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Du pain tiré de l'air : la synthèse de l'ammoniac de Haber et Bosch

Avant 1913, l'azote dont les cultures ont besoin venait du fumier, des légumineuses et de quelques gisements comme le salpêtre du Chili ; après, l'industrie sut le prendre à l'air, et en 2008 on estimait que les engrais ainsi produits nourrissaient près de la moitié de l'humanité.

Datation
de 1909 à 1913
Lieu
Institut de technologie de Karlsruhe, Karlsruhe, Allemagne · Fritz Haber et son assistant Robert Le Rossignol à l'École technique supérieure de Karlsruhe ; Carl Bosch et les ingénieurs de la Badische Anilin- und Soda-Fabrik (BASF) à Ludwigshafen et à Oppau
Coordonnées
49° 01′ N · 8° 25′ E (approximatives)
Ce qu'il en reste
Intact
Une haute colonne étroite d'acier sombre et rouillé se dresse sur une pelouse, bien plus haute que les buissons qui l'entourent, sous un ciel gris et couvert. Elle s'épaissit au sommet en un lourd collier couronné de boulons, et à mi-hauteur comme à sa base en brides boulonnées. Derrière elle s'élève la façade claire, carrelée, d'un bâtiment universitaire moderne.L'image n'a pas pu être chargée.Image non enregistrée sur cet appareilLa voir sur la notice d'origine
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Dietmar Rabich, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia CommonsCC-BY-SA-4.0Notice d'origine

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Note de l'archiviste

L'azote formait l'essentiel de l'air que respirait cette civilisation, et pourtant ses champs en manquaient. Ce gaz ne voulait se combiner à rien. Pendant des siècles, les paysans le rendirent au sol par le fumier et les fèves ; plus tard, des navires apportèrent la fiente d'oiseaux de mer du Pérou et le salpêtre du désert chilien.

Dans un laboratoire de Karlsruhe, le 2 juillet 1909, un chimiste nommé Fritz Haber et son jeune assistant montrèrent à des visiteurs venus d'une entreprise de colorants un petit appareil d'acier. Le gaz y entrait sous une pression énorme ; d'un tube étroit tombaient, l'une après l'autre, des gouttes claires d'ammoniac liquide. L'assistant en garda deux tubes scellés.

L'ingénieur de l'entreprise, Carl Bosch, passa quatre ans à changer cet appareil de table en tours d'acier semblables à celle que l'on conserve ici. En 1913, la première usine ouvrit à Oppau. Moins de deux ans plus tard, son ammoniac servait aussi à fabriquer des explosifs pour une guerre, et Haber envoyait du chlore sur les champs d'Ypres.

Les deux hommes reçurent le prix Nobel. Une grande part du pain du siècle suivant poussa grâce à leur réaction, et une grande part de l'azote qu'elle libéra s'en alla vers les rivières, les mers et le ciel.

Établi

  • Le 2 juillet 1909, à Karlsruhe, Fritz Haber et son assistant Robert Le Rossignol présentèrent à des représentants de BASF un appareil de laboratoire qui combinait l'azote de l'air à l'hydrogène, sous haute pression et sur un catalyseur, pour en tirer de l'ammoniac liquide, goutte à goutte (Sheppard 2017 ; Science Museum Group).
  • BASF finançait les travaux de Haber depuis mars 1908 et acquit les droits du procédé ; une équipe dirigée par Carl Bosch remplaça les coûteux catalyseurs de Haber, l'osmium et l'uranium, par du fer additionné d'autres substances, et construisit des cuves capables de résister à la pression et à la chaleur (Sheppard 2017 ; prix Nobel, biographie de Bosch).
  • La première usine de synthèse industrielle de l'ammoniac entra en service à Oppau, près de Ludwigshafen, en 1913 (BASF ; prix Nobel, biographie de Bosch).
  • Pendant la Première Guerre mondiale, quand le salpêtre du Chili ne parvenait plus en Allemagne, l'ammoniac de synthèse fut transformé en acide nitrique pour les explosifs (Erisman et al. 2008). Haber mit aussi au point des gaz de combat pour l'armée allemande et dirigea le premier emploi du chlore sur le front occidental, à Ypres, en 1915 (Science History Institute).
  • Haber reçut le prix Nobel de chimie de 1918, remis en 1919, pour la synthèse de l'ammoniac à partir de ses éléments ; Bosch partagea le prix de 1931 avec Friedrich Bergius pour les méthodes chimiques à haute pression (prix Nobel).
  • Erisman et ses collègues estimaient en 2008 que les engrais azotés avaient fait vivre environ 27 % de la population mondiale au cours du siècle écoulé, et qu'en 2008 ils nourrissaient 48 % de l'humanité (Erisman et al. 2008).
  • En 2005, environ 100 Tg d'azote issu du procédé Haber-Bosch furent épandus dans l'agriculture mondiale, alors que 17 Tg seulement parvinrent aux humains dans leur alimentation ; l'essentiel du reste s'échappa dans l'eau et dans l'air (Erisman et al. 2008). En 2021, l'Agence internationale de l'énergie estimait que la production d'ammoniac représentait environ 2 % de la consommation finale d'énergie mondiale et 1,3 % des émissions de CO2 du système énergétique (AIE 2021).

Interprétation

Le chiffre de 48 % est une estimation par modèle : il repose sur des hypothèses quant aux rendements qu'on aurait obtenus sans azote de synthèse, et Erisman et ses collègues le présentent comme tel, en ajoutant qu'il reste discutable de savoir dans quelle mesure les conséquences peuvent, au total, être tenues pour bénéfiques. Le partage du mérite entre Haber, qui montra que la réaction pouvait fonctionner, Le Rossignol, qui conçut l'appareil, et Bosch et les ingénieurs de BASF, qui en firent une industrie, reste discuté. Le rôle de Haber dans la guerre des gaz, et le suicide de son épouse, la chimiste Clara Immerwahr, en 1915, font de lui l'une des mémoires les plus partagées de l'histoire des sciences ; Haber, né dans une famille juive, démissionna en 1933 plutôt que de congédier ses collaborateurs en application des lois raciales nazies, et mourut à Bâle en janvier 1934.

Dans 10 000 ans

Dans 10 000 ans, l'azote échappé de ces champs se lira-t-il encore dans les boues des lacs et dans la glace, signature chimique d'une espèce qui apprit à se nourrir de l'air ?

Sources (9)
  1. Erisman, J. W., Sutton, M. A., Galloway, J., Klimont, Z., Winiwarter, W. How a century of ammonia synthesis changed the world. Nature Geoscience 1, 2008, p. 636-639. · doi.org
  2. Sheppard, D. Robert Le Rossignol, 1884-1976: Engineer of the 'Haber' process. Notes and Records of the Royal Society 71 (3), 2017, p. 263-296. · doi.org
  3. Science Museum Group. Sample of Haber's synthetic ammonia, 2 July 1909, object number 1952-391/2. · collection.sciencemuseumgroup.org.uk
  4. The Nobel Prize in Chemistry 1918: Fritz Haber, summary and biographical notice (Nobel Lectures, Chemistry 1901-1921). · www.nobelprize.org
  5. The Nobel Prize in Chemistry 1931: Carl Bosch and Friedrich Bergius, summary and biographical notice of Carl Bosch. · www.nobelprize.org
  6. BASF. 1913: First ammonia synthesis plant (corporate history chronology). · www.basf.com
  7. Science History Institute. Fritz Haber (scientific biography). · www.sciencehistory.org
  8. International Energy Agency. Ammonia Technology Roadmap: Towards more sustainable nitrogen fertiliser production, Paris, October 2021 (with the International Fertilizer Association summary for policymakers, November 2021). · www.iea.org
  9. Karlsruhe Institute of Technology. 100 Objekte: 036, Reaktor zur Ammoniaksynthese. · www.100objekte.kit.edu

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Dietmar Rabich, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia CommonsCC-BY-SA-4.0Notice d'origine