✈️ 飛行機の翼は何でできている？セーターとつながる炭素の話

🟢 炭素は、つながり方で別人になるレベル1・小学生

この段の問い「鉛筆の芯とダイヤモンド。同じ炭素なのに、なんで片方は黒くてやわらかく、片方は透明でいちばん固いの?」

答えは「つながり方」。鉛筆の芯に入っている黒鉛は、炭素が平らな板の形に手をつなぎ、その板が何枚も重なっています。板と板の間はゆるいので、紙にこすると板がはがれて字が書けます。ダイヤモンドは、炭素が四方八方にがっちり手をつないでいるので固いのです。(鉛筆の芯は、黒鉛に粘土をまぜて焼き固めたものです)

カーボンファイバーは、炭素の並びを糸の向きにそろえたもの。だから糸の向きにはとても強くなります。バーベキューの炭がもろいのは、炭素の並びがばらばらだからです。

→ 次の段へ: 「糸1本はフニャフニャ。それがどうやって翼になるの?」

🟡 「軽くて強い」の作り方は、竹と鉄筋コンクリートが知っていたレベル2・小学校高学年〜中学生

この段の問い「割り箸はタテには割れるのにヨコには折れにくい。段ボールは向きで固さがちがう。この2つの共通点は?」

共通点は「細い糸(繊維)が一方向に並ぶと、その向きにだけ強い」ということ。木や竹は、自然が作った「糸を固めた材料」です。

カーボンファイバーも糸の向きにしか強くありません。そこで、糸をシートのように並べたものを、向きを変えながら何枚も重ね(合板と同じ考え方)、プラスチックで固めます。これがCFRP(炭素繊維強化プラスチック)。鉄筋コンクリートでいえば、糸が鉄筋、プラスチックがコンクリートの役です。

歴史をさかのぼる1879年、エジソンは木綿の糸を炭にして電球を光らせました。こうした電球用の「炭の糸」は、カーボンファイバーのご先祖さまのひとつと言われます。1880年には京都・八幡の竹を炭にした糸で長持ちする電球ができ、八幡の竹は10年以上使われました(いまも石清水八幡宮にエジソンの記念碑があります)。

アクリルの糸から丈夫なカーボンファイバーを作る方法は、1959年に大阪の国の研究所にいた進藤昭男さんが特許を出したのが始まり。1963年には群馬大学の大谷杉郎さんが、石炭や石油からとれる「ピッチ」からも作りました。東レが1971年に生産を始め、最初は飛行機ではなく、釣り竿やゴルフのシャフトに使われて広まりました。

2011年、ボーイング787がANAの便で世界で初めて営業飛行しました。機体の構造の重さの約半分が複合材料で、その多くが炭素繊維を固めたもの。主翼の中心部分(主翼ボックス)は名古屋の工場で作られ、いまも巨大な輸送機でアメリカの組み立て工場へ運ばれています。機体の構造のおよそ35%を、日本の会社が分担して作っています。

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🔵 炭素でつながるノーベル賞と、飛行機のまわりのノーベル賞レベル3・中高生

白川英樹(2000年 化学賞)— 電気を通すプラスチックプラスチックは電気を通さない、が常識でした(下じきで髪が立つのは、たまった電気がにげにくいから)。1967年、白川さんがいた東京工業大学(いまの東京科学大学)の研究室で、韓国から来ていた研究者が実験したとき、触媒(反応を助ける薬)がいつもの約1000倍も入ってしまいました。指示の単位の行きちがいだったと言われています。すると黒い粉のかわりに、銀色に光るうすい膜(ポリアセチレン)ができました。白川さんはこれを調べ続け、約10年後、アメリカの大学の研究者たちと一緒に、この膜にヨウ素を加えると電気の通りやすさが1000万倍以上になることを見つけました。いま「電気を通すプラスチック」の仲間は、静電気を防ぐフィルムや、パソコンなどの電子部品(コンデンサ)に使われています。

飛行機とのつながり炭素の糸をプラスチックで固めた機体は、アルミの機体より電気が流れにくい。だから雷が落ちても電気が安全に機体の外側を流れていくように、金属の網やはく、電気の通り道を組み合わせて工夫しています。「通す・通さない」を設計しているのです。

吉野彰(2019年 化学賞)— リチウムイオン電池吉野さんは最初、白川さんのポリアセチレンを電池のマイナス側に使ってみました。でも中がすかすかで、電池が大きくなってしまう。そこで1985年、同じ会社の別の研究所で作られていた「気相成長炭素繊維」という炭素の繊維に替えたら、うまくいきました。白川さんの発見と吉野さんの電池は、炭素でつながっているのです。いまの電池のマイナス側には、黒鉛(鉛筆の芯の仲間)がよく使われます。

飛行機とのつながり787は大きな旅客機ではじめて、エンジンをかける前や、もしものときの予備に使う大事なバッテリーに、リチウムイオン電池を使いました。作ったのは日本の会社です。

真鍋淑郎(2021年 物理学賞)— なぜ飛行機を軽くしたいのか飛行機が重いほど燃料をたくさん使い、燃料を燃やすとCO2が出ます。787は、前の世代の同じくらいの飛行機より燃料が2割以上少なくてすみます(軽い機体に、エンジンや翼の形の工夫を合わせた結果)。日本生まれの真鍋淑郎さんは1960年代、コンピューターで地球の空気の動きや熱の出入りをまねる「気候モデル」を作り、CO2が2倍になると気温が2度以上上がることを示しました。いまの温暖化予測の土台になった研究です。

赤﨑勇・天野浩・中村修二(2014年 物理学賞)— 青いLED青いLEDができて、白や好きな色の明かりをLEDで作れるようになりました。787の機内には、色の変わるLEDの照明が使われています。

これから: 北川進(2025年 化学賞)水素で走る車(トヨタのMIRAIなど)のタンクは、カーボンファイバーを使った丈夫な壁で、約700気圧というすごい圧力にたえるように作られています。北川進さんたちが切り開いた、すき間だらけの材料「金属有機構造体(MOF)」に、水素などの気体をためる研究も進んでいます。水素で飛ぶ飛行機も研究されていますが、実際に飛ぶのはまだ先になりそうです。

🟣 カーボンファイバーは、飛行機の「あと」にどこへ行ったかレベル4・行き先

この段の問い「軽くて強い糸があったら、飛行機の次に何に使う?」

🚀 ロケット・人工衛星

少しでも軽いほど、たくさんの荷物を運べる。日本のH3ロケットの補助ロケットの筒もカーボンファイバー製

🏎️ F1・スポーツカー

1981年、マクラーレンというチームがカーボンファイバーの車体で初めてF1を走らせた。軽くて丈夫で、事故のときに乗る人を守る。いまはF1の車体はカーボンが当たり前

🎣 釣り竿・ゴルフのシャフト

日本のカーボンファイバーが最初に広まった使い道。「軽くてしなる」

🚲 自転車・テニスラケット

軽くて丈夫なので、スポーツの道具に広がった

🦿 義足

パラリンピックの陸上の板バネの義足はカーボン製。しなって、けり返す

🌬️ 風車の羽根

長さ100mをこえる大きな羽根では、「背骨」にあたる部分に使われることがある

🌉 橋・建物の柱

1995年の阪神・淡路大震災のあと、柱にカーボンファイバーのシートを巻きつけて地震に強くする工事が広まった

🚗 水素の車のタンク

約700気圧にたえる丈夫なタンクの壁に使われている(→ 北川進)

🔋 燃料電池の中

水素で電気を作る燃料電池の中で、炭素の繊維でできた紙(カーボンペーパー)が使われている

🔥 カーボンヒーター

炭素に電気を流して熱を出す。エジソンの電球の「炭の糸」と同じ考え方に戻ってくる

💻 身の回り

ノートPC・カメラの三脚・ヘルメット・スキー板・ヨット