ヘリウム 歴史

ヘリウム

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歴史

発見

ヘリウム原子の存在を示す最初の証拠は、1868年8月18日太陽彩層部分を分光スペクトル観測した際の波長587.49 nmの黄色い輝線だった。これを発見したのは、インドグントゥール皆既日食を観察していたフランス人天文学者のピエール・ジャンサンだった[16]。彼は当初、この線はナトリウムを示すと考えたが、同年10月20日イギリス人天文学者ノーマン・ロッキャーがやはり太陽光を分析して線を観測し、ナトリウムのフラウンホーファー線記号D1やD2に近かったことから、D3と名づけた[17]

ヘリウムのスペクトル

1882年イタリアの物理学者ルイージ・パルミエーリ英語版は、ヴェスヴィオ山の溶岩を分析していた際に、スペクトルD3線を見つけた。これが地球上で初めてヘリウムの存在を示唆する証拠となった[18]

1895年3月26日イギリス化学者ウィリアム・ラムゼー卿がクレーベ石英語版(10 %以上の希土類元素を含む閃ウラン鉱)と無機酸を反応させる実験を通じてヘリウムの分離に成功し、地球上で初めて生成した。ラムゼーはアルゴンを探していたが、硫酸で発生させたガスから窒素や酸素を取り除いた残りをスペクトル分光して調べたところ、太陽光と同じD3線を発見した[17][19][20][21]。そしてこれが、ロッキャーやウィリアム・クルックスが名づけた「ヘリウム」であると同定した。実はアメリカの地球科学者ウィリアム・フランシス・ヒレブランド英語版がラムゼーに先立ち閃ウラン鉱標本の試験を行っている際に変わったスペクトルを見つけていたが、彼はこれを窒素のスペクトルと思い込んでいた。ヒレブランドはラムゼーに祝辞の手紙を送っている[22]

原子量を計測できる程度の量は、スウェーデンウプサラ市でペール・テオドール・クレーベアブラハム・ラングレ英語版が抽出に成功した[23][24]

1907年1903年との説もある)にアーネスト・ラザフォードとトーマス・ロイズは、新しく見つかったガスをガラス管に詰めてスペクトルを調べようとした際に、粒子が薄いガラス壁を通り抜けることを見つけ、アルファ粒子がヘリウムの原子核であることを突き止めた。1908年にはオランダヘイケ・カメルリング・オネスがガスを1 K以下まで冷却し、液化に初めて成功した[25]。彼はさらに温度を下げて固体を得ようとしたが、常圧のヘリウムは三重点を持たないため、これには失敗した。しかし、1926年に、オネスの教えを受けたウィレム・ヘンドリック・ケーソンが1 cm3のヘリウム固体化に初めて成功した[26]

1938年ロシアピョートル・カピッツァ絶対零度近くまで冷却したヘリウム4がほとんど粘性を持っていないことを発見し、これは超流動と呼ばれた[27]1972年には、アメリカダグラス・D・オシェロフデビッド・リーロバート・リチャードソンによって、絶対零度に近い温度域でヘリウム3でも同じ現象が発見された[28]

産出と利用

1903年、アメリカ・カンザス州デクスター英語版で石油掘削のボーリングが行われたところ、不燃性のガスが湧き出た。カンザス在住の地質学者エラスムス・ハワース英語版がこれを収集し、ローレンス市カンザス大学化学者ハミルトン・キャディ英語版とデイヴィッド・マクファーランドの協力を得て成分解析を行った。その結果、ガスは質量比で窒素72 %、メタン15 %(酸素がなかったため燃焼しなかった)、水素1 %と、残り12 %の成分は解明できなかった[29]。さらに解析を進めた結果、キャディとマクファーランドは、1.84 %はヘリウムであることを突き止めた[30][31]。これによって、地球全体では希少であるヘリウムがアメリカのグレートプレーンズ地下に大量に存在しており、天然ガスの副産物として入手可能だということが判明した[32]

ただし化石燃料とは生成の経緯が異なり、長い年月をかけてウラントリウム放射性崩壊することによりヘリウムができる。アメリカのおもなヘリウム含有ガス田は、ほとんどがカンザス州、オクラホマ州、テキサス州西部の地域にある[33]

この発見によって、アメリカ合衆国は一大ヘリウム供給国となった。第一次世界大戦時、リチャード・スレルホール卿英語版の助言を受けて、アメリカ海軍は3基の実験的な小規模ヘリウム製造設備に投資した。これは、空気よりも軽く不燃性のガスを阻塞気球に使う目的があった。これ以前、ヘリウムガスは通算で1 m3も得られていなかったが、この計画で生産されたガスは純度92 %で5700 m3にのぼり[17]1921年12月1日に処女航行を行った世界初のヘリウム飛行船C-7(アメリカ海軍)にも使われた[34]

ヘリウムモニュメント。1968年、ヘリウム発見100周年を記念してテキサス州アマリロに造られた。

第一次世界大戦中、抽出方法は低温によるガスの液化法からそれほど改良されなかったが、生産は続けられた。当初は飛行船などの浮揚ガス需要が中心だったが、第二次世界大戦中にはそれに加えアーク溶接用の需要が拡大した。ヘリウム質量分析計英語版原子爆弾を製造するマンハッタン計画で用いられた[35]

1925年テキサス州アマリロアメリカ合衆国連邦政府は「ヘリウム国家備蓄英語版」を開始した。これは、民間の商用や戦時の軍用目的の飛行船へ供給体制を備えることを目的とした「連邦によるヘリウムの国家戦略備蓄」である[17]。アメリカ軍はドイツへのヘリウム輸出を制限したが、これが水素を用いざるをえなくなったヒンデンブルク号爆発事故の遠因となった。大戦後にヘリウム需要は縮小したが、1950年代に入ると、宇宙開発競争冷戦を背景としたロケットエンジンの推進剤用などへ酸素や水素の冷却用として、ヘリウムの用途は広がった。1965年、アメリカのヘリウム消費量は戦時中の最大量の8倍にもなった[36]。「ヘリウム条例1960修正条項(Public Law 86–777)」発布後、アメリカ合衆国鉱山局英語版(USBM)は、カンザス州ブシュトン市英語版にある複数の民間所有ガス精製工場から天然ガス中のヘリウム回収を始め、これを延長684 kmのパイプラインでテキサス州アマリロ近郊のクリフサイドにある国家備蓄基地へ集約した[33]。これらのヘリウム-窒素混合ガスはクリフサイド周辺のガス田に再注入され、純度向上と貯蔵を両立させた[37]

1995年段階で、アメリカのヘリウム備蓄量は10億 m3[33](14億ドル相当)に達し、翌年に議会は貯蔵増の停止と[38]、「ヘリウム民営化条例1996(Public Law 104–273)」を採決して、2005年までに備蓄ヘリウムをすべて販売することを内務省に命じた[33][39]。ただし、備蓄分の売り切りは2015年と予想される[33]

1930年から1945年にかけて生産され、飛行船に使われたヘリウムの純度は98.3 %であった。1945年には純度99.9 %のヘリウムが溶接用に少々製造された。1949年までにヘリウムはグレードA(99.95 %)まで商用生産が実現した[40]

工業用ヘリウムの需要は急増している。

長い間、アメリカは全世界の商用ヘリウム生産量90 %以上を担ってきた。そのほかにはカナダポーランドロシアなどでも生産された。1990年代中ごろ、アルジェリアアルゼウ英語版にて、全ヨーロッパの需要量をまかなう1700万 m3の新工場が稼動を開始した。2000年までにアメリカのヘリウム総需要は年間1500万 kgまで増加したが[41]2004年から2006年にかけてカタールのラス・ラファンとアルジェリアのスキクダでそれぞれ新工場の建設が行われた。2007年段階で、ラス・ラファンは稼動率50 %、スキクダは未稼働の状態にある。しかし、アルジェリアはスキクダでの生産が始まれば、世界2位の供給国となる[42]。その一方で、世界的なヘリウム需要は価格とともに上昇し[43]、2007年の消費量は2002年比倍増となった[44]。需給バランスの変動により、将来は深刻なヘリウム不足と価格高騰が予測される[45][46]

2012年には、世界的なヘリウム供給不足が発生した。原因は、アメリカでの設備トラブル、新興国での需要増などが考えられている[47][48]。このため、東京ディズニーリゾートでは2012年11月21日からパーク内でのヘリウム風船の販売を休止した[49]

2013年12月、カタールラスガスが世界最大級の年産3680万 m3の生産設備を稼動させた[50]

日本は全量を輸入に頼っているが、財務省の貿易統計では近年の日本の輸入量は年間2000 t前後。2012年、2013年にはアメリカの生産減で品不足となったが、これを補うためにカタールほかからの輸入が増えている。2013年は全輸入量1902 t中、米国からが1747 t(シェア91.8 %)、カタールからが121トン(6.4 %)、その他からが34トン(1.8 %)であったが、2014年に入りカタールのシェアが急増している[51]。アメリカの生産減はヘリウムをほぼ含まないシェールガスの開発が進んでいるためとされる[52]。輸入価格の上昇はアメリカのヘリウム国家備蓄が2021年の民営化を目指し残った備蓄を払い下げた際、1社が買い占めたことで輸入が難しくなったことや、中東の政治情勢によりカタールからの輸入コストが上昇したこと、中国の需要増加などが要因とされる[52]

2016年 タンザニアで大規模なヘリウムガス田が発見されたと報道された[53][54]

世界全体の生産量はアメリカ(約60 %)とカタール(約30 %)でありほぼ2国で需要をまかなっているが、ロシアのガスプロムが極東での生産を計画しているほか、カタールやアルジェリアでも新工場の建設が進んでいることもあり、将来的には複数国での生産に移行すると予測されている[52]


注釈

  1. ^ 共鳴の起こる波長(喉頭腔の大きさに依存)を一定とすると、周波数はその媒質を伝わる波の速さに比例する。周波数#定義を参照。
  2. ^ 2015年1月には12歳の児童がテレビ番組の収録中にこのガスを一気に吸引したことによって意識不明となり、このようなケースでは日本で初めて「脳空気塞栓症」と診断された事故が起きている(後に回復した)。テレビ朝日#不祥事・事件・トラブル児童労働#児童労働の事例3B juniorの星くず商事も参照されたい。

出典

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