🎈 Luftballons

Das archimedische Prinzip, um 250 v. Chr. entdeckt, besagt, dass die nach oben gerichtete Auftriebskraft auf einen Körper dem Gewicht des von ihm verdrängten Fluids entspricht. Bei einem Ballon in Luft ist das verdrängte Fluid die Luftsäule, die der Ballon einnimmt. Wiegt der Ballon samt Gas weniger als diese verdrängte Luftsäule, ist die Nettokraft nach oben gerichtet. Heliums Dichte liegt bei etwa 0,164 kg pro Kubikmeter gegenüber ~1,225 kg pro Kubikmeter bei Luft, sodass Helium rund 1,06 Gramm Nettoauftrieb pro Liter Ballonvolumen liefert — weshalb schon ein bescheidenes Ballonbündel einen spürbaren Zug nach oben ausüben kann.

Wetterdienste weltweit starten täglich Radiosondenballons — Latexkugeln mit rund einem Meter Durchmesser beim Start, die sich beim Aufstieg über 30-40 km bis in die Stratosphäre, wo der Luftdruck nahe null ist, auf sechs Meter oder mehr ausdehnen. Die Radiosonden senden Temperatur-, Feuchtigkeits- und Druckdaten in Echtzeit. NASA und andere Agenturen nutzen zudem extrem große druckfreie Polyethylenballons, um Teleskope und Kosmische-Strahlung-Detektoren über 99,5 % der Erdatmosphäre zu tragen — für mehrtägige Wissenschaftsmissionen zu einem Bruchteil der Kosten eines Raketenstarts.

Nicht ganz — diese verbreitete Behauptung vermischt zwei verschiedene Dinge. Ein versiegelter, auf dem Mond freigelassener Ballon würde tatsächlich in sich zusammenfallen, nicht sich ausdehnen, weil der Mond praktisch keine Atmosphäre hat und der Außendruck fehlt, der den Ballon auf der Erde aufgeblasen hält. Würde man jedoch einen flexiblen Ballon in einer Umgebung mit geringer Schwerkraft auf denselben Innendruck aufblasen, wäre die Materialdehnung ähnlich. Die in der Simulation gezeigte Trivia ist eine vereinfachte Art zu sagen, dass die geringere Schwerkraft das zu tragende Gewicht verringern würde, sodass dieselbe Heliummenge eine deutlich schwerere Nutzlast — etwa das Sechsfache — heben könnte, nicht dass der Ballon selbst sechsmal größer im Volumen wäre.

Jacques Charles und die Brüder Robert ließen am 27. August 1783 in Paris den ersten wasserstoffgefüllten unbemannten Gasballon aufsteigen, beobachtet von rund 50.000 Menschen, darunter Benjamin Franklin. Er stieg auf etwa 1.000 Meter und legte 25 km zurück, bevor er in einem Dorf landete, wo verängstigte Bauern ihn Berichten zufolge mit Mistgabeln attackierten. Nur wenige Wochen zuvor, im Juni 1783, hatten die Brüder Montgolfier den ersten Heißluftballon vorgeführt, sodass 1783 das Geburtsjahr beider wichtigen Ballontechnologien ist.

Der Ballonauftrieb steht in direktem Zusammenhang mit Strömungs- und Partikelsimulationen. Die Feuer-und-Rauch-Simulation auf dieser Seite zeigt den konvektiven Aufstieg heißen Gases, dasselbe Prinzip wie beim Heißluftballonfahren. Die Simulation Hydrothermale Schlote zeigt Gasblasen, die durch Wasser aufsteigen, gesteuert von derselben archimedischen Auftriebsgleichung, jedoch in einem dichteren Medium. Regen- und Sand-Simulationen erkunden das gegenteilige Phänomen — Partikel, die unter der Schwerkraft fallen — und liefern damit einen ergänzenden Blick darauf, wie Dichteunterschiede Bewegung in Fluiden antreiben.

Über Partydekoration hinaus treiben Heliumballons mehrere moderne Technologien an. Höhen-Pseudosatelliten (HAPS) sind solarbetriebene stratosphärische Ballons oder Luftschiffe, die monatelang in 20 km Höhe verharren und Breitband-Internetabdeckung für entlegene Regionen liefern sollen. Googles Project Loon (2013-2021) nutzte eine Flotte tennisplatzgroßer Ballons in der Stratosphäre, um LTE-Signale über Hunderte Kilometer je Ballon zu verbreiten. Militärische Fesselballons — angebundene Heliumluftschiffe — tragen Radar und Überwachungskameras über Konfliktgebieten und liefern dauerhafte großflächige Beobachtung zu geringeren Kosten als Flugzeuge.

Wissenschaftler entwickeln aktiv Fahrzeuge mit variablem Auftrieb, die die Höhe durch Komprimieren oder Ausdehnen ihres Gasvolumens aktiv steuern können — ähnlich dem Prinzip der Ballasttanks eines U-Boots, jedoch in der Luft. Die NASA-Konzeptstudie Venus Aerial Vehicles sieht ballongestützte Plattformen auf Wolkenhöhe vor, die monatelang in der dichten Atmosphäre der Venus schweben könnten. Forscher am JPL und bei der ESA erkunden zudem „Rockoon“-Starts — bei denen Höhenballons kleine Raketen über den Großteil der Atmosphäre tragen, bevor sie zünden, was den für den Orbit benötigten Treibstoff drastisch reduziert. Bei den Materialien versprechen graphenbeschichtete Folien Ballons, die Helium wochenlang statt nur stundenlang halten können — eine wesentliche Einschränkung heutiger Latex-Partyballons.