「鉄は国家なり」 人類は“鉄”なくしては生きていけない|ニフティニュース – ニフティニュース



「鉄は国家なり」 人類は“鉄”なくしては生きていけない

鉄の歴史は宇宙の歴史なのか(写真はイメージ、提供:アフロ)

 宇宙や惑星、生物の誕生、そして文明の発展などにおいて欠かせない元素として「鉄」があります。私たち人間をはじめすべての生物は鉄がなければ生きていくことはできません。大げさな言い方かもしれませんが、例えば空気を吸い込んだとき、酸素を全身に運びエネルギーを変換する際には鉄が使われています。宇宙空間には強力な放射線が飛んでいますが、地球の中心部に存在する鉄が強大な磁場をつくりだし、地表を安全な環境へと変えているのです。そのほか、鉄はさまざまな工業製品や建物にも使われ、私たちの生活をより豊かなものにしています。

 一見、古く時代遅れな物質と思われがちな鉄。137億年前の宇宙創世期、46億年前の地球誕生、そして現在までの生物と鉄との関わり、さらには「なぜ鉄でなければならないのか」を東京大学システム創成学専攻・教授の宮本英昭さんが解説します。

約46億年前に誕生した特別な惑星“地球”

 私たちの住む地球は、太陽系のほかの天体と同じようにいまから約46億年前に誕生しました。その後の長い歴史は、単純なものではありません。巨大な天体が衝突することで地球の一部が剥ぎ取られたこともあれば、地表が全部凍り付いたこともありました。

 「動かざること山の如し」、というのは人間の時間スケールでの話です。地球の歴史という目でみると、山どころか地球全体が活発に活動していたのです。地下にある莫大な量の放射性元素に由来した猛烈な熱を効率よく宇宙空間に逃がすために、地球規模で内部の物質が対流してきたからです。

 これが地表にある液体の水や生命と複雑な相互作用をもたらし、地球は独特の進化を遂げました。これが太陽系のほかの天体と大きく異なる地球の歴史なのです。化学的にみれば、地球は太陽系の中で最も多彩な天体となり、4000種以上の鉱物で覆われるようになりました。生命がほかの天体ではなく地球にこれほど繁栄した理由は、この多彩さにあるのでしょう。私たち人類の文明も、化学的な多様性に立脚して繁栄していると言うことができます。

文明維持には大量の資源が必要

 文明の維持にはさまざまな天然資源が不可欠ですが、金属資源や化石燃料などは鉱物資源と呼ばれています。これらは一般に鉱床から採取されますが、鉱床は数万年から数十万年、ものによっては数億年もの長い時間をかけて地球が作りあげてきたものです。

 つまり人類は金属や化石燃料を抽出するため、地球の長い歴史の賜物を消費しているのです。また有用金属を人類が利用できる形に分離するには、膨大なエネルギーを必要とすることが多く、それには温暖効果ガスの放出など環境負荷を伴います。

 つまり地球文明は、地球資源と地球環境に大きな負担をかけながら、資源を利用していることになります。言うまでもなく地球の資源は有限です。資源を大量に消費することは、避けるべきだと感じます。人類にとって快適な環境は文明維持に不可欠なのですから、資源やエネルギーの消費を抑え、循環側社会を作ることは大切です。さまざまな工夫や努力を通じて省エネルギー化や小型化が達成されることにより、これまで考えられなかったほど低い環境負担で済み、それによりかえって利便性が増すものが生まることも、私たちは知っています。

 ところが話はそれほど簡単ではないかもしれません。すでに増えてしまった人口を支えるのに必要な消費資源量は、いずれにしても莫大な量になるのではないか、科学技術に対する根拠のないおそれや重厚長大産業に対する嫌悪感から、少し感傷的になりすぎていないだろうか、という意見もあるからです。

 現代の地球文明はこうした産業によって発展し維持されてきたのだから、それを嫌うのは矛盾していて、このまま果てしない資源確保の道を突き進む方がむしろ自然である、という考えを持つ人もいます。地球環境問題や資源枯渇問題などに目をつむって一方的にこのように考える姿勢は、広く支持されるとは思えません。

 しかし未来永劫、地球という閉鎖系で人類は繁栄しつづけることができるのでしょうか? 将来、無尽蔵のエネルギーと物質がある宇宙に飛び出せば、文明維持のために地球外のエネルギーや物質が利用できるようになるかもしれません。こうして境界条件が異なってくるならば、少し上の意見に対する見方が変わるということはないでしょうか? この連載では、こうした視点から考察していきたいと考えています。

「鉄は国家なり」人類の文明は鉄の文明

 地球文明の繁栄に必須である要素とは、いったい何なのでしょう? 文明の発達を象徴的に表す資源とは? 
 私は100年以上も前のプロイセン王国およびドイツ帝国、首相のオットー・フォン・ビスマルク(1815−1898)の演説から生まれた「鉄は国家なり」の言葉が示すように、今でも重厚長大産業の基幹でもある鉄の存在こそが最も重要な指標になるのだと思います。当時と比べると現代の文明は省エネルギー・高効率社会へと進化しているとはいえ、やはり多数の人間が生きていく上で大きな構造物や社会インフラが必要です。

 これらを支えるためには構造体が必須であり、いまも大量の鉄がその目的で使われているのです。これは粗鋼生産量が現代においてもほぼ一貫して増大していることからも理解でき、地球全体でみればやはり人類の文明は鉄の文明と考えて差しさわりないと思います。それでは文明の発展と共に鉄を大量に利用するようになったのは、ただの偶然なのでしょうか? ほかの物質でも本当はよかったのでしょうか? 私はそうではなくて、鉄でないと駄目であった理由、確固たる必然性が存在していると思います。これから順に、その理由について見ていくことにします。

最も原子核が安定した元素「鉄」

 私たちは多種多様の鉱物を利用していますが、鉱物に限らず身の回りのありとあらゆるものは、100種類ほどの元素の組み合わせでできています。元素というのは、原子核と電子で形成されていて、その原子核は陽子と中性子でできています。原子核がバラバラにならないのは、核子(陽子または中性子)の間に核力とよばれる引力が働くためです。

 ところが陽子は正電荷を持つので互いに反発しようとします(クーロン力という反発力)から、両者のバランスで原子核として結びつく力(結合エネルギー)の大きさが決まります。この結合エネルギーを核子1つあたりの大きさで見ると、面白いことがわかります。まず核子の数が少ない場合は、核子1個あたりの結合エネルギーは核子の数に応じて増大します。ところがその増え方は次第に小さくなっていって、質量数が60くらいのときに核子1つあたりの結合エネルギーが最大になり、その後は次第に減少します。このちょうどピークになる程度の核子の数を持つ元素が、核子同士の結びつきが最も強い、つまり最も原子核が安定した元素ということになります。その特殊な元素こそ、鉄なのです(※注)。つまり鉄は、この宇宙のどこに行っても、全ての元素の中で最も安定した原子核を持つ元素なのです。

 それでは原子核が安定などと言われても、それでいったいどんなご利益があるのかわかりにくいのですが、実は大変本質的な話なのです。具体的にどう特別な効果が生まれたかという話は、次回以降でご紹介したいと思います。

(東京大学大学院システム創成学専攻・教授 宮本英昭)

(※注)厳密にはニッケルや鉄の特殊な同位体の方が普通の鉄、すなわち56Feよりも結合エネルギーが大きいのですが、これらの存在比は56Feと比べると極めて小さいので、ありふれた物質の中で最も原子核の結びつきが強いのは鉄ということになります。



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