Льюис Дартнелл - Цивилизация с нуля. Что нужно знать и уметь, чтобы выжить после всемирной катастрофы

Тысячелетиями у человечества был только один рецепт: если население росло, раскорчевывали больше земли под пахоту. Однако, когда доступный запас земли уже освоен, прокормить растущее число едоков можно только за счет повышения урожайности культивируемых земель, и, как мы видели в главе 3, этому способствует внесение в почву навоза и выращивание бобовых культур. А если численность населения достигает определенной пороговой величины — когда, условно говоря, все стулья заняты, — цивилизация неизбежно заходит в тупик. Нет возможности получить больше навоза от скота, поскольку для этого нужны новые пастбища, сеять больше бобовых тоже нельзя, так как тогда сократятся поля под злаки. Потенциал органического земледелия исчерпан.

Единственный выход — вносить в почву азот откуда-то извне, из-за пределов замкнутого сельскохозяйственного круга. На протяжении всего XIX в. сельское хозяйство Запада сильно зависело от привозного птичьего помета и селитры, добываемой в Чилийской пустыне. Но эти источники быстро истощились, и в 1898 г. председатель британской Ассоциации содействия наукам сэр Уильям Крукс предостерегал: «Мы одалживаемся из капитала Земли, но наши векселя не вечно будут принимать» (и нам сегодня стоило бы прислушаться к его словам, пока безудержный аппетит человечества к сырой нефти и другим природным ресурсам не истощил планету). В мире, остающемся после нас, уже не будет былых запасов природных нитратов, и взрослеющее постапокалиптическое общество упрется в эту стену довольно скоро.

В земной атмосфере много азота — в каждом вашем вдохе этот газ составляет 80 % но при этом он упорно хранит химическую пассивность. Два атома азота плотно скреплены в пару тройной связью; вообще азот — самое инертное из всех двухатомных веществ, какие мы только знаем. Поэтому его совсем не просто преобразовать в удобную форму, «связать». К концу XIX в. стало ясно, что дальнейший прогресс цивилизации зависит от того, сумеет ли человек связать азот. Выручить человечество из беды предстояло химикам.

Решение, найденное в 1909 г. и применяемое поныне, носит название процесса Гaбера — Боша. На первый неискушенный взгляд он кажется простым. Азот — самый распространенный газ в земной атмосфере, водород — самый распространенный химический элемент во Вселенной: два этих компонента смешивают в соотношении один к трем в реакторе, и они, соединяясь, образуют NH 3— аммиак. Азот можно просто закачивать из воздуха, а водород сегодня получают из метана, также его легко добыть электролизом воды. Чтобы побудить азот вступить в реакцию, нужно разорвать прочные связи, сцепляющие два атома в одно целое, а для этого требуется катализатор. Пористое железо с добавлением гидроксида калия (едкого кали, о котором мы рассказывали на с. 123, 127, хорошо помогает стимулировать реакцию. Эта реакция не доходит до завершения, поэтому газы охлаждают, чтобы нужный продукт конденсировался и выпал аммиачным дождем, который сливается в емкости, а еще не прореагировавшие газы снова запускаются в реактор, пока успешно не преобразуется почти весь объем. Но, как всегда, дьявол в деталях, и на самом деле процесс Габера — Боша осуществить довольно непросто.

Многие химические реакции принципиально необратимы: поездка в один конец, во время которой реагенты перекомбинируются в новые вещества. Например, в горящей свече молекулы углеводородов воска в процессе горения окисляются до воды и углекислого газа, но обратная трансформация сама собой не произойдет никогда. Другие же химические процессы представляют собой обратимые реакции, в ходе которых два противоположных превращения происходят одновременно. «Реагенты» превращаются в «продукты», но в то же самое время последние вновь возвращаются в исходное состояние. Переход азотно-водородной смеси в аммиак — как раз один из таких обратимых процессов, и, чтобы склонить баланс в сторону нужного вещества, нужно тщательно задать условия в реакторе. Для получения аммиака это означает высокую температуру (около 450 °C) и мощное давление (около 200 атмосфер). Экстремальная среда в реакторе и трубопроводах и является причиной, по которой так непросто осуществлять процесс Габера — Боша. По сравнению с другими важными процессами, упомянутыми в этой книге и требующими использования горячих печей, например с выплавкой металла или изготовлением стекла, связывание азота — высокое достижение сложной инженерии. Если постапокалиптическому человечеству не удастся сохранить подходящий реакторный сосуд, придется научиться самим изготавливать промышленные термобарокамеры.