آلمان با بحران کمبود شدید باروت و مواد منفجره مواجه شد.
