「水素風船」の爆発は恐ろしいですが、中学校の物理と化学の知識から、水素が原因ではないことがわかります。

2024年12月31日の大晦日、水素気球が突然爆発する悲痛な動画がネット上で拡散した。公式報告によると、河南省信陽市陽山新区の万達広場で、市民が持ってきた水素風船が爆発し、現場で数人が軽度の火傷を負った。通知では、「水素は可燃性、爆発性のあるガスです。水素風船は火気や静電気などにさらされると爆発する恐れがあります。混雑した場所で水素風船を使用、販売することはリスクが高まります」とも指摘している。実際、水素風船の放出を禁止する警告がよくあります。現場で起きた現象は本当に「水素気球」によるものだったのか？なぜ爆発が起きたのでしょうか？

執筆者：李存普（重慶大学化学工学学院教授、特殊化学電源国家重点実験室）

2024年の大晦日、突然爆発した「水素風船」を群衆が掴もうとする動画が、多くの人のモーメンツやWeChatグループで拡散された。わずか10秒間のこのビデオクリップでは、厚手の冬服を着た数人が、お祭り気分にあふれた色とりどりの風船の群れの周りに集まっています。動画の9秒目には、黄色い炎が噴き出し、1秒も経たないうちに2つの風船の塊に火がつき、映像が突然止まった。

静かで平和な大晦日に群衆の間で爆発が起こり、動画を見たネットユーザーは現場の人々の安全を心配した。

図 1: ビデオのスクリーンショットの最初の 1 秒間では、人々が風船を求めて争っています。ビデオのスクリーンショットの9秒目には、黄色い炎が発生し、1秒以内に2つの風船の塊が急速に燃え上がり、現場で爆発が起こります。

翌日の元旦になってようやく、メディアは「12月31日、信陽市洋山新区万達広場で一般人が持ってきた水素風船が爆発し、現場で数人が軽い火傷を負った」と報じた。

爆発は賑やかで平和な大晦日に起きた。わずか1秒で黄色い炎が群衆を包み込み、それは今でも恐ろしいです。現場ではいったい何が起こったのか、なぜ上記の事故が起きたのか、そして、この一見防ぐことのできない「水素気球」事故をどう防ぐのか。

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「水素風船」には本物の「水素」は入っていない

多くの人が知らないのは、市販の「水素風船」には水素が充填されていないことが多いということです。実際、風船を浮かせたいときは、空気よりも密度の低いガスを風船に充填するだけで済みます。

理想気体のモル体積は同じ温度と圧力で同じであるため（例えば、中学校で標準状態（0°C、101.325 kPa）では、1モルの理想気体が占める体積は約22.4リットルであると学びました）、理想気体の状態方程式pV = nRTに従って、pM = ρRT、つまり理想状態でのガス密度ρはガスのモル質量Mに比例すると簡単に結論付けることができます。空気の分子量は M≈29 なので、分子量が 29 未満のガスを風船に充填すると、理論上は風船が自然に空中に浮かぶようになります。もちろん、バルーンの外側の材料にも重量があり、その密度はガスの密度よりもはるかに大きいことを考慮すると、充填ガスの分子量は 29 g/mol よりもはるかに小さいことが好ましい。

最も軽いガスである分子量2の水素は、浮上性の観点から見ても理想的な充填材であることは明らかです。また、不活性ガスのヘリウム（分子量4）をバルーンに充填する業者も存在します。実際、飛行船などの大型飛行装置には水素とヘリウムの両方が使用されてきました。しかし、水素は可燃性があり、爆発性があります。 1937 年のヒンデンブルク飛行船墜落事故は、飛行船内に充填されていた水素の爆発が原因でした (図 2a)。この事故で36人が死亡し、飛行船は飛行機との競争に完全に負けることになった[1]。もちろん、飛行船は低コストで大きな積載量で人員や機材を空輸できるため、現在でも開発・運用されており、充填されているガスは主にヘリウムです。古典的なRTSゲーム「Red Alert 2」のKirov飛行船は、ゲームボイスに従ってヘリウムで満たされています。そのため、撃墜された場合、爆発ダメージではなく衝撃ダメージのみが発生します。

図2 (a) 36人が死亡したヒンデンブルク飛行船の墜落事故。 (b) ゲーム「Red Alert 2」のキロフ飛行船。選択すると「ヘリウム混合最適」とアナウンスされ、充填されているガスがヘリウムであることを示します。

風船に水素を充填するという考えは人々の心に深く根付いているため、中国では浮いている風船を「水素風船」と呼ぶことが多い。英語の文脈では、helium balloonの方が広く使われています。

しかし実際には、私たちが通常販売業者から購入する水素風船には、水素もヘリウムも充填されていません。その理由は非常に単純です。ヘリウムは安全ですが、生産コストが高く（これもまた複雑な物理学の話です）、実際のヘリウム風船は比較的高価です。水素は比較的簡単に調製できるものの、その保管や輸送には特別な設備や免許が必要であり、移動販売業者が容易に入手できるガスではないことは明らかです。 「水素風船」の充填ガスとしては、入手しやすく、安価で、分子量ができるだけ29未満の天然ガスが主流となっている。天然ガスの主成分はメタン（CH4）で、分子量はわずか16なので簡単に入手できます。自宅の天然ガスパイプラインから直接接続することもできます (ただし、個人的に天然ガスを接続することは違法です)。したがって、私たちが購入するいわゆる「水素風船」は、実際には「天然ガスボール」と呼ぶ方が適切です。

天然ガスは燃えやすく、その炎は黄色ですが、水素は青い炎で燃えることが多いです。図 1 の風船爆発事故で示された黄色い炎から判断すると、燃焼ガスは天然ガス、つまり主にメタンであると考えられます。

しかし、ここでまだ疑問が残ります。2 つの風船の束が瞬時に点火された場合、風船の外皮も火にさらされると燃えるのでしょうか?

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「水素気球」の外殻

風船の外側の覆いは確かに可燃性があり、爆発性があります。一般的に見られるバルーンスキンの素材には主に 2 つの種類があります。1 つは図 3a に示すラテックス素材で、膨らんでいないときは小さく、膨らませる過程で徐々に膨張します。もう1つは図3bに示すアルミフィルムバルーンです。この素材自体は気圧の変化によって変形せず、内部の空間にガスが満たされます。

図3（a）ラテックス風船(b) アルミフィルムバルーン

私たちの日常生活には、手袋や枕など、一般的な天然ラテックス製品がたくさんあります。この素材は、非常に優れた弾力性と引張特性を備えています。ポリマー素材の一種なので、非常に燃えやすいです。天然ラテックス製の風船の気密性は十分ではなかったため、後にアルミフィルム製の風船が開発されました。アルミフィルム製の風船は気密性が高く、より長く空中に浮かぶことができます。

アルミホイルバルーンという名前から、アルミホイルで作られているので燃えにくいと誤解されやすいです。実は、アルミニウムフィルムは複合材料なのです。内層は二軸延伸ポリエチレンテレフタレート (BoPET) で、外層は蒸着金属アルミニウムの薄い層です。外層に光沢のある金属光沢があるため、主にアルミニウムで構成されていると考えられています。 BoPET は、本や写真の外側のコーティングとしてもよく使用されます。 BoPET には、ミネラルウォーターのボトルや速乾性の衣類に使用されている、より有名な PET (ポリエチレンテレフタレート) という類似物もあります。そのため、アルミフィルムバルーンの外皮もポリマー素材なので、非常に燃えやすいのです。

それで、なぜ爆発が起こったのでしょうか?

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爆発の背後には電気と火があふれていた

事故の原因はまだ明確に調査されていないが、次の考えられる原因について推測してみるのも一案だろう。ページを戻して図 1 に進み、その場にいた人々の服装を注意深く観察すると、著者が先に「厚手の冬服を着た数人の人物」について具体的に記述していることに気がつくでしょう。防風効果を高めるために、冬服の表地は主に化学繊維で作られています。化学繊維は天然素材に比べて摩擦により静電気が発生しやすくなります。図 1 のシナリオでは、衣服と衣服、衣服と風船の摩擦によって静電気が発生する可能性が高く、漏れたガスに遭遇すると瞬時に発火します (図 1 で使用されている風船はラテックス風船であり、ガスが漏れやすいです)。炎は他の風船のラテックス外皮に接触して燃え、内部の可燃性天然ガスが漏れ出し、最終的に爆発を引き起こし、すべてが1秒以内に完了します。

そのため、「水素風船」は、水素が充填されているかどうかにかかわらず、人が集まる場所や密閉された空間では許可されないことが多い。地下鉄に乗っているときに、他の乗客が風船を持って駅に入るのを止められるという事件に何度か遭遇しました。理由は簡単です。風船が誤って地下鉄のトンネルに浮かんでしまうと、たとえ風船が破裂したとしても、可燃性ガスがトンネル内に閉じ込められてしまうからです。地下鉄は電力網から電気を引きますが、電気が可燃性ガスと接触すると、簡単に壊滅的な事故につながる可能性があります。

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結論

カラフルな風船はお祭りの雰囲気を盛り上げるのに最適ですが、お祭り気分が高まれば高まるほど、安全対策にもより注意を払う必要があります。結局のところ、安全は恵みなのです。 2025年に読者の皆様の幸せと健康をお祈りいたします。

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