「ハーバープロセス」という言葉に、工業、アンモニア、窒素、肥料、エネルギー消費といった言葉を添えると、ほとんどの人は長い煙突から煙を吐き出し、環境を汚染する工場の姿を思い浮かべるだろう。実際、その側面は確かにある。しかし皮肉なことに、このプロセスには根本的に重要なプラスの効果も存在するのだ。経済や雇用創出の話だけではない。
ハーバー・ボッシュ法とは何か
正確には、このプロセスは「ハーバー・ボッシュ法」と呼ばれる。創始者であるフリッツ・ハーバー(Fritz Haber)とカール・ボッシュ(Carl Bosch)という2人のドイツ人化学者が、1910年に協力して開発した技術だ。大気中の二窒素と二水素の反応によってアンモニアを生成する仕組みで、高温・高圧下で金属触媒を用いて反応を誘起する。
この発明が極めて重要だったのは、それまでアンモニアを工業規模で生産することが困難だったからだ。既存のビルケラン・アイデ法やフランク・カロ法などの方式は、効率の面で大きく劣っていた。
なぜ大量のアンモニアが必要だったのか――戦争と火薬
現在なら「肥料の基本成分だから」と答えるだろう。しかし20世紀初頭の数十年間、目的は爆発物や弾薬の生産だった。この点でドイツは特別な関心を抱いていた。避けられない戦争に向けて軍拡競争に突き進んでいたからだ。そして開戦後、連合国がチリ産の硝石の輸入を遮断した(採掘企業はイギリス資本だった)ため、ドイツの兵器産業は原料不足に陥ることになった。
大気中の窒素を固定するという科学の挑戦
実は、アンモニアと硝酸塩への需要増大は前世紀以来、ドイツだけでなく世界的な現象だった。重要な窒素源は私たちの身近にある大気そのものであり、窒素はその87%を占めている。しかし窒素分子は極めて安定しているため、他の化学物質と反応させることが難しい。だからこそ、その変換の実現は科学にとって大きな課題だった。フリッツ・ハーバーは高圧装置を独自に開発し、空気から少しずつアンモニアを生成することに成功。1909年にその成果を正式に発表した。
BASFによる工業化とノーベル賞受賞
ドイツの化学会社BASFはこの発明を獲得し、工業規模への適用を進めた。翌年、カール・ボッシュがその実装を担い、1913年にアンモニアの量産が開始された。1日20トンという生産量を達成すると成功は明白となり、ドイツは誰にも依存せずに第一次世界大戦に臨めるようになった。一方、チリ硝石の売上は3分の2に落ち込み、価格は暴落した。
戦争が終わると、先入観は脇に置かれ、学術的な評価が正当に行われた。両者の業績は、その後の他分野での研究と合わせて高く評価され、ハーバーは1918年に、ボッシュは1931年に、それぞれノーベル化学賞を受賞した。
ハーバーの複雑な遺産
ただし、誇り高き愛国者だったハーバーの足跡には暗い部分もある。第二次イーペル会戦や東部戦線で使用された塩素ガスの開発に参加していたのだ。一方で彼は、キリスト教徒でありながらユダヤ人の血を引いていたことを理由に、ナチス政権への協力を拒んだ(皮肉なことに、ナチスは彼が開発したガスを「最終的解決」に悪用した)。ボッシュもまた、ナチスとは距離を置いた人物だった。
現代のハーバー・ボッシュ法――肥料生産の中核へ
時代は変わり、現在このプロセスの主用途は肥料用アンモニアの生産だ。窒素と水素(天然ガス中のメタンから、ニッケル触媒で炭素と水素の原子を分離して得られる)を、約400〜500℃の温度、150〜300気圧の条件下で結合させる。当初の触媒オスミウムは、より入手しやすいウランに置き換えられ、現在ではコスト削減のため磁鉄鉱(酸化鉄粉末)ベースの触媒が採用されている。
旧来の技術――フランク・カロ法との比較
ハーバー法が登場するまで、工業用肥料は1898年にアドルフ・フランクとニコデム・カロが発明したシアンアミド法(フランク・カロ法)で製造されていた。これは炭化カルシウムと窒素の発熱反応を利用するもので、1000℃に加熱された大型鋼製円筒内で行われた。生成物は炭素と、肥料の原料となる白色無臭の結晶「石灰窒素(シアンアミドカルシウム)」だった。
問題は、この方法が膨大な電力と大量の人員を必要としたことだ。ハーバー法の普及により、フランク・カロ法は主役の座を譲った。現在でも使われているが、工業部門で圧倒的なシェアを誇るのはハーバー法で、年間約4億5000万トンを生産している。その反面、世界の天然ガスの3〜5%を消費しており、これは地球全体のエネルギー供給の約1〜2%に相当する。
環境への影響――富栄養化という副作用
これらの数字は決して肯定的とは言えない。製造されたアンモニアのうち実際に消費されるのはわずか17%で、残りは土壌、大気、水域に残留する。一部の研究によれば、これは自然の窒素循環を変質させてしまったという。アンモニアと硝酸塩の半分以上が土壌中に広がり、雨水とともに河川や海洋へ流れ込み、過剰な栄養を供給することで生態系に影響を及ぼす。その結果、栄養をたっぷり得た藻類や細菌が異常繁殖し、他の生物が必要とする酸素を奪ってしまう。これがいわゆる「富栄養化」だ。
大気においても同様の乱れが起こっている。過剰な窒素は対流圏のオゾンを増加させ、成層圏のオゾンを減少させるのだ。ただし良い面を見れば、大気中の窒素比率の上昇は、大規模な森林によるCO2吸収を促進する効果もある。
それでも世界を養えるのはこの技術のおかげ
こうした欠点を補って余りあるのが、世界の食料供給への貢献だ。これらの肥料の活用により、過去1世紀で農地の生産性は4倍に向上し、農業用地は地球の総表面積の15%未満で済むようになった。
その結果として人口爆発が起きたことも事実だ。世界の人口は1900年の16億人から、今日では70億人を超える規模にまで増加した。しかし肥料のおかげで、農業と畜産はかつてないレベルに達し、地球上の人類の3分の1を養うことができている。この技術がなければ、土地は十分な食料を生産できなかっただろう。