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Laut der Gesetz des Archimedes ein Objekt erfährt eine Aufwärtskraft, die dem Gewicht der verdrängten Flüssigkeits- oder Gasmenge entspricht. Das effektive Gewicht, dh das Gewicht des Objekts selbst abzüglich des Gewichts der verdrängten Materie, kann positiv, null oder negativ sein; darüber hinaus, wenn nur Reibungskräfte vorhanden sind, bestimmt dies, ob das Objekt aus dem Stillstand sinkt, an Ort und Stelle bleibt oder steigt. Bei einem größeren Schwerkraftbeschleunigung das Objekt sinkt oder steigt schneller. Ist die Erdbeschleunigung gleich Null, so ist bei Schwerelosigkeit, jedes Objekt schwimmt und von Tragfähigkeit ist keine Rede mehr.

Wenn das Objekt selbst (im Durchschnitt) einen niedrigeren Dichte hat sich dann die Materiemenge verdrängt, dann ist das effektive Gewicht negativ und es bewegt sich nach oben. Dieser Effekt wird verwendet, um Luftschiffe schweben. Dies setzt voraus, dass die mittlere Dichte des Gefäßes geringer ist als die des umgebenden Mediums, in der Regel die Außenluft (auf Meereshöhe ca. 1,29 kg/m³).

Dies kann erreicht werden durch:

• eine höhere Temperatur bei gleichem Druck (Heißluftballon)
• eine leichtere Gasart bei gleicher Temperatur und gleichem Druck - In diesem Fall entspricht die Auftriebskapazität pro Partikel der durchschnittlichen Masse der Moleküle, aus denen die Luft besteht, minus der durchschnittlichen Masse der Moleküle im Ballon.
• ein niedrigerer Druck (z. B. der hypothetische Vakuumballon)

Die Hubkraft F (in Newton) wird wie folgt berechnet:

${displaystyle F=Vcdot gcdot left(ho _{2}-ho _{1}ight)}$

Darin ist:

V Volumen des Traggases in Kubikmeter (m³);

g ist die Erdbeschleunigung (in m/s²);

ρ₁ die Dichte des Traggases (in kg/m³);

ρ₂ die Dichte der Umgebungsluft (in kg/m³).

Die Dichte eines Gases bei Atmosphärendruck ist leicht zu bestimmen, da sie proportional zu seinem Molekulargewicht ist. Beim Erhitzen des Gases wird die Dichte durch das Verhältnis der Temperatur des Gases (in Kelvin) und die Umgebungsluft.

• Luft, 80% Stickstoff (N₂: 28) 20% Sauerstoff (O₂: 32): Molekulargewicht 28,8
• Heißluft bei 100 °C oder 373 K in Umgebungsluft bei 25 °C oder 298 K: Molekulargewicht 28,8 × 298 / 373 = 22,7
• Wasserstoff, H₂: Molekulargewicht 2×1=2
• Helium, He: Molekulargewicht 4
• Dampf bei 100°C, H₂O, Molekulargewicht (2 16) × 298 / 373 = 14,3
• Ammoniak, NH₃, Molekulargewicht 14 3×1=17
• Methan, CH₄, Molekulargewicht 12 4×1=16
• Neon, Ne, Molekulargewicht 10
• Stickstoff, N2, Molekulargewicht 2×14=28

Die Auftriebskraft hängt vom Dichteunterschied zur atmosphärischen Luft ab. Für Helium bei 25°C ist das

${displaystyle {frac {28.8-4}{28.8}} imes 1,3 kg/m^{3}=1,1 kg/m^{3}}$

Als Faustregel gilt, dass ein Kubikmeter Helium ein Kilogramm heben kann.

Medien, die für einen Lifting-Effekt verwendet werden könnten

heiße Luft

heiße Luft wird hauptsächlich für Freizeitzwecke verwendet Ballonfahrten. Laut der Allgemeines Gasrecht lege ein Gas (und auch ein Gasgemisch wie Luft), wenn es erhitzt wird. Dadurch hat das gleiche Luftvolumen bei einer höheren Temperatur weniger Masse. Die durchschnittliche Lufttemperatur in einem Heißluftballon beträgt in der Regel etwa 100 °C.

Wasserstoff

Wasserstoffgas ist das leichteste Gas, das es gibt (mehr als 14 mal leichter als Luft) und als solches das am besten geeignete Gas zum Heben von Gegenständen. Es ist auch sehr günstig in der Herstellung, z.B. von Elektrolyse aus Wasser. Es hat jedoch auch einige gravierende Nachteile:

• Wasserstoffgas ist hochentzündlich. Ein bekanntes Beispiel dafür, was schief gehen kann, ist die Hindenburg-Katastrophe. Aus diesem Grund ist es in vielen Ländern verboten, Wasserstoffgas als Liftgas für die Personenbeförderung zu verwenden. Aufgrund des im Vergleich zu Helium niedrigen Preises suchen Forscher jedoch weiterhin nach Methoden, um Wasserstoff sicher zu verwenden;
• Da es ein sehr kleines Molekül ist, kann es viele Materialien leicht passieren diffusdamit der Ballon schnell entleert wird. (Die meisten mit Wasserstoff oder Helium gefüllten Ballons sind daher mit einer dünnen Aluminiumschicht überzogen, da diese leicht durch Latex diffundiert.)

Helium

Helium (He) ist nach Wasserstoff das leichteste Gas. Dadurch ist es auch sehr gut zum Abheben von Ballons geeignet. Ein großer Vorteil ist, dass es nicht brennbar ist. Die Verwendung von Helium hat jedoch auch einige Nachteile:

• Gleiches Diffusionsproblem wie oben bei Wasserstoff beschrieben;
• Helium ist sehr teuer.

Dampf

Dampf ist leichter als Heißluft gleicher Temperatur, nicht brennbar und viel billiger als Helium. Die Idee, Dampf zu verwenden, ist demnach etwa 200 Jahre alt. Die größte Herausforderung bestand schon immer darin, ein leichtes Material herzustellen, das dieser hohen Temperatur standhält. Im 2003 Von einem Berliner Universitätsteam ist ein Ballon gelungen, der mit 150 °C heißem Dampf abhob.^[1] Aber wegen der hohen Siedepunkt und die Bildung von Kondenswasser an den Wänden ist in der Regel keine praktikable Option.

Ammoniak

Ammoniak (NH₃) wird manchmal verwendet, um Wetterballon füllen. Durch den hohen Siedepunkt (im Verhältnis zu Helium und Wasserstoff) kann Ammoniak in gekühlter Form in flüssiger Form mitgenommen werden, um es zu einem späteren Zeitpunkt gasförmig zu erhitzen, bei gleichzeitiger Erhöhung des Auftriebs und Reduzierung der Ballastgewicht.

Ammoniak ist relativ schwer (0,6 kg/m³) und außerdem eine ziemlich giftige und reizende Substanz.

Methan

Methan (CH₄), der Hauptbestandteil von Erdgas, wird manchmal verwendet, wenn Wasserstoff und Helium nicht verfügbar sind. Der Vorteil von Methan ist, dass es ein größeres Molekül ist, das viel weniger schnell durch die Wände von Ballons diffundiert als Wasserstoff oder Helium. Der Nachteil ist natürlich die Entflammbarkeit von Methangas, was es für den Personentransport ungeeignet macht.

leichtes Gas

In der Vergangenheit (vor 1959, als die Umstellung auf Erdgas) wurde auch leichtes Gas in Ballons verwendet. Der Vorteil war, dass es billig und überall erhältlich war; der nachteil war die geringere tragfähigkeit, entflammbarkeit und toxizität (aufgrund der enthalten) Kohlenmonoxid).

Neon

Neon (Ne) ist leichter als Luft und könnte einen Ballon schweben lassen. Es ist wie Helium nicht brennbar. Da es aber selten und teuer ist und weniger Hubkraft bietet als beispielsweise Helium, wird es für diesen Zweck in der Praxis nicht verwendet.

Stickstoff

Stickstoffgas (Nein₂) als reines Gas hat den Vorteil, dass es a untätig Gas ist sehr günstig in der Herstellung, da es ein wichtiger Bestandteil der Luft ist. Aber es ist nur 3% leichter als Luft und damit unbrauchbar. Doch es gibt einen Aerogel unter dem Namen SEAgel (Safe Emulsion Agar Gel) hergestellt, das - mit reinem Stickstoff gefüllt - in der Luft schweben kann.

Andere Gase

Es gibt zwar noch einige Gase, die leichter als Luft sind, aber sie sind aus verschiedenen Gründen für den Einsatz als Liftgas äußerst ungeeignet. Beispiele:

• Fluorwasserstoff ist etwas leichter als Luft (Dichte 1,16 kg/m³), aber extrem reaktiv und giftig.
• Diboran ist ein Gas mit einer Dichte von 1,17 kg/m³, explodiert jedoch spontan, wenn es mit Luft in Kontakt kommt.

Kombinationen

Es ist auch möglich, eine Kombination der obigen Mittel zu verwenden. Ein bekanntes Beispiel ist die Rozière-Ballon, die eine Kombination aus Helium und heißer Luft verwendet.

Das Luftschiff der Lana-Terzi (1670)

Vakuum

Theoretisch könnte ein aerostatisches Schiff auch mit a gebaut werden Vakuum. Alles in allem 1670 - so lange bevor ein Heißluftballon gesegelt war - schlug der italienische Mönch Franceso de Lana-Terzi dieses Konzept vor und beschrieb ein Gefäß mit vakuumierten Kugeln.
Aber auch im optimalen Fall kann ein „Vakuumballon“' Meeresspiegel nur 7% leichter als ein mit Wasserstoff gefüllter Ballon und 16% leichter als einer mit Helium. Dies erscheint aus technischer Sicht nicht machbar, da die Gefäßwand so schwer werden würde, dass die Wirkung des Vakuums weitgehend aufgehoben würde. Dennoch gibt es gelegentlich Diskussionen zu diesem Thema.^[2]

Plasma

Ein anderes Medium, das theoretisch verwendet werden könnte, ist a Plasma, wo sich gegenseitig abstoßende Ionen einen Gegendruck gegen den atmosphärischen Druck erzeugen. Auch dies stößt in der Praxis auf große Einschränkungen, so dass dies Science-Fiction scheint.

Hebekapazität von Helium vs. Wasserstoff

Wasserstoff ist das leichteste Gas, das es gibt. Die Dichte beträgt 0,090 kg/m³. Helium hingegen ist etwa doppelt so schwer: 0,178 kg/m³. Man könnte daher - fälschlicherweise - annehmen, dass die Tragfähigkeit von Wasserstoff doppelt so hoch ist wie die von Helium.

Der relative Unterschied in der Tragfähigkeit ist jedoch recht gering, da er durch den Dichteunterschied zur Umgebung, der Außenluft, bestimmt wird; seine Dichte beträgt ca. 1,292 kg/m³.

Die Tragfähigkeit im Freien (nach obiger Formel zu berechnen) beträgt für einen m³ Wasserstoff 11,78 N und für einen m³ Helium 10,91 N.

Die Differenz beträgt somit 11,78 - 10,91 = 0,87 N/m³ (ca. 8%).

Luftballons in großer Höhe

MAXIS: Ballon, der auf 36 km Höhe aufgestiegen ist

In großen Höhen ist der Luftdruck viel niedriger als auf der Erdoberfläche. Der Gasdruck im Ballon bei flexiblem Material ist normalerweise ungefähr gleich dem der Luft außerhalb oder etwas höher, so dass wir aus der Formel sehen, dass gleichzeitig Menge drosseln bleibt die Hubkraft in etwa gleich. Da der Druck in großen Höhen viel geringer ist, braucht diese Menge viel mehr Volumen im. Ein Ballon, der entworfen wurde, um in große Höhen zu fliegen (Stratosphäre) muss sich also während der Fahrt nach oben enorm ausdehnen können. Deshalb sind sie auf der Erdoberfläche nur teilweise ausgefüllt, wie die nebenstehende Abbildung zeigt.

Anders ist dies bei einem Ballon aus hochsteifem Material, beispielsweise dem hypothetischen Vakuumballon. Die Tragfähigkeit nimmt nach oben ab und der Ballon wird nicht über die Höhe hinausgehen, bei der die Tragfähigkeit gleich der Masse ist.

Ballons unter Wasser

Da der Dichteunterschied zwischen Gasen und Wasser enorm ist (in der Größenordnung des Faktors 1000), ist die Tragfähigkeit von Gasen unter Wasser sehr groß. Dabei spielt es keine Rolle, welches Gas verwendet wird, denn die gegenseitigen Dichteunterschiede der Gase sind im Vergleich zum Unterschied zwischen Gas und Wasser vernachlässigbar. Natürlich muss berücksichtigt werden, dass Gase unter hohem Druck flüssig werden können oder Hydrat und verlieren dann plötzlich ihre Tragfähigkeit.
Ein unter Wasser aufsteigender Ballon wird sich aufgrund des Druckabfalls ausdehnen oder sogar explodieren, es sei denn, kontinuierliches Gas kann entweichen oder der Ballon ist so konstruiert, dass er dem Druck standhält.

Ballons auf anderen Himmelskörpern

Ein Ballon kann nur schweben, wenn es ein Medium gibt, das eine höhere Dichte als der Inhalt des Ballons selbst hat.

• Ein Ballon auf dem on Mond könnte niemals schweben, denn es gibt keine Atmosphäre ist.
• auf dem Planeten Mars, die eine extrem schwache Atmosphäre hat - der Druck beträgt nur 1/160 des auf der Erde - würde einen riesigen Ballon erfordern, um irgendeine Auftriebskraft zu erhalten. Da das Gewicht des Ballons selbst zu groß wird, ist dies keine realistische Option.
• Der Planet Venus andererseits hat es eine sehr dichte Atmosphäre aus schweren Gasen (65 kg/m³, das ist das 50-fache der Erdatmosphäre). Dadurch wird nur wenig benötigt, um ein Objekt zum Schweben zu bringen. Tatsächlich sind bereits zwei Ballons in der Atmosphäre der Venus geschwommen: De vegane Mission (des Sovietunion) im 1985. Inzwischen gibt es neue Pläne, Ballons in die Atmosphäre der Venus zu starten.

Hinweis: Der oben erwähnte Vakuumballon der Lana-Terzi hätte auf der Venus gute Chancen.

• Titan, der größte Mond von Saturn, hat auch eine dichte Atmosphäre, die hauptsächlich aus Stickstoff besteht, die zum Ballonfahren geeignet ist. Es gibt Pläne für zukünftige Erforschung dieses Mondes mit einem Ballon.

Siehe auch

• Luftschiff
• Luftballon
• Ballon (Gas)