При этом самому Габеру работа в университете Карлсруэ сулила массу возможностей. У этого образовательного учреждения были прекрасные отношения с крупным химическим концерном Badische Anilin & Soda-Fabrik (BASF), расположенным рядом, чуть ниже по течению Рейна. Если бы Фриц хотел найти практическое применение своей работе, лучшим решением было бы сотрудничать с BASF. И что еще важнее, Германия на тот момент была самым подходящим местом для исследований по химии и физике. Во время правления Вильгельма II немецкие профессора сформулировали самые блестящие теории, ученые сделали наиболее выдающиеся открытия и лучше всего развивалась промышленность. В результате немцы получили больше Нобелевских премий, чем их конкуренты из других стран. Когда к власти пришел Адольф Гитлер, все пошло прахом. Но в то время, когда Фриц Габер поступил в университет Карлсруэ, Германия была лучшим местом для тех, кто искал «святого Грааля» в химии.
Немцы уже объездили полмира в поисках азота, что, в общем, не имело никакого смысла: воздух на 79 % состоит из азота. Более того, над каждым квадратным метром поверхности Земли ежедневно циркулирует семь тонн этого вещества. Проблема другая: в природе азот не существует в атомарном виде (N). В молекуле азота два атома (N2) соединены тройной связью, которую, по сути, нельзя разрушить; этот элемент считается самым стойким соединением. И хотя молекулярным азотом (N2), содержащимся в воздухе, можно надуть миллион воздушных шаров, того же количества не хватит, чтобы вырастить даже один початок кукурузы.
В книгах по химии элемент N2 описан как не обладающий запахом, бесцветный, негорючий, невзрывчатый, нетоксичный и химически неактивный, то есть инертный. Его главная характеристика, ключевое слово для описания, — неспособность к взаимодействию, безжизненность. Если азот используется в каких-то биологических процессах (например, для формирования аминокислот, белков, ферментов, ДНК и РНК), то он должен быть разбит на два отдельных атома. И только в атомарном состоянии (N) в соединении с водородом может образовать молекулу аммиака (NH3) или же в связи с кислородом сформировать нитраты (NO3). И аммиак, и нитраты можно использовать в качестве удобрения для насыщения почвы азотом и получения хорошего урожая.
Поскольку в естественных условиях молекула азота сама не разбивается на атомы, для этого требуется создать условия неестественные, выполнить действия, которые в определенном смысле противоречат природе. К 1909 году, когда Фриц Габер впервые предложил экономически целесообразный способ разбиения молекулы азота на атомы, на эту тему было опубликовано уже более 3000 статей, но ни одна не давала ответа на вопрос. Запасы азота на планете постепенно истощались. Время близилось к исходу.
Формула образования аммиака проста:
Если читать ее слева направо, то два атома азота, собранные в молекулу, соединяются с тремя молекулами водорода (каждая из которых, в свою очередь, состоит из двух атомов), в результате образуются две молекулы аммиака. Габер знал, что аммиак будет превосходным синтетическим удобрением.
Чтобы химический процесс действительно протекал так, как написано в формуле, то есть чтобы спровоцировать его к переходу от левой части уравнения к правой, Габер использовал очень высокие температуру и давление. В 1904 году он обнаружил, что лишь 0,005 % всего вступившего в реакцию азота образовали аммиак (то есть перешли из левой части уравнения в правую). И это количество было значительно меньше тех, что могли бы иметь хоть какой-то практический смысл. Габер попробовал разные катализаторы, чтобы ускорить реакцию и повысить урожаи, — металлы, например никель или марганец. С их помощью он пытался создать условия, в которых атомы азота и водорода с большей готовностью вступали бы в реакцию. Но ничего не работало. Габер пришел к выводу, что нет никакого практического смысла пытаться получить аммиак из азота, содержащегося в воздухе, и оставил эту идею. Тем не менее результаты своих исследований опубликовал в ведущем химическом журнале.
Публикация Габера привлекла внимание Вальтера Нернста, директора Геттингенского института, первого профессора физической химии и настоящего гиганта мысли в этой области. Большую часть академической карьеры Нернст занимался термодинамикой и впоследствии сформулировал ее третий закон (он же теорема Нернста), за что и удостоился Нобелевской премии. Данные в публикации Габера противоречили тем, что были рассчитаны по теореме Нернста. Профессор вместе с ассистентом повторил эксперимент, но результаты еще больше расходились с данными Габера. Нернст немедленно написал Фрицу письмо, чтобы выразить свое недовольство по этому поводу.
Габер воспринял критику Нернста близко к сердцу, повторил эксперименты и пришел к выводу, что Вальтер действительно прав. Оба ученых провели аналогичные опыты и выяснили: синтезировать аммиак из азота, содержащегося в воздухе, слишком неэффективно. Но Нернст этого так не оставил. Он счел первую публикацию Габера личным оскорблением и принял решение унизить его. В мае 1907 года на международной встрече Немецкого общества прикладной физической химии имени Бунзена Вальтер вызвал Фрица на дискуссию. «Я бы хотел предложить профессору Габеру прямо сейчас использовать метод, который наверняка даст по-настоящему точные значения», — сказал он. Позже Нернст назовет результаты исследования Фрица stark unrichtigen Zahlen, или «невероятно неточными», и скажет, что фиксация азота в лабораторных условиях — дурацкая затея. Публичная критика перед лицом собравшихся коллег очень задела и разозлила Габера. Чтобы восстановить репутацию, он задался целью отомстить Нернсту и довести опыты по получению аммиака из азота, содержащегося в воздухе, до приемлемого результата.
После дискуссии в Обществе имени Бунзена Фриц Габер несколько раз совершил невозможное. Во-первых, к нему в лабораторию пришел молодой химик из Англии по имени Роберт Ле Россиньоль. Он был изобретательным человеком и умел проводить эксперименты. В конце концов они сконструировали небольшой настольный аппарат из кварца и железа, способный выдерживать температуру 1832 °F (1000 °C), то есть достаточно высокую, чтобы расплавить медь, и давление 206 843 гПа — им можно разрушить подводную лодку. Во-вторых, Габер нашел катализатор, ускоряющий реакцию, — редкий металл осмий, из которого делали нить накаливания для электрических лампочек. В-третьих, придумал способ быстро охлаждать аммиак, чтобы тот не успевал сгорать при высоких температурах. И наконец, самое важное: Карл Энглер, научный руководитель Габера в университете Карлсруэ, настоял, чтобы концерн BASF спонсировал эксперименты Фрица. Если все получится, патент принадлежал бы BASF, а у Габера появился бы коммерческий партнер.
Габер и Ле Россиньоль пробовали разные приспособления, температурные режимы и давление. И в конце концов март 1909 года подарил первые проблески успеха. Фриц был в полном восторге. И когда его коллега мечтательно вспоминал: «Вижу, как сейчас, целый кубический сантиметр аммиака! Фантастика!» — Габер кричал ему: «Успокойтесь, вы еще рассмо́трите, как жидкий аммиак потечет по трубам!» Вещества получилось немного, примерно одна пятая чайной ложки, но это было только начало. Уже через несколько месяцев аппарат Габера и Ле Россиньоля работал круглосуточно, производя аммиак.
