自転車はどのように作られるのでしょうか？ 鉱山から市場まで

鉄鉱石の塊や石油化学製品のタンクをどうやって自転車に変えるのでしょうか?

Cyclingnews に入社する前、私は鉱山地質学者として訓練を受けました。 10 年間の大部分を、私は新しい天然資源を見つけて地面から掘り出すことを目的とする企業で働きました。 私が本当に衝撃を受けたのは、一般に、消費者と彼らが消費する商品の生産との間には大きな隔たりがあるということです。

すべてのスマートフォンに含まれる希少鉱物であれ、すべての触媒コンバーターに含まれるプラチナであれ、製品が「工場で」生産されることが期待されているようです。 自転車も同様のようです。 バイクが「Made in Britain」または「Made in USA」であることを宣言するシートチューブのデカールをライダーが誇りに思っているのをよく見かけますが、これは実際には何を意味するのでしょうか? 自転車はどこで「作られている」のでしょうか？

鉱山業界には、「栽培できない場合、または捕獲できない場合は、掘らなければならない」という格言があります。 シンプルな言葉ですが、これはまさに真実です。 カーボン、スチール、アルミニウム、チタンのいずれの自転車も、地球の地殻内で原材料として誕生します。 最高のロードバイクが店頭に並ぶまでには、自転車会社が最終製品として完成させるために非常に多くのプロセスを経ます。

必然的に持続可能性についても触れられますが、主に簡潔さのため、それがこの記事の目的ではありません。 その代わりに、大規模生産に関する洞察を提供したいと考えています。

私たちの多くにとって、自転車は生活の円グラフの中でかなり大きな部分を占めています。 彼らは私たちの可処分所得を食い尽くし、私たちの空想を占領します。 これらは私たちにとって重要ですが、大局的に見て、製造全体の中で自転車産業が使用する材料の割合は、無視できるほど小さいのです。

最終的に高強度のトリプルバテッドチューブとなる鉄鉱石の割合は、建設業界で測定すると実質的にゼロです。 自転車用のプリプレグカーボンの製造に使用されるオイルの量は、燃料やプラスチックに使用されるオイルと比較して実質的にゼロです。 アルミニウムは航空機の構造からコンロ用コーヒーポットに至るまであらゆるものに使用されており、やはり自転車の生産は全体に占める割合は小さい。 チタンの使用量はスチールに比べてはるかに少ないですが、チタン自転車の生産量も他の金属製自転車に比べてはるかに少量です。

以下に読む内容は、情報に基づいた購入を行う際に役立つかもしれませんが、産業としての自転車生産は他の多くの産業に比べて影響がはるかに小さく、何百万もの人々にグリーン交通手段の選択肢とモビリティの提供を生み出していることを覚えておいてください。 しかし、財布を使って簡単に投票できるものであり、より持続可能な未来を目指すのであれば、どんな些細なことでも役に立ちます。

業界全体にとって良い入門書となるので、最高のスチール製ロードバイクがどのように作られるのかから始めます。 鉄は世界の年間金属使用量の 95 パーセントを占めており、鉄に含まれる炭素の割合はせいぜい数パーセントの問題であることを考えると、世界的な用語で話すときは鉄と鋼を同義で使用できます。 関係する数字のせいで、スケール感がわからなくなりがちです。 2015 年には、20 億トンを超える鉄鉱石が地球から抽出されました。 これを文脈に置き換えると、これは毎年地上から掘り出される 200 万隻の空母と同じ重量に相当します。

鉄鉱石の最大の生産国はオーストラリアで、ブラジル、中国がそれに続きます。 カスタムのステンレス フレームや母親の古いマウンテン バイクのスチールは、おそらくオーストラリアの奥地で錆びた岩として誕生しました。 これは世界最大級の鉱山の一部で地面から掘り出され、砂漠を越えて海岸にある製錬所まで向かう長さ1.5マイルの列車に乗せられた。

ご想像のとおり、マイニングは比較的エネルギーを大量に消費します。 鉱業は世界のエネルギーの約 10 パーセントを消費しており、この部門内のエネルギー使用量を考えると、世界中で生産される全エネルギーの 4 パーセントが岩石の破砕に費やされ、地中から取り出したら、それを回転させなければならないことになります。鉱石から金属へ。 鋼鉄を含むほとんどの金属の場合、製錬として知られるこのプロセスは、鉱石または金属精鉱（元の岩石よりも金属含有量が比較的高い粉末）を取り出し、化学物質が溶けるまで加熱します。結合が破壊され、スラグとして知られる廃棄物から鉄が分離されます。 このプロセスは鉄器時代から基本的に変わっていませんが、大幅に規模が拡大されました。 この時点で炭素を追加すると鋼が生成され、モリブデンなどの他の金属が追加されて特定の合金が作成されます。 1.5kgの自転車フレーム1台に十分な量の鋼を製錬するには、英国の標準的な家庭が1日に使用するのと同じ量のエネルギーが必要です。

最近の消費者は、消耗品を出所まで追跡できることを望んでいますが、鉄鋼やその他の金属の場合、これは実際には不可能です。 製錬所は、その所在地と世界の生産量に応じて国内外の鉱山から鉱石を摂取しますが、一度一緒にるつぼに入ると、何がどこから来たのかを知る方法はありません。 それは、4 つの国際卵からケーキを作り、そのスライスに入っている卵がどの国のものかを調べようとするようなものです。

今は鋼材を持っていますね？ それではバイクを作ってみましょう！ 残念ながら、完全ではありません。 原材料は、鉄に変えるために製錬所まですでに何百マイル、何千マイルも移動している可能性がありますが、製錬所が製品を生産するとしても、桁や鉄道の線路など、大きなものだけを作る傾向があります。 それ以外の場合、彼らは原鋼を二次生産者に販売しますが、自転車製造の目的でシームレス鋼管が製造される工場へのさらなる輸送が必要になる可能性があります。

特定の高強度合金で作られたこれらのシームレス チューブは、英国バーミンガムのレイノルズなどのチューブ メーカーに出荷され、そこで自転車の形になっていく様子が見られます。 幸運なことに、レイノルズとチャットしていくつかの重要なポイントについて説明することができました。

皆さんの中には、金属を作るのに必要な地球規模の資源について、上記の情報を聞いて目を見張るような人もいると思いますが、レイノルズと話をすることで、私は楽観的になれる理由が得られました。 私たちの会話から得られた主な点は、鉄器時代が紀元前 1200 年に始まったことを考慮すると、古い金属の再合金に関する知識は非常によく確立されているということでした。 そのため、853 レベル以上のレイノルズ鋼管 (ドイツから輸入された生の管を使用したもの) はすべて 100% リサイクル素材です。 853 未満のものは、業界全体の多くに当てはまると思われるが、台湾と中国で生産されており、大部分がリサイクルされています。 主に中国がデータの共有に消極的であるため、正確な数字を定量化することは困難である。

これは、最後の段落数を否定するものではありません。 バージンスチールは、ある時点で原材料から製造される必要がありますが、ほぼ無限にリサイクルできるという事実と、実際にリサイクルされているという事実は、スチールを自転車構造の材料として見る場合、両方とも重要なプラスポイントです。

ストレート ゲージ チューブはレイノルズに到着し、選択したプロファイルに合わせて突き合わせられてから、最終的にフレーム メーカーに送られ、留め継ぎや溶接、ろう付けが施されて完成品となります。 生の鋼鉄のリサイクル状況（議論の余地あり）を考慮して、その製造にかかるエネルギーコストを割り引くと、エネルギーコストの大部分は輸送によるものになります。

最もエネルギー効率の高い鋼材については、ドイツから調達された原材料を使用した 853 チューブセットが英国のメーカーによって自転車に組み込まれ、英国のショールームで販売されています。 スペクトルの対極では、極東からの原材料がバーミンガムでチューブに仕上げられ、台湾に輸送されてフレームに加工され、その後ヨーロッパのショールームに返送されるというシナリオが容易に想像できます。

それを、最高のアルミニウム ロードバイクを製造するために必要なものと比較するとどうでしょうか?

アルミニウムは、工業的には、単純だが巨大な鋼鉄と、極度に複雑なチタン製造の中間点を占めます。 これは地球の地殻で最も一般的に見られる金属元素ですが、だからといってシャベルを手に取って掘り始めればよいというわけではありません。 純粋なアルミニウムを生産するには、ボーキサイトとして知られる鉱床が必要です。 簡単に言うと、これらは酸化アルミニウムが豊富に含まれた岩石や土壌です。 それらは熱帯および亜熱帯環境で形成され、そこで追加の熱と湿気が化学的に弱い廃棄ミネラルを風化させ、環境中のアルミニウムを効果的に自然に濃縮します。

このプロセスの追加の利点は、堆積物が地表またはそのすぐ近くで発生するため、採掘が（比較的）簡単な作業になることです。 中国が世界のボーキサイト生産でリードしており、それに僅差でオーストラリアが続く。

ボーキサイトが地中から出たら、最終的に使用可能なインゴットに精製する前に、アルミナに変換する必要があります。 これは、高温でボーキサイトを苛性ソーダに溶解し、その後冷却するバイエル法を使用して行われます。 アルミナ（酸化アルミニウム）は廃棄物よりも溶液中に留まりたいため、すべての廃棄物は赤いスラッジとして底に沈殿し、アルミナを分離し、加熱して化学薬品に残っている水を除去します。構造。

現在では、アルミナは精錬ではなく電気分解のプロセスによって純粋なアルミニウムに変えることができます。 アルミナは、グラファイトで裏打ちされた巨大なタンク内の溶融氷晶石（フッ化水素酸、水酸化アルミニウム、重炭酸ソーダの溶媒混合物）に溶解されます。 これらのタンク内には黒鉛棒が吊り下げられており、車の始動に必要な電流の 1,000 倍以上の定電流が液体に流されます。 タンクのマイナスに帯電した底部では氷晶石に溶解したアルミニウム原子が電子を受け取り、純粋な液体アルミニウムを生成します。これは巨大な真空を使用して断続的に取り出すことができます。 逆に、陽極では酸素イオンが電子を失い、グラファイトと反応して二酸化炭素が生成されます。

もしあなたがそこに座って、「1,000 度の液体のタンクに 400,000 アンペアの電流を流すのは、確かに大量のエネルギーを消費するはずだ!」と考えているなら、 あなたは正しいでしょう。 80パーセントのバージン材料と20パーセントのリサイクル材料の一般的な混合物からアルミニウムを製造するには、リサイクル鋼の22倍のエネルギー消費が必要です。 このため、電解プラントは通常、発電所のすぐ隣に設置されます。 再生可能エネルギーのある国では、これは水力発電所の隣にある可能性があります。 中国の場合、アルミニウム生産の93パーセントは石炭火力発電所からエネルギーを得ています。

アルミニウムはリサイクルが容易で、そのプロセスに関して確立された産業が存在します。 純粋にリサイクルされたアルミニウムの製造は、どう見ても、リサイクルされた鉄鋼の場合と同じエネルギー消費量となります。 公表されていない限り、自転車のチューブに使用されているアルミニウムは、バージン材料とリサイクル材料の混合物から作られている可能性があります。

スチールやチタンと同じように、生のアルミニウムは原料からチューブに製造され、自転車メーカーにさらに出荷される前に、同じレベルの世界輸送を受けます。 アルミニウムは通常、ハイドロフォーミングのプロセスによって成形されます。このプロセスでは、金型に収容されている間に超高圧の水がチューブの内側に押し込まれ、スチールやチタンの従来の丸い断面からの逸脱が可能になります。

多くのライダーが自転車の主流素材の中で最も珍しいと考えているものにもかかわらず、チタンは地殻内で 4 番目に豊富に存在する構造金属元素 (鉄、マグネシウム、アルミニウムに次ぐ) です。 では、なぜチタンチューブはスチールやアルミニウムの同等のチューブよりもはるかに高価なのでしょうか?

鉄鋼の場合は基本的に錆びた岩を溶かして石炭を投入し、アルミニウムの場合は酸化アルミニウムを通電した浴に投入しますが、使用可能なチタンの塊を入手することははるかに複雑です。

原材料の抽出には、自動化されたプロセスで砂粒を分離する作業が含まれます。 主な鉱石鉱物である鉄とチタンの酸化物は、古代および現在の川の堆積物、つまり基本的には乾いた古い川底に存在します。 これらの古い川の砂は、気まぐれに巨大なヘルタースケルター滑り台に流し込まれます。チタンを豊富に含む粒子は石英の粒子より重いため、最終的に単一の流れに分離され、大規模なさらなる処理のために吸い上げることができます。

化学的に言えば、酸化鉄チタン中の鉄は邪魔であり、最初に高級石炭を振りかけて1,600℃に加熱するか、熱塩酸で溶かして酸化チタンを残します。 この TiO2 の 95 パーセントは白色顔料として使用されますが、光沢のある銀の塊になる予定の 5 パーセントはさらにいくつかのステップを経る必要があります。

残りの 5 パーセントには、業界的にはクロールプロセスとして知られるプロセスが行われます。 チタン鉱石は、塩素ガスの存在下で炉内で加熱されて四塩化チタンガスが生成され、その後冷却されて液体に凝縮されます。化学式 TiCl4 により口語的に Tickle として知られています。

液体からバイクを作ることができないことを考えると、この Tickle はマグネシウムの存在下で 4 日間加熱されます。これにより、塩素が同盟を切り替え、より反応性の高いマグネシウムと結合し、固体のチタンが残ります。 次に、化学物質が入った熱々のタンクから空気がすべて吸い出され真空状態になり、塩化マグネシウムが取り除かれ、穴だらけのチタンスポンジが生成されます。

このスポンジは次に、巨大な油圧プレスによってほぼ固体のブロックに圧縮される前に、粗い粉末に粉砕されます。 最終的には、主に航空宇宙産業によって溶解されてインゴットになり、物品が製造されます。

ご想像のとおり、このプロセスは比較的エネルギーを消費します。 濃縮鉱石から金属チタンを得るには、リサイクル鋼から同じ重量の鋼を製造する場合の 60 倍のエネルギーが必要です。 これは必ずしも同じものと同じものを比較するものではありませんが、鉄には地球規模でよく形成されたリサイクルネットワークがありますが、チタンにはそれがありません。

鉄と同様、生産される金属の大部分は高級自転車には使用されません。 大部分は飛行機などに使われ、エアバス A380 には 77 トンのものが必要です。 鋼はリサイクルが容易ですが、生産コストの上昇を考慮すると、業界ではチタンの方がはるかに無駄が少なくなります。 非常に多くの航空宇宙部品は固体インゴットからフライス加工されており、切り粉 (金属のチップ) はすべて収集され、金属に再鋳造されます。 チタンチューブセットも製造しているレイノルズに再び話を聞くと、同社のチタンチューブの100パーセントが航空宇宙廃棄物から作られていることが判明した。

チタンの産地に興味があるなら、チタンはおそらく中国で誕生したことになるでしょう。同国は次に大きな国家生産国である南アフリカの2倍以上を生産しています。 当然のことながら、アルミニウムや鉄鋼と同様に、原材料も世界中を輸送するのにかなりの時間を費やすことになります。

鉄鋼の生産に関わる膨大な数の作業から少しだけ解放され、炭化水素抽出という巨大な世界に目を向けることができます。 炭素繊維は、炭素繊維自体と炭素繊維が組み込まれている樹脂の両方とも石油化学産業の製品であり、石油の抽出に依存しています。 結局のところ、油は濃厚なスープの中のさまざまな炭素鎖にすぎません。

石油の抽出は、鉱業の複雑さよりも、一般の人にとってやや馴染みのあるものです。 石油掘削装置は、陸上でも海上でも、地下の黒い物質の貯留層に穴をあけて汲み出します。 当然、それよりも複雑ですが、不必要な話に逸れることなく、素材抽出の観点から本当に知っておく必要があることはこれだけです。

石油産業は、水筒のプラスチックから誕生日用風船のヘリウムに至るまで、私たちが日常生活に依存している材料に大きな責任を負っています。 カーボンファイバーフレームの作成は非常に化学的負荷が高いため、できる限り一般化して説明します。

最高のカーボン ロードバイクであるカーボンファイバーのフレームとコンポーネントは、多かれ少なかれ、ファイバー自体と、ファイバーが組み込まれている樹脂の 2 つの部分で構成されています。 どちらも石油由来です。 炭素繊維は、化学物質 (溶媒、触媒、ポリマー鎖の構成要素であるモノマー) の容器として誕生します。 ナイロン糸が製造されるのとほぼ同じ方法で、このモノマーが豊富な液体からポリマー糸が紡ぎ出され、必要な厚さまで引き伸ばされ、その後残留物が洗い流されます。

現時点では、一般的にナイロンに似ていると考えられます。 強くて柔軟ですが、自転車の製造にはあまり役に立ちません。 プラスチックポリマー糸をカーボンに変えるために、非反応性雰囲気または真空下で高温で焙煎され、その時点でポリマー原子が「炭化」します。 これで、カーボンの長い糸が完成しました。これをマットに織り込むことも、一方向カーボンファイバーとして知られる他の繊維と平行に置くこともできます。

繊維を固定する樹脂も石油産業から派生したものですが、エポキシの製造に関与する化学プロセスはもう少し複雑で、あまり刺激的ではありません。 ハイエンドのカーボン フレームセット、カーボン ホイール、その他の仕上げキット全体が、地下深くで古代の沼地として分解されて誕生したことを知っておいてください。

織られたカーボン繊維のシートには、多くの場合、熱硬化樹脂が含浸され、プリプレグ カーボンとして知られています。 これらは、メーカーが望む強度や柔軟性を生み出すために、特定の方向で金型に配置されます。 自転車全体を寝かせた後、型を焼き、内部のゴム製の袋を膨らませて繊維を端に押し付けます。 ベーキングによって樹脂が硬化すると、完成したフレームまたは別のコンポーネントを取り外して仕上げることができます。

石油産業は、ごく当然のことですが、一部の人々の間では悪い評判を持っています。 しかし、実際に自転車フレームの製造に使用される石油の割合は、消え去るほど少ないため、大手石油への二本指の敬礼としてカーボンフレームを避けるという選択は、悲しいことに少し無駄な行動です。 オリンピックのプール 4 つを満たすのに十分な量の石油が、毎分、1 日 24 時間、1 年 365 日、世界中で生産されています。 完成したレースバイクに 5 キログラムのカーボンファイバーが含まれていると仮定すると、石油産業は毎秒 33 台の完成したバイクを大量生産することができます。

ジョークとしてカーボンバイクのことを口語的に「プラスチック」と呼ぶ人がいると聞きますが、廃棄物を削減したいと考えている人にとっては、これはおそらく少し核心に近いジョークです。 スチール、アルミニウム、そして少し難しいですがチタンのフレームは、新しい自転車、桁、飲料缶、飛行機などにリサイクルできます。 しかし、カーボンファイバーは多くのプラスチックと同様に、非常に壊れにくいものです。 カーボンフレームの製造に必要なエネルギーは金属代替品よりも低いですが、カーボンフレームをリサイクルする方法はないため、寿命が尽きると埋め立て地で寿命を終える運命にあります。何万年も残ります。

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ウィルは、これまで Cyclist、BikeRadar、Advntr に記事を書いていましたが、2022 年にレビュー ライターとして Cyclingnews チームに加わりました。 彼が手を出していないサイクリングはほとんどなく、古いバイクや長持ちするコンポーネントに特別な愛情を持っています。 ヨークシャーでCXレースを始めるまでは、ロードライディングが彼の初恋だった。 彼はビンテージ タンデムでツアーを行っており、固定ギアのグラベル ライディングや MTB にも参加しています。 たくさんの自転車に乗らないときは、ガレージでパートタイムのフレームビルダーとしてフレームやコンポーネントを自作したり、古いマウンテン バイクをレストアしたり、湖水地方でコリーの散歩をしたりしています。

身長：182cm

重量: 72kg

乗り物: Custom Zetland Audax、Bowman Palace:R、Peugeot Grand Tourisme Tandem、1988 Specialized Rockhopper、Stooge Mk4、Falcon Explorer Tracklocross

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