Εκατό χρόνια βιομηχανικά λιπάσματα

Ο πληθυσμός του πλανήτη μας υπερτριπλασιάστηκε τα τελευταία 100 χρόνια και έχει φτάσει αισίως τα 7 δισεκατομμύρια ψυχές. Η διατροφή όλων αυτών των ανθρώπων δεν θα ήταν δυνατή χωρίς την εντυπωσιακή πρόοδο στη χημική υποστήριξη της γεωργίας, με πρώτο και καλύτερο αποτέλεσμα τη συνθετική παραγωγή λιπασμάτων. Φέτος σηματοδοτούνται 100 χρόνια από τη λειτουργία του πρώτου εργοστασίου παραγωγής λιπασμάτων στη Γερμανία, το 1913. Βασικό στοιχείo στη λειτουργία αυτού του εργοστασίου ήταν η χημεία της δέσμευσης του αζώτου της ατμόσφαιρας, σε μορφή κατάλληλη για τη διατροφή των φυτών.

Το μοριακό άζωτο χαρακτηρίζεται για τη σταθερότητα των δεσμών του: είναι πολύ δύσκολο τα δύο άτομα που το απαρτίζουν να αποχωριστούν, με αποτέλεσμα το αέριο αυτό, που είναι το κυριότερο συστατικό της ατμόσφαιρας, να εμφανίζεται ως αδρανές. Στη φύση ωστόσο τεράστιες ποσότητες αζώτου δεσμεύονται καθημερινώς από τα φυτά για να μετατραπούν τελικά σε πρωτεΐνες και νουκλεϊκά οξέα –τα απαραίτητα μεγαλομόρια για κάθε μορφή ζωής. Στην πραγματικότητα δεν είναι τα φυτά που αποσπούν το άζωτο από την ατμόσφαιρα αλλά τα «αζωτολόγα» βακτήρια που συμβιώνουν με ορισμένα φυτά, όπως τα ψυχανθή (από τα οποία πιο γνωστά είναι τα όσπρια). Τα υπόλοιπα φυτά πρέπει να αρκεστούν στις διαθέσιμες μορφές απλών αζωτούχων παραγώγων που βρίσκονται στο έδαφος ή στο νερό, κυρίως νιτρικά άλατα (δηλαδή άλατα του νιτρικού οξέος –γνωστού ως ακουαφόρτε –με διάφορα μέταλλα) και αμμωνιακά άλατα (δηλαδή άλατα διαφόρων οξέων με αμμωνία). Αλλα από αυτά είναι προϊόντα φυσικών διαδικασιών ενώ άλλα παρέχονται από τον άνθρωπο –τα αζωτούχα λιπάσματα.

Παραδοσιακά οι γεωργοί είχαν αναγνωρίσει την αναγκαιότητα λίπανσης των αγρών αξιοποιώντας την κοπριά. Από τον 17ο έως τον 19ο αιώνα χρησιμοποιήθηκε κατά κόρον το νίτρο της Χιλής (ορυκτό νιτρικό νάτριο), καθώς και το γουανό, δηλαδή η κοπριά από θαλασσοπούλια που συσσωρευόταν επί αιώνες σε κάποια ακατοίκητα νησιά του Νότιου Ειρηνικού. Εν τούτοις γρήγορα έγινε φανερό ότι οι φυσικές πηγές του αζώτου δεν ήταν ανεξάντλητες ούτε επαρκείς για ικανοποιητικές σοδειές. Οι πρώτες προσπάθειες παραγωγής νιτρικών λιπασμάτων έγιναν κατ’ απομίμηση της φύσης, με τη συνένωση αζώτου και οξυγόνου σε υψηλές θερμοκρασίες, όπως συμβαίνει κατά την εκδήλωση των ηλεκτρικών ατμοσφαιρικών φαινομένων –αστραπών και κεραυνών. Το αέριο που προκύπτει αρχικά είναι το οξείδιο του αζώτου (ΝΟ), το ίδιο που σχηματίζεται σε κάθε καύση λόγω της θέρμανσης του ατμοσφαιρικού αέρα. Αν και επιτυχημένη, η παραγωγή νιτρικού οξέος από την ατμόσφαιρα ήταν περιορισμένη λόγω του υψηλού κόστους για την επίτευξη των απαραίτητων υψηλών θερμοκρασιών. Μία άλλη μέθοδος ήταν η δέσμευση του αζώτου από το ανθρακασβέστιο (CaC₂), την πρώτη ύλη από την οποία παράγεται το ακετυλένιο (ασετυλίνη), το αέριο που χρησιμοποιούσαν για φωτισμό οι παραδοσιακοί καστανάδες. Το παραγόμενο ασβεστοκυαναμίδιο (CaCN₂) χρησιμοποιούνταν είτε απευθείας ως λίπασμα είτε για την παρασκευή άλλων αζωτούχων ενώσεων. Ομως και αυτή η μέθοδος έπασχε από το μειονέκτημα του υψηλού κόστους. Για αυτό οι προσπάθειες επικεντρώθηκαν τελικά στη συνθετική παραγωγή αμμωνίας (NH₃), δηλαδή στην απευθείας ένωση αζώτου και υδρογόνου. Επί ολόκληρες δεκαετίες, κατά τα τέλη του 19ου αιώνα, πολυάριθμοι χημικοί επιχείρησαν τη συνθετική παραγωγή αμμωνίας από τα συστατικά της χωρίς επιτυχία, επειδή οι απαιτούμενες υψηλές θερμοκρασίες ευνοούσαν όχι μόνο τον σχηματισμό της αμμωνίας αλλά και την αποσύνθεσή της.

Στις αρχές του 20ού αιώνα εμφανίζεται δυναμικά στο προσκήνιο ο γερμανός χημικός Φριτς Χάμπερ (Fritz Haber), καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Καρλσρούης, ο οποίος ασχολήθηκε συστηματικά με το πρόβλημα της σύνθεσης της αμμωνίας επί πολλά χρόνια. Η επιμονή του ανταμείφθηκε όταν ανακάλυψε ότι με τη χρήση ενός σπάνιου μεταλλικού καταλύτη (όσμιο) οι συνθήκες σχηματισμού της αμμωνίας γίνονταν αρκετά ηπιότερες, ούτως ώστε να μην αποσυντίθεται το τελικό προϊόν. Ωστόσο η μετάβαση από το εργαστηριακό στο βιομηχανικό περιβάλλον είναι μια δύσκολη και χρονοβόρα οδός με πολλές παγίδες και εμπόδια. Για να υπερνικηθούν οι δυσκολίες χρειάστηκε η συνδρομή ενός πολυτάλαντου χημικού, μεταλλουργού και μηχανολόγου, του Καρλ Μπος (ανιψιού του ιδρυτή της εταιρείας ηλεκτρικών ειδών Bosch). Ο Μπος, με τη σημαντική υποστήριξη της BASF (Badische Anilin und Soda Fabrik, βιομηχανία ανιλίνης και σόδας της Βάδης), ήδη βιομηχανικού κολοσσού την εποχή εκείνη, μπόρεσε να επινοήσει έναν πιο φθηνό και αποτελεσματικό (σιδηρούχο) καταλύτη. Επιπλέον, κατασκεύασε τα κατάλληλα μεταλλικά κράματα που έπρεπε να αντέχουν στις μεγάλες πιέσεις της όλης διαδικασίας. Φέτος συμπληρώνονται 100 χρόνια από τη λειτουργία του πρώτου εργοστασίου παραγωγής αμμωνίας από άζωτο και υδρογόνο, στο Oppau της Γερμανίας, το 1913.

Χάμπερ και Μπος τιμήθηκαν ξεχωριστά με το βραβείο Νομπέλ Χημείας, ο Χάμπερ το 1918 και ο Μπος το 1931, καθώς το επίτευγμά τους υπήρξε καθοριστικό για τη σημαντική αύξηση της γεωργικής παραγωγής. Οι δύο τους υπήρξαν οι πρώτοι χημικοί βιομηχανίας που τιμήθηκαν με αυτήν τη σπουδαία αναγνώριση. Δυστυχώς πολλά επιστημονικά επιτεύγματα έχουν δύο όψεις, αφού παράλληλα με την «καλή» χρήση τους μπορεί να γίνει και «κακή». Στην περίπτωση της αμμωνίας έγινε δυνατή η εύκολη μετατροπή της σε νιτρικό οξύ, από το οποίο παρασκευάστηκαν τεράστιες ποσότητες πυρομαχικών από τη Γερμανία, η χρήση των οποίων συνέβαλε στην παράταση του Α’ Παγκοσμίου Πολέμου. Σήμερα, η μέθοδος Χάμπερ – Μπος χρησιμοποιείται με κάποιες παραλλαγές για τη σύνθεση τεράστιων ποσοτήτων αμμωνίας. Υπολογίζεται ότι ετησίως παράγονται σε ίσες ποσότητες φυσική και συνθετική αμμωνία, ώστε στον οργανισμό μας τα μισά άτομα αζώτου προέρχονται από τη συνθετική αμμωνία.

Η αξιοθαύμαστη ικανότητα των ταπεινών βακτηρίων να επιτυγχάνουν τη μετατροπή του αζώτου της ατμόσφαιρας σε αμμωνία δεν ήταν δυνατό να μην επισύρει την προσοχή των σύγχρονων ερευνητών. Σήμερα είναι γνωστή με κάθε λεπτομέρεια η όλη διαδικασία αυτής της μετατροπής, στην οποία εμπλέκονται εξειδικευμένες πρωτεΐνες που συνεργάζονται με θειούχα συσσωματώματα σιδήρου και μολυβδαινίου. Αφού λοιπόν οι επιστήμονες επισήμαναν τα γονίδια που ευθύνονται για την παραγωγή των εν λόγω πρωτεϊνών, έχουν πλέον σκοπό να τα μεταφέρουν σε επιλεγμένα φυτά ώστε αυτά να αποκτήσουν αυτοδυναμία στην πρόσληψη του ατμοσφαιρικού αζώτου. Αν τελικά αυτή η προσπάθεια στεφθεί με επιτυχία, είναι πολύ πιθανό στο μέλλον τα λιπάσματα να περιέχουν μόνο φωσφόρο και κάλιο, αφού οι ανάγκες των φυτών σε άζωτο θα καλύπτονται από τα ίδια.

Ο κ. Τάσος Βάρβογλης είναι ομότιμος καθηγητής του Τμήματος Χημείας του ΑΠΘ.

Ο κ. Χάρης Βάρβογλης είναι καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ.