地球上の「希少な宝物ヘリウム元素」にはどんな科学的謎が隠されているのでしょうか？

制作：中国科学普及協会

著者: 李忠平 (中国科学院西北生態環境資源研究所石油・ガス資源研究センター、中国鉱物学・岩石学・地球化学学会ガス地球化学委員会)

プロデューサー: 中国科学博覧会

広大な宇宙では、さまざまな元素が絶えず生まれ、死んでいきます。その中でも、発見されて以来、大きな注目を集めている元素が「希ガス」です。希ガスというと、まず思い浮かぶのは、周期表の ⅧA 族元素、すなわちヘリウム (He)、ネオン (Ne)、アルゴン (Ar)、クリプトン、キセノンです。自然界では非常に稀で、他の物質と反応せず、不活性ガスとも呼ばれます。

しかし、なぜ一部の希ガスは地球上では非常に希少であるのに、宇宙では非常に一般的なのか疑問に思ったことはありませんか?科学者が希ガス同位体を使って地球の進化の歴史を明らかにする方法をご存知ですか?希ガス同位体比測定はどのように行われますか?希ガスの応用分野は何ですか?人類はどのようにしてこれらの貴重なガスを手に入れるのでしょうか?

実際、あらゆる希ガスには不思議な謎が隠されています。あなたも興味があると思いますよ！一緒に希ガス地球化学の神秘の世界に足を踏み入れましょう。この記事では、ヘリウム同位体の地球化学の謎を探ります。

アルゴンからヘリウムへ: ウィリアム・ラムゼーのガスへの旅

ヘリウムが100年以上前に人類によって発見されたことをご存知ですか?

1894 年 4 月 19 日の夕方、ウィリアム・ラムゼーはジョン・ウィリアム・ストラザーン・レイリー卿の講義に出席していました。レイリー卿は亜硝酸アンモニウムと呼ばれる化合物が空気中とは異なる密度の窒素を生成できることを発見していました。議論の末、レイリーとラムゼイは共同でこの現象の原因を調査することに決めました。彼らはすぐにそれぞれの研究室でこの研究を開始し、ほぼ毎日連絡を取り合ってお互いに研究の進捗状況を報告し合いました。

同年8月、ラムゼーとレイリーは新元素アルゴンの発見を発表しました。 1895 年、ラムゼーはイットリウムウラン鉱 (不純で放射性のウランを含むウラン鉱石) からヘリウムを分離し、この元素が地球上にも存在することを証明しました。その後数年で、ラムゼーはネオン、クリプトン、キセノンを発見した。ラムゼーは、空気中の希ガス元素を発見し、その周期表における位置を決定したことで、1904年にノーベル化学賞を受賞しました。

ラムゼイは優れた科学者であり、彼の発見は周期表の空白を埋めただけでなく、人類の自然理解と科学の発展の促進に大きく貢献しました。彼の功績は、後世の人々に科学的真実の追求を続け、科学技術の発展を促進するよう刺激を与えました。私たちは彼の名前と科学の発展に対する彼の偉大な貢献を忘れず、人類文明の進歩のためにたゆまぬ努力をしてくれたことに感謝すべきです。

図 1. ウィリアム・ラムゼー (1852-1916) は、希ガスを発見したスコットランドの化学者で、共同研究者のジョン・ウィリアム・ストラザーン (レイリー) とともに 1904 年にノーベル化学賞を受賞しました。2 人がアルゴンを発見した後、ラムゼーは他の大気中のガスを研究し、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンを分離する研究で先駆的な貢献を果たし、周期表の作成につながりました。

（写真提供：ノーベル賞委員会公式サイト）

ヘリウム：地球上のこの「希少な宝物」の背後には、どんな宇宙の秘密が隠されているのでしょうか？

ヘリウムの起源は約138億年前のビッグバンにまで遡ることができます。当時、宇宙には水素と少量のヘリウムという 2 つの元素しかありませんでした。これらの元素は宇宙空間の重力によって集まり、星や銀河を形成します。星が中心核で水素を燃焼すると、高温高圧の環境が生まれ、水素原子がヘリウム原子に融合します。星が死んで爆発すると、大量のヘリウムやその他の元素が宇宙に放出されます。

宇宙全体を見ると、ヘリウムは質量の 23% を占めていますが、地球の大気中ではヘリウムの濃度は非常に低く、体積で 5.2 ppmv しかありません。これは、ヘリウムの原子量が比較的小さく、大気中の他のガスよりも分子速度が速いため、地球の大気圏から逃げやすいためです。

さらに、ヘリウムは非常に安定したガスでもあります。地球の大気中の他のガスの化学反応によって容易に吸着または変換されないため、大気中に蓄積されることも防止されます。それに比べて、水素は軽いですが、酸素と結合して水を形成したり、炭素と結合してさまざまな炭化水素を形成したりするなど、化合物を形成できるため、地球上の水素含有量は比較的高いです。

図 2. 乾燥した空気は、窒素、酸素、アルゴン、およびその他のガスが少量混合されたものです。

水蒸気を除く分子数による地球の大気の構成

下のグラフは微量ガスを表しており、これらを合わせると大気の約0.0434％を構成します（2021年8月の濃度は0.0442％）。数値は主に2000年のものであり、CO2とCH4は2019年のものであり、単一の発生源を表すものではありません。

(画像出典: engineeringtoolbox-空気の組成と分子量)

ヘリウムには 8 つの同位体があり、そのうち安定しているのはヘリウム 3 とヘリウム 4 の 2 つだけです。地球の大気中のヘリウムの主成分はヘリウム4で、ヘリウムの約99.99986%を占めています。ヘリウム3は地球上で非常に稀少で、わずか0.00014%程度しか存在せず、核兵器実験によって少量のヘリウム3が生成されます。宇宙で最も早く形成された元素の 1 つであるヘリウム 3 は、地球上では主にビッグバンと恒星内部の核融合反応によって生成されます。

もう 1 つは放射性起源のヘリウム 4 で、これは放射性元素 (トリウムやウランなど) が地球内部で崩壊するときに放出されるアルファ粒子です。ヘリウム4は主に地殻、特に堆積盆地に存在し、亀裂や地質流体を通じて地表に放出されることがあります。

ヘリウム同位体比、地球深部の秘密を探る

ヘリウム 3 とヘリウム 4 は地球上で異なる発生源を持つため、異なる発生源からのヘリウムの 3He/4He 比には大きな違いがあります。したがって、地球深部から地表に上昇するヘリウム中の 3He/4He 比を分析することで、科学者は地殻変動、岩石の熱および化学履歴、地球の進化の歴史など、地球深部の物質の構成と動きを理解することができます。

太陽系の物質のような原始的なヘリウムは、通常、3He/4He 比が高くなります。これは、ヘリウムの同位体比が宇宙の形成時に固定されていたためであり、太陽系の物質の起源と進化を決定するために使用できます。

地殻中のヘリウムなどの放射性起源のヘリウムは、通常、3He/4He 比が低く、約 10^-8 から 10^-7 の間になります。これは、地殻内で生成されるヘリウムは主に放射性崩壊による 4He から生成され、放射性同位体の崩壊によってヘリウム同位体の比率が変化するためです。

ヘリウム同位体比を利用して地球内部の物質の進化と循環を研究するにはどうすればよいでしょうか?

科学者は、さまざまな地域のマントルのサンプル中のヘリウム同位体比を測定し、マントル物質の起源と進化の歴史を研究することができます。ある領域のヘリウム同位体比が平均より高い場合、その領域の試験サンプルはより原始的なマントル物質に由来している可能性がある。逆に、比率が低い場合は、サンプルで表される特定の領域で材料の混合とリサイクルがより多く行われていることを意味する可能性があります。

例えば、ハワイ島では、火山岩中のヘリウム同位体比は大気レベルの 40 倍以上にも達しており、ハワイ島の火山マグマは地球の深部にある原始的または特異なマントル物質から発生し、特異な火山岩 (科学者はこれを「ホットスポット」と呼んでいます) を形成している可能性があることを示しています。大西洋中央海嶺では、海底玄武岩のヘリウム同位体比は大気中のわずか 8 倍であり、これは中央海嶺が混合を伴う比較的浅い層、または共通のマントル源から形成されたことを示している可能性があります。

図 3. 3He/4He 比と 40Ar/36Ar 比を使用してマントル物質の移動と進化を示す。

（画像出典：宏近・角野 2010）

ヘリウム同位体は、他の希ガス（ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン）とともに地球化学研究に応用され、大きな進歩を遂げてきましたが、まだ探求すべき未知の領域が数多く残っています。例えば、科学者たちはまだ、地球内部の特定の領域におけるヘリウム同位体の組成と分布、あるいは地球の進化がそれらの領域にどのような影響を与えてきたかを知りません。さらに、ヘリウム同位体は、太陽系の惑星や隕石などの地球外天体を研究し、宇宙の形成と進化をより深く理解するためにも使用できます。

ヘリウム同位体技術は現在、地球科学、宇宙科学、核科学などの分野の研究に広く使用されています。例えば、岩石、地下水、隕石中の希ガス同位体の比率を測定することで、それらの形成年代、起源、進化の過程を推測することができます。異なる発生源のヘリウムは、地球内部で異なる進化過程を経てきたため、同位体比が異なります。希ガスの同位体比を測定することで、地球内部の動きと進化を探り、鉱床の起源と分布を特定し、さらには地震や火山噴火の可能性を予測することもできます。

ヘリウム同位体の地球化学も、いくつかの潜在的な課題に直面しています。

まず、極微量のサンプルを測定するというニーズを満たすために、ヘリウム同位体分析の精度と感度をどのように向上させるかが、常に科学者の関心事でした。第二に、将来的にヘリウム同位体のさまざまな媒体（岩石、流体、気体など）への応用の範囲と深さをどのように拡大し、より多くの地球科学的問題を明らかにするかということも重要な研究方向です。さらに、地球システムの複雑なプロセスに対する理解を深めるために、ヘリウム同位体と他の希ガス同位体（ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなど）との結合関係をどのように探究するかということも、学術的に注目されているテーマです。

希ガス質量分析計：地球の歴史を明らかにする重要なツール

希ガス質量分析計は、希ガスの同位体比を分析するために特別に使用される機器です。質量分析法を使用してガスサンプルを異なる同位体イオンに分離し、これらのイオンの質量比を検出することで同位体比を決定します。この技術は地質学、化学、物理学、天文学などの分野で広く利用されており、自然界の物質やプロセス、地球や宇宙の進化の歴史を研究するために使用できます。

より高い測定精度を実現するために、希ガス質量分析計では静的真空技術を採用しています。いわゆる静的真空とは、測定プロセス中にシステム内にガスの流れがなく、各部分の圧力が同じで長時間変化しないことを意味します。これにより、ガスの干渉が減少し、測定精度が向上します。

最新の希ガス質量分析計は、高解像度の磁場セクターとマルチコレクター技術を使用して、微量サンプル中の希ガスの同位体比を測定します。この機器は地球科学、天文学、化学などの分野の研究に不可欠です。

図4. 希ガス同位体測定用の静的真空質量分析計。

（画像出典：中国科学院西北生態環境資源研究所石油天然ガス資源研究センターガス同位体研究室ウェブサイト）

月のヘリウム3採掘：現時点では人類が達成するのはほぼ不可能な課題

ヘリウム3は水素の同位体と核融合反応を起こすことができるため、潜在的なエネルギー源でもあります。一般的な核融合反応とは異なり、ヘリウム3は核融合プロセス中に中性子を生成しないため、放射能が低く、反応プロセスは環境に優しく、安全で、制御が容易です。しかし、地球上のヘリウム3の埋蔵量は非常に限られており、総量でも数百キログラム未満であり、人類の需要を満たすことはできません。

科学者たちは、月にはヘリウム3が非常に豊富に埋蔵されていることを発見した。月の表面にヘリウム3が豊富に存在する理由は、ヘリウム3が太陽風の重要な成分であり、月の表面が太陽風からの放射線にさらされているためです。太陽風が月の表面を流れると、表面の物質と相互作用し、ヘリウム3が月の表面に付着します。月には大気も磁場もないので、ヘリウム3は妨害を受けることなく月の表面で捕捉され蓄積されます。

図 5. 2 つのヘリウム 3 原子の融合により大量のエネルギーが生成されます。

(画像出典: Quantum Science)

科学者たちはまた、将来のエネルギー資源として月からヘリウム3を採取する方法を研究している。しかし、月からヘリウム3を開発することは、主に以下の理由から困難な作業です。

1. サンプル採取の技術的難易度が高い：月面のヘリウム3を採取するには、月面に採掘施設を建設し、高度なロボットや機器を使用してサンプルを採取する必要があります。この技術には、高度に自律的なロボット工学と精密制御技術が必要であり、これは現在の最先端技術にとって依然として大きな課題となっています。

2. ヘリウム3の収集と輸送のコストが高い: たとえヘリウム3をうまく収集できたとしても、それを地球に持ち帰るコストは非常に高くなります。これには、宇宙船や帰還カプセルなどの高価な輸送技術と設備の使用が必要です。

3. 技術的な難しさとコストがヘリウム3採掘のリスクを高める：ヘリウム3採掘のプロセスでは、月面環境における放射線、温度変化、ほこり、電磁干渉など、多くの技術的問題と安全上の危険を解決する必要もあります。

要約すると、月のヘリウム3の採掘は技術的に困難で、コストがかかり、リスクの高い課題であり、成功するまでに多くの問題を克服する必要があります。

ヘリウム: 航空宇宙、原子核物理学など多目的に使える元素

ヘリウムは航空宇宙分野で重要な役割を果たしています。気球、飛行船、衛星などのガス浮力装置に広く使用されています。ヘリウムは密度が極めて低く、空気の約 7 分の 1 の軽さであるため、強い浮力が得られ、これらのデバイスを空中に浮かべたり、大気圏外の宇宙空間に進出させたりすることができます。さらに、宇宙船の正常な動作を確保するために、宇宙船のガス供給システムでもヘリウムが使用されることがあります。

第二に、ヘリウムは原子物理学の研究にとっても重要な物質です。ヘリウムは低温物理学実験の冷媒として使用することができ、研究者が超伝導、量子力学、さまざまな物質の物理学を研究するのに役立ちます。同時に、ヘリウムは磁気共鳴画像装置の冷却剤としても使用され、装置の正常な動作と高精度の画像効果を保証します。さらに、ヘリウムには他の多くの用途があります。たとえば、ヘリウムはヘリウムネオンレーザーの冷却剤として使用され、レーザーの効率と寿命を向上させることができます。

ヘリウムには他にも多くの特殊な性質があります。たとえば、ヘリウム3とヘリウム4を混ぜると、温度を絶対零度近くまで下げることができます。温度が 2.6 ミリ K より低い場合、液体ヘリウム 3 は「超流動」現象を示します。つまり、粘性がなくなり、液体ヘリウム 3 が入っているカップから「這い出す」ことができます。超流動は非常に特異な現象です。これは、自然界における量子現象をより深く理解するのに役立つだけでなく、この分野における幅広い発展空間と応用の見通しを知ることも可能にします。

図 6. 超流動相の液体ヘリウムはカップの内側をゆっくりと上昇し、カップの口を越えてカップの外側をゆっくりと下降し、集まって液体ヘリウムの滴を形成し、最終的に下の液体ヘリウムに滴り落ちます。このようにして、カップが完全に空になるまで、液体ヘリウムが一滴ずつ滴り落ちていきます。

(画像出典: Wikipedia)

さらに、ヘリウムは高圧実験、溶接、半導体製造、光学製造などのハイテク分野でも使用できます。幅広い用途があるにもかかわらず、ヘリウムの埋蔵量は非常に限られていることに注意することが重要です。現在、ヘリウムの主な生産国は、米国、ロシア、オーストラリアなどいくつかの国です。したがって、ヘリウムの持続可能な使用を確実にするために、ヘリウムを慎重に使用し、廃棄物を可能な限り削減する必要があります。

ヘリウムの魔法：声のピッチを変える科学とリスク

ヘリウムは、音速が人間の声が伝わる空気の 3 倍速いという点で、非常に興味深いガスでもあります。空気の組成が窒素 78%、酸素 21% からヘリウム 80%、酸素 20% に変化すると、密度は通常の空気の 3 分の 1 になります。この組成の変化により、音の伝播速度が約 3 倍速くなるため、ヘリウムを吸入した人の声は高周波になります。

これは、音の高さが声帯の振動周波数に関係しており、ヘリウムが人間の声帯の共鳴状態を変化させてより高い周波数を発するようにするためであり、これも娯楽やパフォーマンスにとって独特の価値を持っています。この現象は面白いように思えるかもしれませんが、ヘリウムを吸い込むのは危険です。ヘリウムを過剰に吸い込むと低酸素症に陥り、健康に害を及ぼす可能性があるからです。自分で試さないでください。

ヘリウムの謎を探る：天然ガスからウラン鉱石まで、ヘリウムを得る4つの方法があなたを輝かせます

ヘリウムは、産業、医療、科学の分野で幅広く応用されている極めて重要な元素です。では、この貴重なガスはどうやって手に入れるのでしょうか?

現在、ヘリウムを入手するには主に4つの方法があります。

1つ目は天然ガスの分離です。この方法は、ヘリウムを含む天然ガスを原料とし、液化分留、活性炭吸着精製などの工程を経て最終的に純粋なヘリウムを得る方法です。

2つ目は合成アンモニア法です。合成アンモニアの工業生産プロセスでは、排ガスにヘリウムが含まれており、分離および精製によって得ることができます。

3番目の方法は空気分留です。この方法は、液体空気からの分留によってネオンとヘリウムの混合物からヘリウムを抽出する方法です。

最後にウラン鉱石法があります。この方法は、ヘリウムを含むウラン鉱石を焙煎してガスを分離し、化学的手段で不純物を除去して最終的に純粋なヘリウムを得るというものです。

これらの方法はそれぞれ異なりますが、いずれもヘリウムを得るのに効果的です。科学技術の継続的な進歩と発展により、人類のニーズをよりよく満たすヘリウムを入手するより効率的な方法がますます増えていくと信じています。

ヘリウム資源を保護し、周囲のヘリウムの守護者になりましょう!

医療分野では、核磁気共鳴（NMR）技術では高精度の実験を実現するために非常に強力な磁場が必要であり、通常は超伝導磁石の使用が必要になります。超伝導磁石は極めて低い温度で動作する必要があり、通常は液体ヘリウムを使用して冷却されます。液体ヘリウムの沸点は-269℃程度と非常に低いため、磁石を絶対零度近くまで冷却することができ、超伝導磁石の抵抗をゼロにすることができ、より高い磁場強度と安定性を実現できます。

同時に、液体ヘリウムは熱伝導率も優れているため、磁石によって発生した熱を素早く放散し、磁石の安定性を維持できます。液体ヘリウムの使用には、一定の課題とコストも伴います。液体ヘリウムは希少な資源であり、高価であり、保管と輸送には特別な設備と技術が必要です。そのため、液体ヘリウム冷凍を使用する NMR 機器は、通常、高精度の科学研究に使用される高級科学機器です。

しかし、ヘリウム不足のため、ハーバード大学の物理学者アミール・ヤコビ氏とフィリップ・キング氏は、ヘリウム供給不足の影響を受け、2022年夏に研究室のプロジェクトの約半分を中止した。一方、カリフォルニア大学デービス校も、ヘリウム供給業者の一社が医療用を含めたヘリウムの割り当てを半分に削減したと報告した。一部の病院ではMRI装置を使った検査を中止せざるを得なくなり、患者にとっては非常に残念なこととなる。

科学研究では、実験環境を低温に保つために冷媒としてヘリウムがよく使用されます。航空宇宙および軍事分野では、ヘリウムはロケットやミサイルの推進装置の製造にも広く使用されています。ヘリウムは科学研究、航空宇宙、軍事産業でも重要な役割を果たしています。私の国はヘリウムが乏しい国であり、現在ヘリウムのほとんどを輸入しています。したがって、ヘリウムの節約とリサイクルのための技術を推進・適用し、ヘリウム資源の消費行動の監督と管理を強化し、ヘリウム資源保護に対する国民の意識と参加を高めることが不可欠です。

私たち一般人も、日常生活の中でヘリウム資源を守るためにちょっとしたことをすることができます。たとえば、ヘリウム入りの風船は買わないようにするか、減らしましょう。なぜなら、風船が空中に浮かぶと貴重なヘリウムが大気中に放出され、リサイクルできなくなるからです。次回子供たちと出かけるときは、貴重なヘリウム資源を無駄にしないために、もっと楽しいアクティビティを試してみようと思います。

結局のところ、ヘリウムは風船を膨らませるためだけに使われるのではありません。また、航空機の離陸を可能にし、MRI スキャンの精度を高め、電波望遠鏡の観測をより鮮明にすることもできます。ヘリウム資源を保護し、科学技術の発展、医療診断、宇宙探査においてヘリウムがより大きな役割を果たせるよう、私たちは力を合わせて取り組みましょう。

参考文献:

1. Wikipedia（英語）、最終更新日：2023年4月3日

2. 胡瑞忠、碧賢武、他。哀牢山金鉱帯の金鉱石形成流体のHeおよびAr同位体地球化学。中国科学、1999年、29(4):321-330。

3. Xu Yongchang、Liu Wenhui、Shen Ping、Tao Mingxin、Zheng Jianjing など、天然ガス地球化学の重要な分野 - 希ガス化学

4. Tao Mingxin、Shen Ping、Xu Yongchang、他「蘇北盆地のマントル由来ヘリウム貯留層の特徴と形成条件」天然ガス地球科学、1997年8(3)、pp.1-8。

5. 陳建法、劉凱軒、他「天然ガス中のヘリウム資源の研究現状と我が国のヘリウム資源の展望」天然ガス地球科学、2021年、32(10)、pp.1436-1449。

6. Li Liwu、Gao Zihan、He Jian、Cao Chunhui、Li Zhongping。異なる高度における空気中のアルゴン同位体組成の特徴と、石油およびガスの地球化学分析におけるその重要性。天然ガス地球科学、2022年33(1)、pp.92-10

7. 佐野雄二、バーナード・マーティ、大気中の希ガス。地球化学トレーサーとしての希ガス（2013）：17-31。

8. クルツ、マーク 他ヘリウム同位体地球化学によるガラパゴスホットスポットのダイナミクス。 GCA 63、23-24（1999）：

9. マミリンら自然界におけるヘリウム同位体。 2013.エルゼビア、

10.Graham、David 他「南大西洋の中央海嶺玄武岩のヘリウム同位体地球化学」EPSL、1992、110、133-147。