农田需要的氮从哪里来
每收走一季谷物，农田就失去一部分含氮养分。农民用粪肥、秸秆和绿肥补充土壤，也让豆科作物进入轮作。豆科植物与固氮微生物的共生能够带来新的氮，回收有机物则把已有的氮送回田间。人口和城市粮食需求扩大以后，这套循环所能提供的养分逐渐成为增产的限制。
十九世纪，鸟粪、智利硝石和炼焦副产的铵盐进入肥料市场，农田开始依赖矿藏、远洋运输和工业生产。空气虽然富含氮气，普通作物却不能直接利用它；氮分子中的牢固化学键使它很难参加反应。把空气里的氮转成可用的化合物，意味着为农业打开一种能够扩大生产的养分来源。
哈伯把反应装进循环装置
在卡尔斯鲁厄，弗里茨·哈伯研究氮、氢与氨之间的化学平衡。提高压力有利于氨的生成，降低温度也有利于平衡产率，却会使反应变慢。他与罗伯特·勒罗西尼奥改进高压实验装置，寻找能够在较低温度加快反应的催化剂，发现锇和铀具有可用的活性。这要求在反应速度、产率和设备负担之间反复试验：实验压力达到约二百个大气压，温度为数百摄氏度。催化剂使气体较快接近平衡，冷却与循环则把反应结果变成不断输出的产品。
到1909年，团队向巴斯夫公司展示了连续制氨的实验系统：氮和氢通过加热的催化剂，生成的氨经冷却分离，未反应气体再送回反应区。循环使每一遍只转化一部分的气体能够反复利用。桌面装置由此证明了一条生产路线；要让它每天稳定运转，工厂还需要廉价气源、能长期工作的催化剂，以及承受热和压力的设备。
催化剂与压力容器分别过关
巴斯夫把放大工程交给卡尔·博施。锇的稀缺使实验所用催化剂难以支撑大厂，阿尔温·米塔施带领团队进行成千上万次筛选，发展出带有促进剂的铁基催化剂。添加成分能够改善活性并维持有效结构。催化剂的配方和制备方法因此成为一项独立的工业技术，不能只按金属名称照搬实验。
博施面对的另一道障碍藏在钢管内部。高温高压的氢进入含碳钢，造成脱碳和裂纹，试验管会逐步失去承载能力。他利用冶金分析追查损坏，采用软铁内衬与承压钢壳分担任务，并安排氢逸出的通道。与此同时，工程人员改造压缩机、阀门、密封和测量设备，净化原料气，清除会使催化剂失效的杂质。反应器的可靠性来自这些配套环节一起达到要求。
奥堡把实验连成工厂
1913年9月9日，莱茵河畔奥堡的巴斯夫工厂产出了合成氨。制气、净化、压缩、催化反应和产品回收被接成一条生产流程。煤和焦炭参与提供氢及所需能量，空气提供氮；产出的氨进一步加工成硫酸铵，成为能够储存、装运和出售的肥料。厂区中用于输送气体的管道把多个车间连起来，氨的产量受整条流程制约。前端气源不足或杂质升高，即使合成塔本身完好，也会影响后端的肥料供应。
从小型装置转向工厂，也改变了工作的分工。气体分离、净化、煤气化和肥料车间各由专人负责，操作员需要观察压力、温度和气流，维修人员则处理泄漏与腐蚀。斯米尔记载，投产初期连已有工业经验的硫酸铵制造环节也遇到氨泄漏和酸液外溢。第一天产出氨只是开端，持续生产还要把这些损失逐一压下来。
同一股氮流向农田与战场
第一次世界大战爆发后，德国获取进口硝石的渠道受阻，合成氨的军事价值迅速上升。氨经氧化可制取硝酸，继而供应硝酸盐和炸药工业。博施参与推动这一转换，工业固氮成为德国维持军需生产的重要条件。最初以农业为市场的装置，由政府采购和战时扩建接入了战争。
此后，氮肥工业与育种、灌溉和农业机械共同支撑了粮食增产。农户能否获得肥料、土地和水，粮食能否运到并卖给需要的人，仍决定了产量怎样转成温饱。与此同时，田间未被作物吸收的氮会流入地下水和河湖，推动富营养化，也会以氨或氧化亚氮等形式进入大气。奥堡开启的生产能力扩大了食物供应，也把如何节约能源、减少养分流失变成农业必须长期处理的问题。