「水素風船」には水素が充填されていますか、それともヘリウムが充填されていますか?

子供の頃を思い出すと、風船はいつも私の心の一部です。私の記憶にある光景には、公園でも路上でも、頭に雲のような漫画の風船を乗せて、ゆっくりと叫びながら風船を売っている売り子が必ずいる。

定番のミッキーマウスやカラバッシュブラザーズから、ブルーキャットやノーティー、プレザントゴートやペッパピッグまで、風船を売っている人たちは、子供たちが何が一番好きなのかをいつも知っているようです。

画像出典：著者撮影

誰もがこの幼少期の「小さな友達」に「水素風船」という統一された名前を付けました。

多くの注意深い友人は、水素風船は空中に浮かぶのに、口で膨らませたりエアポンプで膨らませたりする風船は浮かばないのはなぜだろうと不思議に思うかもしれません。

答えを知りたいですか?今日は、水素気球の過去と現在を一気に理解していただきます。

パート1

水素気球の過去と現在

子どもたちの要求はたいていシンプルです。「頭の上に浮かぶことができること」が、良質の水素風船に対する最高の要件です。しかし、歴史上、水素気球はただ頭上を浮かぶだけではありませんでした。人や貨物を運ぶ機能も持っていました。

世界初の水素風船は1780年に誕生しました。フランスの化学者ブラックが豚の膀胱に水素を充填して作りました。

1783 年 8 月、ジャック・シャルル教授が乗客や貨物を積まない世界初の水素気球飛行を設計し、実行しました。1783 年 12 月 1 日、ジャック・シャルルとニコラ・ルイ・ロベールは水素気球で 2 度目の有人飛行を行いました。

時代が進むにつれて、水素気球の種類と用途は拡大し続けています。浮遊広告バナー用に使用される市販の水素気球、高高度気象観測用の水素気球、お祭りや玩具用の小型ラテックス水素気球などがあります。

画像出典: veer gallery

しかし、水素バルーンの用途が何であれ、実際に充填されているガスは水素とヘリウムだけです。そうです、水素風船といいながら、充填ガスとしてヘリウムが使われることもあります。

これら 2 つのガスを選択した理由は、水素風船の浮遊原理とガスの物理的および化学的特性に関係しています。

パート2

水素気球の浮遊原理

アルキメデスの法則（浮力の法則としても知られる）によれば、液体または気体に浸された物体には、その物体によって押しのけられた液体または気体の重量に等しい上向きの浮力が作用します。

具体的には、気球に密度の低いガスを充填すると、気球の体積が膨張して空気が押しのけられ、押しのけられた空気の重さが気球の浮力となります（模式図を以下に示します）。

水素バルーン浮上原理図（著者作成）

低密度の空気は同じ体積の空気よりも軽いため、風船の外皮の重さを考慮しても、風船にかかる全体的な重力は軽くなります。その結果、浮力が重力よりも大きくなり、風船は浮き上がり、どんどん高く飛んでいきます。

では、風船を浮かせるガスにはどのようなものがあるのでしょうか?

まず、一般的なガスの標準密度を見てみましょう（単位：kg/立方メートル）

上の表には、空気（1.29 kg/m3）よりも密度が低い一般的なガスがいくつかリストされています。このうち、水素、ヘリウム、アンモニア、メタンは明らかに空気よりも軽いです。

実際、理論的に言えば、上記のガスが風船の中に充填されていれば、風船は簡単に浮くことができます。ただし、ガスによっては、その特性上、充填ガスとして適さないものもあります。

なかでもアンモニアは刺激臭が強く、皮膚や粘膜、結膜に吸着しやすく、刺激や炎症を引き起こします。トイレの下水の悪臭の原因であるアンモニアを風船に詰めるのは、決して気持ちの良い行為ではありません。

メタンは家庭用天然ガスの主成分です。水素と同様に可燃性、爆発性がありますが、水素よりもはるかに重いです。そのため、市販されている浮くことができる「水素風船」の充填ガスは水素とヘリウムであることが多いです。

画像ソース: veer

水素とヘリウムは宇宙で最も豊富な2つの元素ですが、地球の大気中の含有量は極めて少ないです。統計によると、大気の放出により、地球上では毎年約95,000トンの水素と約1,600トンのヘリウムが宇宙に放出されています。

しかし幸いなことに、地球には水やさまざまな水素含有化合物が豊富にあるため、水素を入手するのは実際には難しくありません。しかし、ヘリウムは不活性ガスであるため、他の元素と化合物を形成しにくく、入手方法が限られています。

岩石圏全体では毎年推定 3,000 トンのヘリウムが生成され、これは多くの場合天然ガスによって捕捉され濃縮され、人間は天然ガスを採掘することでヘリウムを分離して精製することができます。ヘリウムは再生不可能な資源であり、現在、天然ヘリウムが産業用ヘリウム生産の唯一の供給源であるため、世界中でヘリウム資源が不足しています。

ヘリウムは軍事、科学研究、医療、工業などの分野で使われる希少な戦略物資の一つであり、価格は水素よりもはるかに高い。

コストの制約により、ヘリウムの方が安全であるにもかかわらず、市販の「水素風船」に充填されているガスのほとんどは、依然として本物の水素です。

パート3

水素は危険です、遊ぶときは注意してください

水素を充填したこれらの美しい気球の背後には、実は大きな安全上および環境上のリスクが潜んでいます。近年、水素風船の爆発による負傷や死亡の事件が頻繁にニュースで報道されています。

ニュース報道によると、2014年、ある場所のショッピングモールのオープニングセレモニーの最中に、広告用の水素バルーンが落下し、数百キロ離れた別の場所まで漂っていったという。子どもに発見された後、風船は家に持ち帰られました。数日後、風船が爆発し、家屋が倒壊、2人が死亡、3人が負傷するという悲劇が起きた。

水素は可燃性、爆発性があり、空気中での爆発限界は 4% ～ 75% です。つまり、空気中の水素含有量がこの範囲に達すると、わずかな火炎でも爆発が発生します。

さらに心配なのは、現実のシナリオでは、水素風船内の水素は非常に漏れやすく、直火を使う必要がないことです。ゴムの摩擦によって発生する静電気による電気火花だけでも、水素風船に引火したり爆発したりする可能性があります。

さらに、多くの水素風船に充填されている水素は純度が十分ではなく、充填の過程で少量の空気が混入する可能性があり、すでに危険な状況がさらに危険になります。

実際、2006年7月には国家気象局と他の部門が共同で「気球放出の安全管理のさらなる強化に関する通知」を発行し、安全上の危険を減らすために気球放出の充填物として水素などの可燃性・爆発性のガスの代わりに不活性ガスを使用することを提唱した。

一般的に、ヘリウムは不活性ガスとして非常に安定しており、水素のようにあなたの周りで時限爆弾になることはありません。また、その密度は水素気球に十分な揚力を提供できるほど低いです。

したがって、皆様の安全のために、水素風船を購入する際には、ヘリウムが充填された水素風船を優先する必要があります。同時に、周りの子供たちにも危険性を伝え、水素風船に近づかないようにする必要があります。

参考文献:

[1]Austerfield, PJ「熱気から水素へ：初期のガス気球の充填と飛行」 [J]エンデバー、1990、14(4):194–200。

[2] ザートマン、RE;ワッサーバーグ、GJ;レイノルズ、JH「天然ガス中のヘリウム、アルゴン、炭素」（J）。地球物理学研究ジャーナル。1961年、66（1）：277–306。

[3] 劉建祥水素気球の安全な放出について[J]。環境保護、2016年、3。

制作：中国科学普及協会

著者: XY (中国科学院大連化学物理研究所)
制作者：中国科学院コンピュータネットワーク情報センター編集者：王婷婷