Nejdůležitější technologie 20. století (kterou možná vůbec neznáte)

Lidé dokážou důležitost objevů často těžko posoudit. Některé nejsou vidět, ale přitom naše životy ovlivňují více než cokoliv jiného. Tak dnes o jedné 110 let staré technologii, na které jsme všichni existenčně závislí.
20. století se nám dneska zdá jako technologicky nejpřevratnější století vůbec. Já si to tedy nemyslím. Podstatně více revolučních technologií vzniklo ve století devatenáctém. Tam by byl seznam opravdu dlouhý. 20. století většinou myšlenky toho předchozího pouze velmi úspěšně rozvíjelo. O tom ale spíš někdy jindy. Zapomeňme tedy teď dobu před a věnujme se světu po roce 1900.

Zkuste se na začátek zamyslet, o kterém objevu minulého století byste řekli, že nás ovlivnil nejvíce.

Jaderná energetika, počítače, internet, návštěva Měsíce, letecká doprava, teorie relativity, kvantová fyzika – vybrali jste něco z toho? Co z těchto technologií zcela fundamentálně změnilo podobu světa? Maximálně možná internet, ale ten bych zařadil až do 21. století.

Chemici ví, že ale existuje jeden zcela zásadní objev, který do 20. století patří. Je to Haberův-Boschův proces pro výrobu amoniaku – transformace vzdušného dusíku do organické molekuly. Bez těch technologií výše i jiných by lidstvo fungovalo dost podobně jako dnes. Ovšem bez amoniaku by na planetě byla třetina dnešního počtu lidí a technologicky bychom pravděpodobně byli desítky let zpět.

Rostliny jsou tvořené z 95% z oxidu uhličitého, ze 4% z vody a ve zbývajícím procentu je především dusík, pak následuje fosfor, síra atd. To jsme psali v minulém článku. A právě omezené množství těch prvků z posledního procenta bývá překážkou intenzivnímu zemědělství. Země prostě neobsahuje tyto prvky ve vstřebatelné podobě v pro zemědělství optimálním množství.

Historie dusíkatých umělých hnojiv

Do roku cca 1840 se žádná sofistikovaná hnojiva nepoužívala. Potom se začalo hodně experimentovat. Došlo se k tomu, že na většinu rostlin nejvíc zabírají sloučeniny dusíku v půdě. Rostliny nemohou získat dusík přímo ze vzduchu, ačkoliv tam má zastoupení 78%. Zpracovávat ho dokážou různé bakterie (hlavně rod rhizobium). Zjistilo se, že půdu dusíkem obohacují symbiózou s těmito bakteriemi např. jetel, vojtěška nebo některé luštěniny. Z Jižní Ameriky se postupně začalo vozit obrovské množství čilského ledku i jiných minerálů. Z tichomořských ostrůvků zase guano. Podobně řada dalších přírodních hnojiv s větším či menším obsahem dusíku. Ale zásoby toho všeho byly omezené.

Koncem století se podařilo syntetizovat malá množství amoniaku (dusík s vodíkem, se kterým si rostliny poradí), ale bylo to drahé a neefektivní. Šlo o reakci za vysokého tlaku a teploty s nějakými katalyzátory (např. osmium, uran, později oxidy železa a další). Až kolem roku 1910 se Fritz Haber pracující pro firmu BASF po letech experimentů dostal na komerčně zajímavější hodnoty.

Paralelně na stejné reakci pracovali další. Jedním z nich byl Carl Bosch. Ten s primárním výzkumem neuspěl, ale po Haberově úspěších s ním začal v rámci společnosti BASF spolupracovat a podařilo se mu ustavit komerční výrobu.

Využití v 1. světové válce

Načasování bylo mimochodem výhodné pro německou armádu za první světové války. BASF včetně obou vědců s ní vřele spolupracoval a amoniak používal na výrobu výbušnin. Haber se věnoval i vývoji bojivých plynů. Dokonce to byl jeho tým, který dodal Německu plyn pro bitvu u Ypres. BASF se zasloužilo o prodloužení války minimálně o několik měsíců.

Po válce se Haber stal téměř válečným zločincem. Dále pracoval na extrakci zlata z moře, aby pomohl Výmarské republice s nelehkou dluhovou situací, ale bez úspěchu. Zemřel v roce 1933.

I ve druhé světové válce hrál BASF roli. Spojením s Bayerem, Hoechstem a několika menšími firmami se BASF transformoval do IG Farben, jehož šéfem se stal Carl Bosch. I díky původnímu know-how vyvinuli Zyklon B. Bosch byl zastáncem svobodné Výmarské republiky, kritikem nacistů a předpověděl porážku od Sovětského svazu. Po začátku války zemřel.

Význam pro současnost

Proč je ale ten objev tak významný? V roce 1900 žilo na planetě 1,6 miliardy lidí. Zemědělské půdy je poslední století cca 600-700 milionů hektarů (do roku 1985 rozloha rostla, od té doby klesá). Držet bez umělých hnojiv v globálním průměru produkci pro 3 osoby na hektar je dost komplikované. V roce 1900 byla průměrná produkce pšenice 750 kg / ha. Dnes je to přes 3000 kg / ha.

Proteiny obsahují obvykle sedminu dusíku. Tím pádem necelé 1-2% hmotnosti jídla je dusík. Člověk potřebuje 80 g proteinů na den a ještě musí zbýt na hospodářská zvířata. Ne vše co vyroste se dá sníst efektivita není stoprocentní. Když se započítá maso z hospodářských zvířat, ryby, poodečítají se různé ztráty a pronásobí s velikostí populace, zjistíme, že by současná rozloha zemědělské půdy musela absorbovat více dusíku, než je schopná získat z bioodpadu + ze vzduchu s pomocí bakterie rhizobium. Nebudu zabíhat do detailů s výpočty, zájemci si mohou přečíst knihu Enriching the Earth, kde to je popsané.

Právě česko-kanadský vědec Vaclav Smil, autor této knihy, který je v oblasti energie a zdrojů špičkou v oboru, vypočítal, že Země byla v roce 1900 schopna při alokaci dostupné půdy uživit 2,4 miliardy lidi při spotřebě jako v roce 1995. Rozšiřovat ornou půdu není dnes mimo pralesů kam – jak bylo uvedeno výše, od roku 1985 se naopak rozloha snižuje kvůli zástavbě, infrastruktuře a industrializaci. S pomalým koloběhem dusíku a bez dodání extra živin toho prostě víc nevyroste. Některé rostliny dokážou být efektivnější, některé míň. Ale globálně je tady dost přísný limit a při současných stravovacích návycích by prostě Země sama víc nevyprodukovala.

Člověk tedy dneska 90% dusíku do půdy záměrně dodává a tento podíl roste. Většina z toho jsou právě umělá hnojiva z Haberova-Boschova procesu (v Evropě stovky kg dusíku na hektar). Zbytek pak kompost, hnůj, zbytky z nalezišť čilského ledku apod.

Haberův-Boschův proces byl objev, který umožnil mít dnes na planetě téměř 8 miliard lidí, přičemž jídla máme nadbytek a lokální hladomory jsou způsobené pouze nerovnoměrným rozdělením. A když bude lidí ještě o pár miliard víc, budeme mít jiné problémy, ale určitě ne nedostatek jídla.

Tento proces probíhá v opravdu masivním měřítku. Spolu s kyselinou sírovou jde o látku s největší produkcí chemického průmyslu. Každý rok vznikne v továrnách přes 200 miliard kg amoniaku. 1 kg potřebuje 25-30 MJ energie. Když to pronásobíte, dostanete exajouly a řádově jednotky procent energetické spotřeby planety. Zároveň každý MJ jídla potřebuje téměř tolik energie jen na dusíkaté hnojivo samotné.

Vědci teoreticky uvažují o 3 alternativách k umělým hnojivům: 1) genetická modifikace rostlin, aby uměly sami syntetizovat vzdušný dusík, 2) něco jako umělé rhizobium bakterie, 3) rostliny typu sinic nebo chlorelly. Haber sám předpověděl, že jeho řešení není konečné. Nicméně k Haberovu-Boschovu procesu samotnému žádnou rozumnou alternativu procesu dneska nemáme a ještě tady s námi určitě dlouho bude.