Fritz Haber & Carl Bosch - bánh mì từ không khí
Fritz Jakob Haber (1868-1934) và Carl Bosch (1874-1940) gắn liền với một trong những phát minh quan trọng nhất của thế kỷ 20: quy trình Haber-Bosch. Phát minh này đã tạo ra một cuộc cách mạng trong sản xuất lương thực, giúp nuôi sống hàng tỷ người và định hình lại nền nông nghiệp toàn cầu. Đóng góp của họ được ví như việc "tạo ra bánh mì từ không khí".
Vào đầu thế kỷ 20, thế giới đối mặt với một cuộc khủng hoảng lương thực tiềm tàng. Dân số ngày càng tăng trong khi các nguồn cung cấp nitơ tự nhiên cho phân bón, chủ yếu là phân chim (guano) và diêm tiêu khai thác từ Chile, đang dần cạn kiệt. Nitơ là một thành phần thiết yếu cho mọi sự sống, là dưỡng chất quan trọng nhất quyết định sự sinh trưởng của cây trồng. Mặc dù khí quyển chứa gần 80% là nitơ, các phân tử nitơ (N2) trong không khí lại tồn tại ở dạng cực kỳ bền vững và cây trồng không thể hấp thụ trực tiếp. Việc "cố định" được nitơ từ không khí, tức chuyển nó thành một dạng mà cây trồng có thể sử dụng (như amoniac, NH3), là một thách thức khoa học khổng lồ.
Câu chuyện tập trung vào hành trình đầy ám ảnh của Fritz Haber để tổng hợp amoniac (NH3) từ nitơ trong khí quyển (N2) và hydro (H2) - một quá trình bắt chước sự cố định nitơ tự nhiên ở quy mô công nghiệp. Thách thức khoa học là vô cùng lớn: phá vỡ liên kết ba cực kỳ bền vững của phân tử N2, đòi hỏi nhiệt độ và áp suất khắc nghiệt, cùng với việc tìm kiếm một chất xúc tác hiệu quả. Haber đã chứng minh rằng ở nhiệt độ và áp suất cực cao, cùng với việc sử dụng chất xúc tác phù hợp (ban đầu là osmi và uranium), phản ứng giữa nitơ và hydro có thể tạo ra amoniac. Cuộc trình diễn thành công của Haber trong phòng thí nghiệm nhỏ của ông vào năm 1909 đã chứng minh rằng điều đó là khả thi. Phát minh này đã mang lại cho ông giải Nobel Hóa học năm 1918.
Tuy nhiên, quy trình của Haber đòi hỏi những điều kiện khắc nghiệt: áp suất lên tới 150-200 atm và nhiệt độ khoảng 400-500°C. Việc triển khai quy trình này ở quy mô công nghiệp là một thách thức kỹ thuật khổng lồ, vượt xa khả năng của các thiết bị phòng thí nghiệm thời bấy giờ. Carl Bosch, một kỹ sư và nhà hóa học xuất sắc làm việc tại công ty hóa chất BASF, đã đảm nhận và giải quyết thành công thách thức này. Bosch và đội ngũ của mình đã thiết kế và chế tạo các lò phản ứng và máy bơm bằng thép khổng lồ, có khả năng chịu được nhiệt độ và áp suất cực lớn một cách an toàn và liên tục. Chất xúc tác osmi và uranium mà Haber sử dụng cực kỳ hiếm và đắt đỏ. Bosch đã tiến hành hàng nghìn thử nghiệm và tìm ra một chất xúc tác hiệu quả hơn nhiều, dựa trên sắt (Fe) với các chất hoạt hóa khác, vốn rẻ và có sẵn. Nhờ những cải tiến của Bosch, nhà máy sản xuất amoniac công nghiệp đầu tiên đã đi vào hoạt động tại Oppau, Đức vào năm 1913, có khả năng sản xuất hàng tấn amoniac mỗi ngày. Sự hợp tác thành công này đã khiến quy trình được mang tên cả hai người: Haber-Bosch. Carl Bosch sau đó cũng được trao giải Nobel Hóa học vào năm 1931 cho công trình phát triển kỹ thuật hóa học áp suất cao.
Đây được cho là phát minh quan trọng nhất của thế kỷ 20. Nó đã cho phép dân số toàn cầu tăng từ 1,6 tỷ lên hơn 8 tỷ người. Ngày nay, phân bón tổng hợp từ quy trình này chịu trách nhiệm nuôi sống khoảng một nửa dân số thế giới. Hơn 99% tổng lượng nitơ vô cơ đầu vào cho các trang trại đến từ quá trình tổng hợp Haber-Bosch.
Quy trình Haber-Bosch đại diện cho sự tách rời cuối cùng của nông nghiệp khỏi các chu trình sinh học tự nhiên. Trước đó, độ phì nhiêu của đất phụ thuộc vào các quá trình chậm, cục bộ của việc bón phân chuồng và trồng cây họ đậu. Haber-Bosch đã tạo ra một chu trình nitơ công nghiệp, toàn cầu, cho phép sản xuất lương thực được mở rộng theo cách không thể tưởng tượng trước đây và không bị ràng buộc bởi các giới hạn sinh thái địa phương.
