ウェストポイントの化学者が中世の火薬のレシピを再現

火薬作りは料理に似ていますが、より爆発的な点が異なります。14世紀と15世紀の火薬製造者は、中国からヨーロッパに持ち込まれた黒色火薬を使用し、硝石（硝酸カリウムとも呼ばれる）、木炭、硫黄という3つの材料を一つずつ混ぜ合わせていました。また、ブランデー、酢、ニスを少々加えるなど、シェフらしい工夫も凝らしていました。

ウェストポイント陸軍士官学校の専門家グループが、中世の火薬の製法を再現し、レプリカの大砲で火薬の製造試験を行った。その結果、初期の火薬は適切な火薬を作るのに多くの実験を要したことがわかった。これは、現代の爆弾製造者が爆発装置を組み立てる際に、同様の試行錯誤の手法を用いている可能性を示唆している。

このプロジェクトは、ウェストポイントの歴史教授クリフ・ロジャースが、匿名の写本を集めた『Feuerwerkbuch（ドイツ語で「花火の本」の意）』を調べていたことから始まりました。ロジャースによると、『Feuerwerkbuch』は熟練の砲手のための実用的なハンドブックで、火薬の原料の加工方法、製造方法、そして大砲への装填と発射方法が解説されています。この写本は、火薬と大砲の技術が急速に変化していた数十年をかけて編纂されました。1336年から1420年の出版までのレシピが掲載されており、それぞれの混合物の燃焼特性を表すために「一般的な」「より良い」「さらに良い」といった表現が使われていました。

ロジャーズ氏は、化学教授である同僚のドーン・リーグナー氏に、硫黄、硝石、木炭の通常とは異なる比率を含むレシピのファクトチェックを依頼した。「主な目的は、間違っているように思えた特定のレシピの解釈を確認することでした」と、今月ACSオメガ誌に発表されたチームの論文の筆頭著者であるリーグナー氏は言う。問題は科学的なものではなく翻訳ミスであることが判明したが、それがチームの興味をそそっていた。「次に、中世の砲手たちが入れていた他のすべての材料についてはどうだったのか、そしてどのような思考プロセスだったのか、という疑問が生じました」とリーグナー氏は言う。「化学の学位を持たないこれらの人々は、自分が何をしているのかわかっていたのでしょうか。これらの新しい材料が自分たちにどのような効果をもたらすのか、またはそれらを混ぜることによってどのように役立つのかについての仮説を持っていたのでしょうか」

リーグナー氏とロジャーズ氏は、これらの初期のレシピを再現し、今でも使えるかどうかを調べることにしました。リーグナー氏は、スティーブンス工科大学で工学部に通う娘と共に化学研究室で研究を行いました。娘は昨年、新型コロナウイルス感染症のパンデミックで自宅待機していました。「研究室で材料を混ぜ始めました。最初は乾燥状態から始めました」と彼女は振り返ります。「そして、必要に応じて、レシピに記載されている通り、水、ニス、酢など、様々な液体も加えました。」

最終製品が完成すると、母娘チームはその材料を純酸素を充填した容器に入れ、火薬の「爆弾熱量測定法」による試験を行った。これは、点火によって発生する熱エネルギーの量を測定するものである。ウェストポイントの主任化学者であるテッシー・リッチー氏は、実験室と実地試験で得られた化学残留物を分析した。

リーグナー氏によると、このプロジェクトのこの部分はいくつかの障害に直面したという。研究室で使用された材料は科学的な品質、つまり極めて純粋だった。しかし、14世紀と15世紀に使用された硫黄と硝酸カリウムは、より汚染されていたと考えられる。これが、火薬料理人が追加の材料を加えた理由の一つかもしれない。チームは、入手が困難だった高価な硝石の代わりに、時間の経過とともにレシピで硫黄の使用量が増えるようになったことを発見した。硫黄は精製する必要があったため、他の添加物も使用されたとリーグナー氏は言う。

また、乾燥した材料を湿ったペースト状にし、それを乾燥させて精製し、火薬にするために使われた可能性もある。そして、3つ目の説がある。研究者たちは、ブランデーに含まれるアルコールが、初期の砲兵が使用した木炭に含まれる有機化合物を補い、燃焼を改善した可能性もあると考えている。しかし、現代の実験では、研究者たちがより高品質の材料を用いていたため、これらの添加物の効果を正確に特定することはできなかった。「どれも実際にエネルギー特性を改善しませんでした」とリーグナー氏は言う。

次に、彼らはその製法が現場でどれほど有効かを確認したかった。ウェストポイントの学部生、ロバート・シールズ士官候補生はロジャーズ氏と協力し、1400年頃に作られたドイツの短砲身シュタインビュクセ投石砲のレプリカを製作するための少額の助成金を獲得した。彼らはこれをノースカロライナ州の鋳造所で製作した。この大砲は長さ2フィートの円筒形で、前室に広い開口部があり、そこに弾丸が装填される。後室に火薬が装填され、導火線で点火する。大砲全体は木製のフレームで支えられている。実地試験では、石工が発射体として小さな石球を用意した。これは中世の包囲戦で城や城壁都市に撃ち込まれたものと同じだった。

中世初期にこの種の武器を開発した砲兵たちは、砲弾が炎ではなくガス圧によって発射されること、そして密閉容器で用意した柳の木炭が、伝統的な坑道で焼いて製造した樫の木炭よりもはるかに優れていることを、時を経て学びました。中世の火薬の配合は、現代のものよりも一般的に硝石が少なく、硫黄が多く含まれていました。

ロジャーズ氏によると、これらの大砲は中世後期の既存の兵器に比べて大きな進歩だったという。「塔の上にいて、クロスボウの矢や矢には耐えられるかもしれない、非常に頑丈な鎧をまとった騎士の集団と対峙したとしたら」とロジャーズ氏は言う。「1500ジュールのエネルギーを持つ4インチの石弾には耐えられないでしょう」

研究チームはレプリカの大砲をウェストポイントの軍事射撃場に持ち込み、複数の混合比をテストして、どれが最も効果的かを調べました。射撃場には地中に埋まった弾丸や不発弾が散乱していたため、研究者たちは外に出てそれぞれの弾丸の飛距離を測ることは許されませんでした。研究チームは5発の射撃を行い、ビデオ画像を使って飛距離の大まかな推定値は得られましたが、最終的に、どの混合比が他の混合比よりも効果的かを判断するには十分な情報が得られませんでした。リーグナー氏は、この疑問についてさらに研究を進めたいと述べています。

それでも、彼らは重要なことを発見しました。研究によると、時が経つにつれて、新しい製法が進化し、石弾をより低い発火温度で発射するようになったのです。何世紀にもわたって、砲兵たちは火薬の点火によって発生する熱をいかに除去するかに苦心してきました。過熱した大砲が爆発したり、高温のガスの炎が砲の後部から噴き出したりする危険があったからです。リーグナーは大砲の温度を測定し、初期の2つの製法が最も高い熱を発生することを発見しました。ただし、その差はわずか数℃でした。

「最も興味深かったのは、これらのレシピが実際に機能するという点です」と、英国を拠点とする中世軍事史家で作家のダン・スペンサー氏は語る。スペンサー氏は今回の研究には関わっていない。そして、この問題は実地試験によってのみ解決できると考えている。「文献を読んでも、それが実際に機能するかどうかを知るのは難しいのです」と彼は言う。

スペンサー氏によると、14世紀と15世紀は火薬実験の温床だったという。これは、1337年から1453年にかけてフランスとイギリスが争った百年戦争も一因となり、軍備の発展を促した。14世紀前半、火薬は錬金術師の専売特許であり、彼らは中国やインドからやって来る商人から硝石と硫黄を調達していた。しかし、後にヨーロッパ産の火薬が広く入手できるようになり、武器の進化に合わせて配合も変化した。大砲製造業者は、射程距離と精度を高めるために砲身を長くし、同時に手持ち式の銃も開発された。これらの武器には、それほど熱を発生せず、敵陣を貫通する砲弾を発射できる、異なる火薬の混合比が必要だった。

ロジャーズ氏は、キャリアの大半を中世の戦争研究に費やしてきた者にとって、この実験は目を見張るものだったと述べている。時が経つにつれ、火薬の配合はより効率的に発射できるようになり、砲手にとってより危険性が低くなったと、ロジャーズ氏はWIREDへのメールで述べている。「実地試験から、中世の装填方法と火薬の配合は実際にうまく機能する可能性があることが分かりました」と彼は記している。「4インチの石弾をクロスボウの矢よりも高速で投げることができたのです。つまり、質量がはるかに大きいこの弾丸は、通常は筋力で動く矢やボルトでは貫通しないような高品質のプレートアーマーを身にまとった人間に対しても、非常に致命的だったということです」

リーグナー氏の専門は法医学化学であり、イラクやアフガニスタン紛争で米軍にとって脅威となったような即席爆発装置（IED）を遠隔検知する技術の開発です。中世のレシピを再現する作業を通して、リーグナー氏は現代の爆発物の製造方法を理解する上で、より優れた問題解決能力を身につけたと彼女は言います。

「今では、人々はキッチンで爆弾を作っています」とリーグナー氏は言う。「彼らは全く異なる材料を使っていますが、私たちの研究室で火薬の研究に用いた技術の一部を、これらの新しい材料にも応用できると思います。そして、なぜこれを加えたのか、なぜあれを微調整するのかといった思考プロセスを理解できるのです。」

2021年10月6日午後12時9分更新: このストーリーは、Tessy Ritchieの名前のスペルを修正するために更新されました。

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