🎈 Ballons

Le principe d'Archimède, découvert vers 250 av. J.-C., énonce que la force de poussée vers le haut exercée sur un objet est égale au poids du fluide que l'objet déplace. Pour un ballon dans l'air, le fluide déplacé est la colonne d'air que le ballon occupe. Si le ballon et son gaz pèsent moins que cette colonne d'air déplacée, la force nette est dirigée vers le haut. La densité de l'hélium est d'environ 0,164 kg par mètre cube contre ~1,225 kg par mètre cube pour l'air, donc l'hélium fournit environ 1,06 gramme de portance nette par litre de volume de ballon, ce qui explique pourquoi même un modeste bouquet de ballons peut exercer une traction ascendante notable.

Les agences météorologiques du monde entier lancent quotidiennement des ballons-sondes — des sphères en latex d'environ un mètre de diamètre au lancement qui se dilatent jusqu'à six mètres ou plus en montant de 30 à 40 km dans la stratosphère où la pression atmosphérique est proche de zéro. Les radiosondes transmettent en temps réel des données de température, d'humidité et de pression. La NASA et d'autres agences utilisent également des ballons en polyéthylène à pression nulle et de très grande taille pour transporter des télescopes et des détecteurs de rayons cosmiques au-dessus de 99,5 % de l'atmosphère terrestre pour des missions scientifiques de plusieurs jours à une fraction du coût d'un lancement de fusée.

Pas tout à fait — cette affirmation courante confond deux choses différentes. Un ballon scellé libéré sur la Lune s'effondrerait en réalité, et n'augmenterait pas de volume, car la Lune n'a pratiquement aucune atmosphère et la pression externe qui maintient le ballon gonflé sur Terre aurait disparu. Cependant, si vous gonfliez un ballon flexible à la même pression interne dans un environnement à faible gravité, l'étirement du matériau serait similaire. Le fait amusant affiché dans la simulation est une façon simplifiée de dire que la gravité réduite diminuerait le poids à supporter, de sorte que la même quantité d'hélium pourrait soulever une charge utile bien plus lourde — environ six fois plus lourde — et non que le ballon lui-même serait six fois plus grand en volume.

Jacques Charles et les frères Robert ont lancé le premier ballon à gaz non habité rempli d'hydrogène le 27 août 1783 à Paris, observé par une foule d'environ 50 000 personnes, dont Benjamin Franklin. Il est monté à environ 1 000 mètres et a parcouru 25 km avant d'atterrir dans un village où des fermiers effrayés l'auraient attaqué à coups de fourche. Quelques semaines plus tôt, en juin 1783, les frères Montgolfier avaient démontré la première montgolfière à air chaud, faisant de 1783 l'année de naissance des deux principales technologies de ballons.

La flottabilité des ballons rejoint directement les simulations de dynamique des fluides et de particules. La simulation Feu et Fumée sur ce site démontre l'ascension convective de gaz chaud, le même principe qui sous-tend les montgolfières. La simulation Sources hydrothermales montre des bulles de gaz s'élevant dans l'eau, régies par la même équation de flottabilité d'Archimède mais dans un milieu plus dense. Les simulations Pluie et Sable explorent le phénomène opposé — des particules tombant sous l'effet de la gravité — offrant une vue complémentaire sur la façon dont les différences de densité entraînent le mouvement dans les fluides.

Au-delà des décorations de fête, les ballons à hélium alimentent plusieurs technologies modernes. Les pseudo-satellites à haute altitude (HAPS) sont des ballons ou dirigeables stratosphériques alimentés à l'énergie solaire, conçus pour stationner à 20 km d'altitude pendant des mois, fournissant une couverture internet à large bande à des régions reculées. Le Projet Loon de Google (2013-2021) utilisait une flotte de ballons de la taille d'un court de tennis dans la stratosphère pour délivrer des signaux LTE sur des centaines de kilomètres par ballon. Les aérostats militaires — des dirigeables à hélium retenus par câble — transportent des radars et des caméras de surveillance au-dessus des zones de conflit, fournissant une observation persistante à grande échelle à moindre coût que les avions.

Les scientifiques développent activement des véhicules à flottabilité variable capables de contrôler activement l'altitude en comprimant ou en dilatant leur volume de gaz, un principe similaire aux ballasts d'un sous-marin mais opérant dans l'air. Le concept de véhicules aériens vénusiens de la NASA envisage des plateformes de ballons de niveau nuageux pouvant flotter pendant des mois dans l'épaisse atmosphère de Vénus. Des chercheurs du JPL et de l'ESA explorent également les lancements « rockoon » — utilisant des ballons à haute altitude pour transporter de petites fusées au-dessus de la majeure partie de l'atmosphère avant l'allumage, réduisant considérablement le carburant nécessaire pour atteindre l'orbite. Côté matériaux, des films recouverts de graphène promettent des ballons capables de retenir l'hélium pendant des semaines au lieu d'heures, une limitation majeure des ballons de fête en latex actuels.