ヘリウムガスは風船によくつかわれていますね．
なぜでしょうか？
今回は気球やヘリウムの歴史をたどりながら，風船につかわれるようになった経緯をみていきたいと思います．
ヘリウム（１）：風船に使うのはなぜ？
ヘリウム（２）：声が変になるのはなぜ？
ヘリウム（３）：潜水とヘリウム
１．気球の歴史
1782年から1783年にかけて，フランスのAnnonayでモンゴルフィエ兄弟（ジョゼフ，エティエンヌ）が気球の開発研究を開始しました．モンゴルフィエ兄弟は製紙業者の息子で，ジョゼフは12番目，エティエンヌは15番目の息子でした．
ジョゼフは洗濯物を乾かすため火をたいたとき煙が上へと立ち上るのを見て，「これは空気より軽い気体なのでは？」と考えます．実際はあたためられた空気が上昇しているだけでしたが，これがきっかけとなり，気球のアイデアを着想しました．
なぜ温められた空気は上昇するのでしょうか？
空気中にある物体は，その物体と同じ体積の空気に作用する重力と同じ浮力を受けます．そのときの浮力は，空気の密度ρ空気，体積V，重力加速度gを用いて，
と表せます．
ここで，密度ρ物体，体積Vの物体にかかる上向きの力は，
となります．
物体を圧力p，温度Tでの空気の密度は，気体定数Rを用いて気体の状態方程式から，
と表せます．
したがって，外気温T0で温度T1に温められた空気により体積Vの気球にかかる上向きの力は，以下のようになります．
外気温0℃で120℃の空気を用いると，となります．気球の大きさを大きくすれば，重いものでも浮かび上がらせそうですね．
1783年6月4日の公開実験では，温められた空気によって直径10 mの気球が2000 mも上昇し，10分後には2 km先に着陸するという大成功をおさめました*1．
このニュースがパリにやってきたとき，科学者たちはモンゴルフィエ兄弟が空気より軽いと言っていたガスは，ヘンリー・キャヴェンディッシュ（1731–1810）が発見していた「燃える気体（=水素）」のことではないか？と考えました．
水素は硫酸と鉄を反応させれば簡単に発生させることができましたので，ジャック・シャルル（1746-1823）はモンゴルフィエ兄弟の気球を水素ガスで再現しようとしました．
水素ガスを用いるのであれば，温めなくても上向きの力が得られます．
空気の平均分子量を28.8，水素ガスの分子量を2とすると，となります．空気の場合よりは，気球は小さくて良さそうですね．
固定空気（=二酸化炭素）の研究で有名なジョセフ・ブラック（1728-1799）も実は風船で似たようなことをがんばっていたのですが，水素ガスを長時間閉じ込めておける良い感じの布を見つけることができずにいました．シャルルは絹にテレピン油にゴムをとかした液を塗る*2ことで，水素ガスが抜けない布を用意することに成功しました．
そして1783年8月27日には直径3 mの気球を雲の上まで上昇させ，パリから20 km先の村に着陸させることに成功しました．村民はみなれない物体に恐れおののき，退治しようと熊手で攻撃したそうです．
そしてその年の11月，12月には，モンゴルフィエ兄弟やシャルルが気球の有人飛行に成功しました．
水素ガスによる気球はその後約150年間にわたり使用されていきました．水素ガスははじめ鉄と硫酸の反応によって得られていましたが，硫酸をもっていくのは大変でした．
そこでフランス革命戦争でオーストリアと交戦中の1798年には，フランスの化学者Charles Coutelleが熱した鉄で水蒸気を水素ガスに変換する装置を開発しました．これにより，1794年から使用されはじめた敵軍監視用気球の運用がいくぶん楽になりました．
気球はいったんショー目的に特化していき，軍事面ではつかわれなくなりましたが，普仏戦争(1870-1871)で気球によるパリからの脱出が成功をおさめると再び注目されるようになり，各国で研究が進みました．
そして水素ガスが水による電気分解で得られるようになり，英国軍で圧縮ガス運搬用の鋼鉄製容器が開発されました．
気球の用途も多様化し，監視用以外にも街の周りにたくさん浮かべて飛行機を妨害する阻害気球も開発されます．阻害気球は第一次世界大戦，第二次世界大戦ではロンドンを守りました．
２．飛行船の発明
さて，気球により空に浮かぶまでは良いのですが，そのままでは行きたい方向にいけません．そこで気球の有人飛行成功後，様々なアイデアが試されていきます．1785年には細長い形にするのが有利であることがわかり，フランスのジャン＝バティスト・ムーニエ（1754-1793）が手動のスクリューにより操縦可能な楕円形の気球，いわゆる飛行船を考案しました．
手動というところがネックで実際に建造されることはありませんでしたが，やがてアイデアはフランス人技師アンリ・ジファール（1825-1882）に引き継がれ，1852年，蒸気機関を搭載した飛行船が建造されました．時速10 kmまでしか出せず風があったらダメな代物でしたが，大きな進歩です．
1884年にはフランス軍のシャルル・ルナール（1847-1905）とアルチュール・クレブス（1850-1935）が亜鉛-塩素電池により動く8.5馬力の電気モーターを搭載した飛行船La Franceを開発しました．一般的には，これが世界で初めて成功した飛行船としてみなされています．時速約24 kmで飛行し，7回中5回もとの場所に戻ることができました．
1886年にガソリン自動車が登場すると，これを飛行船に転用しようとする動きがでてきました．フランスでブラジル人アマチュア発明家のアルベルト・サントス・デュモン（1873-1932）が2馬力のDe Dion-Boutonエンジンを搭載した飛行船の開発に成功し，1901年には飛行船第6号がSt. Cloudからエッフェル塔の往復を達成，賞金10万フランを獲得しました．
ルナールたちが開発した電気モーターを搭載した飛行船には性能面で及ばなかったものの，この発明に刺激されて製糖工場のオーナーだったフランスのLebaudy兄弟が1902年，ダイムラー社製エンジン(40馬力)を搭載した飛行船を開発します．直径3 mのスクリュー2基により駆動し，時速40 kmで飛行しました．
その後，第一次世界大戦にかけて様々な飛行船が開発されます．骨格に木や金属がつかわれたものも登場しました．フェルディナント・フォン・ツェッペリン （1838-1917）の開発した飛行船はもっとも有名な飛行船といえるでしょう．そのままZeppelinとも呼ばれた飛行船は主に軍事目的で使用され，高度6000 mからフランスやイギリスの都市を夜間爆撃しました．
さて，気球や飛行船には当初水素ガスが使われていましたが，大きな問題がありました．水素ガスの燃焼です．
イタリアで開発された木製骨格による飛行船Romaは水素ガスで浮上し，500馬力のエンジンにより時速約110 kmで飛行可能でした．やがてアメリカに売却されるのですが，1922年に大規模な火災事故を起こし，完全に破壊されてしまいました．
危険性を重大視したアメリカ軍は，飛行船への水素ガスの使用を中止しました．代わりに使用されるようになったのが，当時生産体制を拡充していたヘリウムガスです．
３．ヘリウムの歴史
なぜ，当時のアメリカではヘリウムガスが生産されるようになっていたのでしょうか？
そもそもヘリウムは，19世紀末になってから発見された比較的"新しい"気体です．
1868年8月18日，インドで太陽が月に完全に隠れる皆既日食が起きました．フランスの天文学者ピエール・ジャンサン（Pierre Jules César Janssen, 1824-1907）はインドに出向き月から漏れ出す彩層のスペクトルを分析したところ，未知の黄色の輝線（587.49 nm）が含まれていることに気づきました．同年10月20日にはイギリスでノーマン・ロッキャー（1836-1920）*3が同じスペクトルに気づき，未知の元素ではないかと考えました．のちにギリシャ語で太陽を意味する"helios"から，ヘリウムと名付けました*4*5．
20年後，アメリカ内務省のウィリアム・フランシス・ヒレブランド（1853-1925）が閃ウラン鉱UO2を調べるため硫酸をかけたところ，謎のガスがでてきました．不慣れな分光学的解析により，とりあえず窒素じゃないか？という結論に至りました．
イギリスのウィリアム・ラムゼー（1852-1916）はこの論文を読んでその結論にいまいち納得できず，クレーヴェ石を使って実験を繰り返しスペクトルを調べました．その結果，未知の気体が含まれていることを発見しました．試料を受け取ったロッキャーは1895年，これがヘリウムであると結論づけました．
地球上にあるヘリウム4HeはウランUやトリウムThの放射崩壊から得られます*6．他の貴ガスはほとんど地球で生成されないのとは対照的です．
閃ウラン鉱にヘリウムガスが含まれていたのは，こういった事情によるものと考えられます．
1903年，アメリカのカンザス州デクスターで石油を採掘していたところ，不燃性のガスが湧出しました．1905年にカンザス大学のハミルトン・キャディ（1874-1943）がこの天然ガスを調べたところ，窒素や炭化水素のほかに1.84%もヘリウムが含まれていることがわかりました．
キャディの学生だったClifford Seibelが同様の研究結果を1917年のアメリカ化学会で発表したとき，「残念ながらこの研究に実用的な応用はありません」といったそうです．しかしちょうどこのころ，ヘリウムの可能性に各国が目をつけはじめていたのでした．
第一次世界大戦（1914-1918）ではドイツ軍の飛行船による爆撃がロンドンを襲っていました．飛行船は，当時飛行機が飛べる高さよりも高いところを飛んでいたので，イギリス軍はなんとか撃ち落とそうとしていました．
ドイツ軍は飛行船に水素ガスをつかっていたのですが，これを不燃性のガスに切り替えようとしているという噂をイギリス軍がききつけます．先回りしてやろうと考えたイギリス軍は1917年，カナダのオンタリオ州ハミルトンに天然ガスからヘリウムを抽出する工場を設立しました．
アメリカ鉱山局もヘリウムの可能性に目をつけ，同年ヘリウムの抽出を開始しています．そして1920年代にはテキサス州でつぎつぎにヘリウム生産工場が設立され，ヘリウムが大量生産されるようになりました．
ベルサイユ条約（1919年）により第一次世界大戦の敗戦国ドイツは大型の飛行船をつくれなくなりました．一方アメリカは飛行船製造に関心を示しており，1923年にはアメリカのGoodyear社とドイツのZeppelin社の間で契約が結ばれ，Zeppelin社の社員や特許の一部がGoodyear社に移りました．アメリカは大量生産されるようになったヘリウムガスとあわせて飛行船も自前でつくる体制を整えていきました．
一方でドイツの飛行船産業もこの契約やアメリカの受注のおかげで食いつなぐことができ，ロカルノ条約（1925年）をうけて飛行船製造の制限が緩和され，飛行船製造の黄金期を迎えます．やがてヘリウムガスで浮上する飛行船は第二次世界大戦で活躍するようになりました．
念のため，ヘリウムの場合も計算してみましょう．
空気の平均分子量を28.8，ヘリウムの分子量を4とすると，となります．水素ガスより，ちょっとだけ浮かび上がらせる力は小さくなりました．
ちなみに民間レベルでは水素ガスによる飛行船も健在でした．Zeppelin社製の飛行船Graf Zeppelin (LZ127)は，1928年に世界一周に成功しています．大西洋路線*7では様々な飛行船が就航しましたが，1937年に飛行船Hindenburg (LZ129)が大規模な爆発・炎上事故を起こすと安全性が疑問視されるようになり，旅客輸送としての飛行船は一気に下火になりました．
４．風船の歴史
さて，おもちゃの風船はどうでしょうか？
風船の正確な起源については不明ですが，動物の膀胱や腸などを膨らませて遊んでいたようです．ヨーロッパの宮廷道化師が娯楽目的でつかっていました．また，ガリレオ・ガリレイ（1564-1642）は豚の膀胱で空気の重量を測定したなんていう逸話もあります．
ゴム製の風船が登場するのは，1824年マイケル・ファラデー（1791-1867）によるものとされています．二枚の円形の天然ゴムの端を溶着させて作製し，水素ガスの実験に使用したようです．このとき，水素ガスで膨らませると空中に浮くことを記録しています*8．
翌年にはゴムメーカーのパイオニアであるトーマス・ハンコック（1786-1865）がゴム溶液とシーリング材入り注射器で風船を自作するキットを販売しはじめました．
このような風船は暑い日にはべたついてしまいました．子供の頃からゴムの魅力にとりつかれていたアメリカのチャールズ・グッドイヤー（1800-1860）は，なんとかゴムがべたつかなくならないか実験を重ねていました．研究の途中，硝酸で処理すると表面はべたつかなくなることを発見しますが，内部はべたついたままでした．
1839年，硫黄と混ぜたゴムをうっかり熱いストーブの上に落としてしまいました．溶けてしまうかと思われましたが，不思議なことに真っ黒に変質していました．「加硫」の発見です．
加硫操作は簡単に真似できる技術でしたので，他の会社も含め様々な製品が開発されていきました．1847年にはイギリスのJ. G. Ingramが加硫したゴムを用いたおもちゃの風船を製造しました．これが現在の風船の原型といえます．
はじめはおもちゃの風船には水素ガスが一般的に使われていたようです．ただし当然ですが火の近くでは引火して爆発する危険があり，実際に火事も頻発していました．
1914年ころには消防士たちの間でおもちゃの風船に水素ガスを使用することを禁止しようとする動きがでてきました．ニューヨーク市では，飾りの風船が爆発して職員が大やけどを負う事故が起き，1922年には水素入りの風船が禁止されました．
やがて水素ガスにかわり安全なヘリウムガスが風船につかわれるようになると，風船を宣伝にもちいる動きが活発化しました．
Helen Warnyは1920年代にニューヨークでトイ・バルーン社を設立し，パレードやウィンドウディスプレイで風船を大量に活用しました．時にはヘリウムガス入り風船を50000個も一気に飛ばした記録もあります．風船には広告主の名前が印刷されており，発見者には商品が与えられるしくみでした．
５．まとめ
最初の質問に答えるなら，空気より軽く，化学的に不活性で安全だから，ということになりそうです．
ヘリウムガスは風船や飛行船に用いられるほか，不活性であることを活かして半導体製造や溶接*9，潜水に用いられています．また，液体ヘリウムによる冷却なども最先端技術・研究で活用されています．
一方でヘリウムガスは限りある資源であり，一度大気中に放出されてしまうと宇宙へ逃げていってしまいます．このような事情からヘリウム枯渇を防ぐため，代替方法の開発やヘリウムガスのリサイクルなどの努力が続けられています*10．
次回はヘリウムガスを吸って声が変になる原理について見てみましょう．
問題
Q. 地球上でヘリウムガス(分子量4)の入った風船と，クリプトンガス (分子量83.8)の入った風船を同時に手放したらどうなるでしょうか？また，月面ではどうでしょうか？
A. 地球上ではヘリウムガスの入った風船が空へ浮かんでいき，クリプトンガスが入った風船は地面に落ちる．月面では大気がないため浮力が働かず両方とも同じ速度で落下する．
参考文献
”U.S. Navy Diving Manual, Revision 7" (2016).
"History of Industrial Gas" E. Almqvist (2003).
"Helium, a Gaseous Constituent of Certain Minerals. Part I" William Ramsay
"Introduction to polymer chemistry, second edition" C.E. Carraher (2010).
”Ask the Historian" W.B. Jensen, Oesper Collections (2012).
『元素発見の歴史』M.E. Weeks, H.M. Leicester (2010).
*1:煙そのものが重要だと考えた彼らは，わざとすすが出るように火をたいていました．結果的にはすすによって布の小さい穴がふさがり，効果的に温められた空気を気球に閉じ込めることに成功しました．
*2:フランス宮廷では避妊具を作るのにつかわれていた方法だったといわれています．
*3:科学誌「Nature」を1868年に創刊したことでも有名です．
*4:ちなみに普通，"-ium"は金属元素に用います．ロッキャーは未知の元素が金属元素だと勘違いしたため，"helium"と名付けたようです．本来なら，"helion"となるはずです．
*5:当初はこの主張はあまり受け入れられなかったようです．
*6:このように生成されたヘリウムは，天然ガスにまじるなどしてアメリカ中南部，アルジェリア，カタール，ロシアなどで産出します．
*7:数日かけて横断したそうです．
*8:ゴム製でなければ，ジョゼフ・ブラックも水素ガス風船を作製して友達に披露しています．
*9:空気中の酸素などと金属の化合を防ぎます．
*10:最近，ヘリウムガスの供給不足・価格高騰が深刻化しています．ガスクロマトグラフィーなど大学においても悩みの種です．
