Alkemisterna från Ludwigshafen

Förhistorien – den samlande människan

Först i mänsklighetens behovsordning kommer födan. Därefter kommer inte bara moralen utan också den högre gastronomins alla finesser. Ur ett så krasst perspektiv är födan bränsle: fetter, proteiner och kolhydrater laddade med kemisk energi som vår ämnesomsättning omvandlar till värme och rörelse eller till ny energiladdning i kroppens celler.

Men maten landar inte som stekta sparvar på våra tungor. Karl Marx definierade en gång arbete som mänsklighetens ämnesomsättning med naturen. Att producera, samla, lagra och processa mat har varit arbetets kärnverksamhet under merparten av vår existens. Så länge det är energin från de livsmedel vi samlar och producerar som också förbrukas i arbetet så verkar människan, precis som andra djur, inom ramen för en kroppslig, somatisk, energiregim. En arbetsprocess som förbrukar mer energi än den levererar är ur det perspektivet inte hållbar.

Den odlande människan

När den samlande och jagande människan blev jordbrukare domesticerade hon några växters funktion som omvandlare av solens strålning till kemisk energi. Men det frigjorde henne inte från den kroppsliga energiregimen. Än så länge var det främst muskelkraften som hackade, plöjde och skördade. Nu framträdde dock en ny flaskhals i mänsklighetetens balansräkning med naturen. Både djur och växter behöver mineraler och spårämnen för att kunna växa och bilda celler. Den intensiva och permanenta odlingen rubbar kretsloppet av mineraler och spårämnen mellan stationära växter och de humuslager de växer ur, och upplöses i. När växterna oavbrutet konsumeras på annan plats än där de odlas utarmas jorden på spårämnen. Framför allt är det kväve, fosfor och kalium som lakas ur jorden. Om jorden brukas kontinuerligt på detta vis måste spårämnen återföras till jorden.

Utan att egentligen känna till de kemiska processerna har odlande människor under årtusenden utvecklat metoder för att upprätthålla en sådan balans. Att hålla jorden i träda för längre eller kortare perioder är förmodligen den äldsta. I flodkulturer och sumprisodling kan vattenflödet föra med sig stora mängder näringsrikt slam. Betande djur samlar kväverikt foder från omgivande arealer så att odlare kan gödsla med deras, och ibland också sina egna, exkrementer. I en komplex symbios med vissa jordbakterier kan baljväxter som ärtor och bönor fånga upp och fixera en del av det överflöd av kvävgas som jordatmosfären härbärgerar.

Men varje gång odlande människor har funnit på nya sätt att intensifiera den odlade markens upptag av energi har de också konfronterats med utmaningen att återföra spårämnen till marken. Så blev fallet också i artonhundratalets Europa efter det industriella genombrottet. Med teknik för att omvandla värme till rörelse i ångmaskiner och explosionsmotorer träder mänskligheten på allvar in i en utomkroppslig, exosomatisk, energiregim där merpaten av de energiflöden vi tillgodogör oss är oberoende av vår biologiska ämnesomsättning. På denna omvandling följer, bland mycket annat, några århundraden av ojämförlig befolkningstillväxt och urbanisering. Men demografisk omvandling kan inte ha sin huvudsakliga grund i en växande industriell produktion. För att den skall vara möjlig måste också produktionen av livsmedel växa.

För klassiska ekonomer som Thomas Malthus och David Ricardo framstod livsmedelsproduktionen som den industriella omvandlingens dystraste begränsning. Även om man kunde tänka sig att maskiner och fossila bränslen skulle ta över en del av människokroppens slit med jordbearbetning och skörd var  åkerarealer ändå en sant ändlig resurs. Etablerad erfarenhet sade dem att ju mer mekaniskt arbete man lade ner i jorden desto lägre blev den marginella avkastningen. Ricardo satte sitt hopp till den fria handeln. Om befolkningen växte i den industrialiserade världen kunde åkrarna i den globala periferin mätta dem. Men det var på sin höjd en temporär räddning. Förutom den strategiska risken med att folkförsörjningen blev beroende av långväga handel så var klotets samlade åkerarealer alltjämt ändliga.

Osignerad målning av Navassaön, ca 1870. Källa: Wikimedia Commons.

En frän doft av Guano

Ett sätt att hantera begränsningen blev att lägga till gödningsämnen till det flöde av råvaror och livsmedel som de industrialiserade regionerna försåg sig med från den globala periferin. Men inbäddat i detta flöde fanns också en betydande mängd av gammal hederlig somatisk energi utvunnen ur hårt kroppsarbete. Det kan framstå som en paradox att näringsinflödet till västvärldens prunkande åkrar kom att grävas fram ur några av planetens minst bördiga platser.

En tidig räddning undan kvävebristen hittade de europeiska spannmålsodlarna på de tre Chinchaöarna utanför den peruanska kusten. Under årtusenden hade dessa havsklippor vuxit sig mångdubbelt större genom ansamlingar av fossiliserade fågelfekalier; guano, från skarvar och andra fåglar som häckade på öarna och livnärde sig ur de extremt fiskrika vattnen. Ytterligare en fördel var områdets förhållandevis torra klimat som bevarat en hög kvävehalt i guanon. Mellan 1840 och 1870 forslade hundratals handelsfartyg varje år denna stinkande last från Stilla Havet till europeiska spannmålsfält.

Arbetsförhållandena var vedervärdiga. Merparten av guanobrytningen på Chinchaöarna utfördes av inskeppade kinesiska kontraktsarbetare. De rekryterades på femårskontrakt som många av dem aldrig överlevde. Den extremt höga dödligheten kan delvis hänföras till hårda arbetsförhållanden och undermåliga livsmedelsransoner, men framför allt berodde den på de lungskador som arbetarna ådrog sig när de tvingades andas in frätande ammoniakgaser.Clark, B. & Foster, J. G. ”Ecological Imperialism and the Global Metabolic Rift. Unequal Exchange and the Guano/Nitrates Trade” i International Journal of Comparative Sociology Vol 50 (3-4) 2009 s. 311-334 Vid sidan om kineser nyttjades också förslavade afrikaner och polynesier. År 1862 rövades exempelvis en tredjedel av Påsköns kvarvarande ursprungsbefolkning bort och fördes till guanobrotten. Av dessa ca 1000 personer dog omkring 90 procent på öarna innan en del internationella protester och påtryckningar drev igenom en repatriering av de sista, svårt medtagna, överlevarna i början av 1870-talet.Maude, H. E. Slavers in Paradise: The Peruvian Slave Trade in Polynesia, 1862-1864 Stanford University Press 1981

Guanohandeln var så lukrativ att Spanien – som förlorat alla sina amerikanska kolonier utom Kuba och Puerto Rico i Napoleonkrigen under 1800-talets första årtionden – ockuperade öarna i det så kallade Chinchakriget 1864 – 66. När öarna återlämnades till Peru 1871 var de vita guanobergen i princip utplånade.

Nu vidtog en jakt på nya guanoförråd. Redan 1856 hade Förenta staterna instiftat ”The Guano Island Act” som tillerkände amerikanska entreprenörer rätten att exploatera och annektera alla guanoöar de kunde finna på världshaven så länge dessa var obebodda och ännu oexploaterade. När det amerikanska inbördeskriget var avslutat kunde denna lag läggas till grund för framväxten av ett vidsträckt imperium bestående av ett 60-tal annekterade öar i Stilla havet, Karibien och Atlanten. Det blev den framväxande stormaktens första territoriella expansion utanför den amerikanska kontinenten.

Merparten av dessa nya öar på guanofrontens marginal hade dock mindre och sämre förråd än Chinchaöarna. De var förhållandevis rika på fosfor, men kvävehalten hade ofta lakats ur av regn och vind. Dessutom var många av dem svårtillgängliga. Överlag var det lätt att inse att jordens alla guanoresurser snart skulle vara förbrukade om man inte kunde finna nya lösningar.

Sacking guano, Ballestas Islands (1910). Källa: Wikimedia Commons

Att finna näring i öknen

Lösningen kom att uppdagas inte så långt söder om Chinchaöarna, i Atacamaöknen som vid denna tid delades mellan Bolivia, Chile och Peru. I en avlägsen forntid hade denna högslätt på Andernas sluttningar varit en havsbotten och ackumulerat stora ansamlingar av döda havsvarelser. Dessa organiska restmaterial har under traktens extrema klimatologiska förhållanden oxiderats till ett kväverikt natriumnitrat. Detta gödningsämne kom att presenteras för västvärldens bönder under handelsnamnet chilesalpeter. Det var också Chile, vars export gynnades av brittiska investerare, som i det så kallade salpeterkriget 1879 – 84 skaffade sig suveränitet över dessa fyndigheter.

Mellan 1880 och 1913 växte salpeterbrytningen i Atacama till en industri som sysselsatte omkring 300 000 arbetare och exporterade uppemot fyra miljoner ton årligen. Också dessa kväveflöden var beroende av hårt manuellt arbete.Whitbeck, R. H. ”Chilean Nitrate and the Nitrogen Revolution” Economic Geography Vol. 7 (3) 1931 s 273-283

Även om förrådet av chilesalpeter föreföll outtömligt så var beroendet av importerad handelsgödsel en oroskälla för många europeiska nationer. Det högkoncentrerade fossila kvävet återfanns på ett fåtal, i förhållande till Europa, avlägsna platser. Den som kontrollerade källan och distributionen kontrollerade också många européers livsmedelssäkerhet. Oron späddes på av att Västeuropas livsmedelsförsörjning samtidigt blev alltmer beroende av importerat spannmål från Nordamerika, Australien och Ryssland under den 50-årsperiod som föregick första världskriget.O’Rourke, K. H. ”The European Grain Invasion,1870 - 1913” I: The Journal of Economic History Vol 57 (4) 1997

Ett tyskt dilemma

Hotet var särskilt påtagligt i kontinentens nu snabbast växande industrination, det nyligen enade tyska riket. Den tyska industrialiseringen under 1800-talets sista årtionden var mer än på andra håll också ett nationellt och militärstrategiskt projekt, dirigerat i järnkanslern Otto von Bismarcks anda. Före Napoleonkrigen hade östra Tyskland fortfarande levererat ett betydande spannmålsöverskott till Västeuropa. I det utvecklings- och integrationsprojekt som innefattat det tyska riksenandet kom fokus att ligga på att växa i kapp och förbi de industrialiserade och imperiebyggande grannländerna – industriellt, teknologiskt och kolonialt. Som leverantör av livsmedel och råvaror trodde man sig dock aldrig kunna etablera de militära muskler som krävdes för att långsiktigt utmana britter och fransmän. I förhållande till dessa målsättningar framstår den snabba industriella utvecklingen både som medel och mål. I det som brukar beskrivas som en andra industriell revolution – präglad av tung metallurgi, vapenteknologi, kemisk industri, elektroteknik och explosionsmotorer – blev Tyskland nu världsledande.

I utvecklingsplanen hade också livsmedelsproduktionen en roll att fylla men den hade inte vuxit i samma takt som industriproduktionen och befolkningen. Vid första världskrigets utbrott hade befolkningen i det område som utgjorde 1913 års tyska rike vuxit från ca 35 miljoner 1850 till ca 65 miljoner. I stället för spannmålsöverskott hade man nu ett importberoende på uppemot 25 procent av konsumtionen. Samtidigt var den kvarvarande inhemska produktionen i allt högre grad beroende av importerad handelsgödsel. Bara mellan 1900 och 1912 hade införseln av chilesalpeter vuxit från 350 000 till 900 000 ton. Det året importerade Tyskland knappt 38 procent av all producerad chilesalpeter.1914-1918 online: International Encyclopedia of the First World War. Uppslagsord: ”Nitrate” (https://encyclopedia.1914-1918-online.net/article/nitrate 2023-02-24)

Chilenska salpeter-arbetare, tidigt 1900-tal. Källa: Wikimedia Commons

Kemisterna gör entré

“Whoever could make two ears of corn or two blades of grass to grow upon a spot of ground where only one grew before, would deserve better of mankind, and do more essential service to his country than the whole race of politicians put together.”
– Jonathan Swift. (1726) Gulliver’s Travels (Voyage to Brobdingnag) 

När det militära allianssystemet formerades kring sekelskiftet blev dilemmat uppenbart. Tyskland och centralmakterna var inlåsta på kontinenten. Motståndarna kontrollerade världshaven och den marina handeln. Vid en konflikt skulle Tysklands kanoner och industriella kapacitet förmodligen stå sig slätt om soldater och civilbefolkning fick svälta. Dilemmat blev inte mindre av att chilesalpeter och guano, vid sidan av sin livgivande funktion, hade kommit att bli en strategisk oundgänglig råvara i den industriella produktionen av ammunition och moderna sprängämnen. Oron skulle visa sig befogad när kriget bröt ut. Mellan 1915 och 1918 blev Tyskland helt avskuret från import av handelsgödsel.Ibid.

I den tidens Tyskland låg det nära till hands att söka en teknisk lösning. Andra halvan av 1800-talet och de första åren på 1900-talet var elektricitetens och explosionsmotorns tidevarv, men kanske var det i än högre grad kemins. Det var en vetenskap som nu revolutionerades av genombrott inom syntetisk organisk kemi, katalysforskning och elektrokemi. För första gången i mänsklighetens historia kunde molekyler som inte existerar i naturen framställas i laboratorier och storskaligt i industriella processer, samtidigt som ämnen som också existerade naturligt kunde formas syntetiskt. Grundämnen kunde förflyttas mellan fasta, flytande och gasformiga aggregationer (vid oförändrade temperaturer) när man pusslade om de molekyler de ingick i. Därmed uppenbarades en hisnande möjlighet. Eftersom den brittiska kemisten John Lowes redan på 1840-talet utvecklat en metod för att frigöra så kallade superfosfater ur fosformalm med hjälp av svavelsyra, och kalium kunde utvinnas förhållandevis rikligt både ur malmer och organiska källor hade kväve, i än högre grad, kommit att bli det knappa spårämnet.

Bristen gällde dock bara de kväveföreningar som återfanns i fast form i humuslagret och jordskorpan. Som kvävgas upptar grundämnet omkring sjuttioåtta procent av jordatmosfärens volym – i luften fanns det alltså i överflöd. Om en ekonomiskt hållbar process kunde fixera en ytterst liten del av denna kvävgas till ett fast ämne som i sin tur kunde blandas upp med odlingsjorden, skulle det kunna bli den trollformel som befriade Tyskland från ett förlamande svälthot den dag en väntad storkonflikt utlöstes. Att den dessutom skulle förse riket med helt nya ammunitionstillgångar skulle inte vara en liten bonus. För den som lyfte blicken från geopolitikens nationella chauvinism lovade en sådan process att en gång för alla utplåna en av den mänskliga försörjningens mest påtagliga restriktioner.

Kring sekelskiftet 1900 utvecklades ett flertal metoder för att fixera atmosfärens kväve till vätskor och fasta partiklar. De tidigaste försöken var dock alldeles för energikrävande för att kunna utvecklas till storskaliga industriella processer.

Det blev Fritz Haber, den kanske mest prisade (och ökändaHaber föddes 1868 som son till en judisk färghandlare i Breslau (Wroclav) i nuvarande polska Schlesien. Han blev en brinnande stortysk nationalist som ville sätta sin vetenskap i fosterlandets tjänst. Förutom Haber-Bosch-syntesen är han förmodligen mest känd som hjärnan bakom det tyska gaskriget under första världskriget med utvecklingen av stridsgaser som klor- och senapsgas. Han patenterade också en pesticid av blåsyra under handelsnamnet Zyklon-B. För dess användning i förintelsens gaskammare kan han dock knappast lastas. Vid nazisternas maktövertagande 1933 fråntogs han alla sina positioner på grund av sin judiska bakgrund. Han dog i exil i Schweiz 1934. Om Habers liv fram till 1915 och om den moraliska klyfta som första världskriget öppnade mellan honom och hans hustru Clara Immerwahr (också hon en lysande kemist) har Lena Einhorn skrivit en fin dokumentärroman, Geniet från Breslau, Natur & Kultur, 2018) av tidens många geniala tyska kemister, som kom att utveckla en ekonomiskt hållbar metod för kemisk kvävefixering genom ammoniaksyntes. Kortfattat går metoden ut på att kvävgas och vätgas under högt tryck och hög temperatur, bildar ammoniak med oxiderat järn som katalysator. Ammoniaken kan lösas i vatten och fixeras i form av nitrat. För att utveckla metoden till industri inledde Haber ett samarbete med kemiingenjören Carl Bosch vid Tysklands största kemikoncern: BASF i Ludwigshafen. Metoden kom därför att ges namnet Haber-Bosch-syntesen. Det var ett samarbete som gav BASF monopol på syntetisk ammoniak för framställning av konstgödsel och ammunition. Fabriksanläggning i Ludwigshafen stod färdig 1913, året innan det fruktade stora kriget bröt ut. 1916 kompletterades den med det gigantiska kemikomplexet Leunawerke i Sachsen-Anhalt, där östra Tysklands rika brunskolreserver kunde tillfredsställa ammoniakproduktionens stora energibehov.För den tyska folkförsörjningen under kriget kom innovationen för sent. Hungern i framförallt de urbana delarna av Tyskland och Österrike var en viktig faktor bakom kapitulationen. I än högre grad kom den att användas som argument för utvecklingen av en högre inhemsk försörjningsgrad under mellankrigstiden. (1914-1918 online… a.a. Uppslagsord: ”Food and nutrition”)

BASF fabrik i Ludwigshafen, 1865. Källa: Wikimedia Commons

När Haber tilldelades Nobelpriset i kemi strax efter krigsslutet 1918 hyllades han i prismotiveringen som trollkarlen som frälst världen från hunger genom att göra bröd av luft.

Konstgödselns tid

Beräkningarna över hur den globala försörjningskapaciteten påverkats av Haber-Bosch-syntesen varierar, men hamnar ofta någonstans mellan två och fyra miljarder mättade munnar.Smil, V. Enriching the Earth. Fritz Haber, Carl Bosch and the Transformation of World Food Production. The MIT Press 2001 s. 156 ff. Det är givetvis ett spekulativt och kontrafaktiskt resonemang. Ingen kan veta vilka metoder som kunde ha utvecklats i dess ställe.

Det var först efter 1945 som konstgödsel baserat på fixerat kväve verkligen slog igenom globalt – från en världsförbrukning på ungefär 4 miljoner ton 1940, till 40 miljoner ton kring 1960 och 150 miljoner ton i början av 1990-talet.McNeill, J. R. Någonting är nytt under solen. Nittonhundratalets miljöhistoria. SNS förlag 2003 s. 45

Expansionen sammanhänger med en växande frihandel och att patenten och processerna blev mer tillgängliga utanför Tyskland. Men i än högre grad med en annan grundförutsättning som hittills bara antytts. Fixeringen av kväve genom ammoniaksyntes är energikrävande. Dels är molekylerna laddade med kemisk energi, och dels förspills värmeenergin i omvandlingsprocessen. En förutsättning för att producera billiga gödningsämnen på det här viset är att man har tillgång till billig energi. Det var därför Leunaverke placerades i anslutning till de östtyska brunkolsfälten. Lika gärna som vi säger att Haber-Bosch-processen gör bröd av luft kan vi säga att den gör mat av olja och kol – så länge dessa fossila bränslen dominerar i vår energiförsörjning. Det är främst den energiintensiva produktionen i kombination med att konstgödsel ger ifrån sig lustgas (dikväveoxid) när den sprids på fälten som resulterat i att dess andel har beräknats till ungefär en fyrtiondel av våra globala växthusgasutsläpp.Ledo, A., Menegat, S. & Tirado, R. ”Greenhouse gas emissions from global production and use of nitrogen synthetic fertilisers in agriculture.” I Nature; Scientific reports (https://www.nature.com/articles/s41598-022-18773-w - 2023-02-24)

Från efterkrigstiden och framåt kan man också se en tilltagande korrelation mellan livsmedels- och energipriser. Konstgödselns betydelse för det sambandet är påtaglig. När den ryska gaskranen skruvades åt hösten 2022 skenade världsmarknadspriserna på konstgödsel så mycket att många bedömare varnar för en hotande global livsmedelskris.Bogmans, C.; Pescatori, A. & Prifti, E. ”Global Food Prices to Remain Elevated Amid War, Costly Energy, La Niña” IMF Blog: Commodities December 9, 2022 (https://www.imf.org/en/Blogs/Articles/2022/12/09/global-food-prices-to-remain-elevated-amid-war-costly-energy-la-nina - 2023-02-24)

Péti Nitrogén Műtrágyagyár Rt. Foto: FORTEPAN / Veszprém Megyei Levéltár/Kozelka Tivadar / Källa: Wikimedia Commons

Växande utbud och sjunkande relativpriser för gödningsämnen fick också konsekvenser på längre sikt, eftersom det blev så billigt att brukarna hellre använde för mycket än för lite. Det handlade inte längre bara om att återställa balansen av spårämnen i jorden utan om att öka koncentrationen. Konsekvenserna är väl kända. Överskottet lakades ur åkrarna. Följden blev övergödning och rubbad syrebalans i vattendrag och kustnära hav. Först på senare år har vi sett en utveckling av tekniker som i högre grad vinnlägger sig om att se till att gödningsämnen begränsar sig till målområdet.

Det nya överflödet av billigt fixerat kväve fick även andra konsekvenser. Först och främst kom konstgödseltillgången att förändra den globala matsedeln. Varianter av majs, vete och ris som var mottagliga för extra höga kvävegivor bredde ut sig på andra grödors bekostnad. Idag kommer två tredjedelar av världens spannmålskonsumtion från dessa tre växter i ett minskande antal hårt framavlade och ibland genetiskt manipulerade varianter. Även sojabönor, som kommit att bli den dominerande fodergrödan för världens snabbt växande köttkonsumtion, har visat sig ytterst mottaglig för höga doser av konstgödsel.Smil, V. Feeding the World. A Challenge for the Twenty-First Century, MIT Press 2000 s. 250 ff

Slutord. Vad blir det för mat?

”’Your mother can’t produce food out of thin air’ said Hermione. ‘No one can. Food is the first of the five principal exceptions to Gamp’s law of elemental transfiguration’”
– J. K. Rowling. (2007) Harry Potter and the Deathly Hallows”

Måhända var det minst framgångsrika av Fritz Habers många storslagna vetenskapliga projekt hans försök att ur havsvatten utvinna guld som skulle kunna utplåna det tyska krigsskadeståndet efter första världskriget.Smil, V. Enriching the Earth… aa. s. 228 ff. Det var den svenska kemisten Svante Arrhenius beräkningar om en guldhalt i havsvatten på ca 2 milligram/ton som låg till grund för Habers försökMed historisk distans leder studiet av mer lyckade vetenskapliga genombrott ofta tankarna till den skatt som sagor och myter placerat vid regnbågens slut. Kunskapsprång som skall överbrygga fundamentala konflikter och begränsningar genererar ofta nya; om än på en mer komplex nivå.

Det är svårt att avfärda en process som visat sig avgörande för att försörja mänskligheten. Vårt beroende av konstgödsel är dock konsekvensen av ett vägval. Beroendet av billig energi, en tilltagande monokultur på världens åkrar, övergödning och accelererande syrebrist i hav och vattendrag, kemisk obalans i åkrarnas humuslager samt en hotande brist på fosfor och andra kompletterande spårämnen är bara några av de orosmoln som tornar upp sig på den väg vi har valt.

Nya biokemiska processer, såväl för att framställa kulinariska upplevelser som för att tanka våra kroppar med kemisk energi, skymtar nu runt olika vägkrökar. Prognoser om storskalig uppfödning av proteinrika larver eller industriell syntetisering av mat ur vegetariska och animaliska stamceller blir vanligare, och förefaller alltmer realistiska. Våra kunskaper om dessa vägval ökar snabbt. Ändå vet vi förmodligen mycket mindre än vi skulle behöva, om vad så grundläggande förändringar kan komma att innebära för mänskligheten.