 | Este artículo necesita citas adicionales para su verificación . ( octubre de 2012 ) ( Aprenda cómo y cuándo eliminar este mensaje de plantilla ) |
Un gas de elevación o un gas más ligero que el aire es un gas que tiene una densidad más baja que los gases atmosféricos normales y, como resultado, se eleva por encima de ellos. Se requiere que los aeróstatos generen flotabilidad , particularmente en aviones más livianos que el aire , que incluyen globos libres , globos amarrados y dirigibles . Solo ciertos gases más ligeros que el aire son adecuados como gases de elevación. El aire seco tiene una densidad de aproximadamente 1,29 g / L (gramo por litro) en condiciones estándar de temperatura y presión (STP) y una masa molecular promedio de 28,97 g / mol , [1] y por tanto, los gases más ligeros que el aire tienen una densidad inferior a ésta.
Gases teóricamente adecuados para levantar [ editar ]
Aire caliente [ editar ]
El aire atmosférico calentado se utiliza con frecuencia en los globos recreativos . Según la ley de los gases ideales , una cantidad de gas (y también una mezcla de gases como el aire) se expande a medida que se calienta. Como resultado, un cierto volumen de gas tiene una densidad más baja a medida que la temperatura es más alta. La temperatura promedio del aire en un globo de aire caliente es de aproximadamente 212 ° F (100 ° C). [ cita requerida ]
Hidrógeno [ editar ]
El hidrógeno , siendo el gas más ligero existente (7% de la densidad del aire), parece ser el gas más apropiado para la elevación. Se puede producir fácilmente en grandes cantidades, por ejemplo con la reacción de desplazamiento de agua-gas , pero el hidrógeno tiene varias desventajas:
- El hidrógeno es extremadamente inflamable. Algunos países han prohibido el uso de hidrógeno como gas de elevación para vehículos comerciales, pero se permite el uso de globos para uso recreativo en los EE. UU., El Reino Unido y Alemania. El desastre de Hindenburg se cita con frecuencia como un ejemplo de los riesgos de seguridad que plantea el hidrógeno. El alto costo del helio (en comparación con el hidrógeno) ha llevado a los investigadores a volver a investigar los problemas de seguridad del uso de hidrógeno como gas de elevación; con una buena ingeniería y buenas prácticas de manipulación, los riesgos pueden reducirse significativamente. [ cita requerida ]
- Debido a que la molécula de hidrógeno es muy pequeña, puede difundirse fácilmente a través de muchos materiales como el látex, de modo que el globo se desinflará rápidamente. Esta es una de las razones por las que muchos globos llenos de hidrógeno o helio están fabricados con Mylar / BoPET . [ cita requerida ]
Helio [ editar ]
El helio es el segundo gas más ligero. Por esa razón, también es un gas atractivo para levantar objetos.
Una gran ventaja es que este gas no es combustible. Pero el uso de helio también tiene algunas desventajas:
- El problema de la difusión compartido con el hidrógeno (aunque, como el radio molecular del helio es más pequeño, se difunde a través de más materiales que el hidrógeno).
- El helio es caro.
- Aunque es abundante en el universo, el helio es muy escaso en la Tierra. Las únicas reservas comercialmente viables son unos pocos pozos de gas natural, principalmente en los EE. UU., Que lo atraparon de la lenta desintegración alfa de los materiales radiactivos dentro de la Tierra. Según los estándares humanos, el helio es un recurso no renovable que prácticamente no se puede fabricar a partir de otros materiales. Cuando se libera a la atmósfera, por ejemplo, cuando un globo lleno de helio tiene una fuga o estalla, el helio finalmente escapa al espacio y se pierde.
Hidrógeno y helio [ editar ]
El hidrógeno (densidad 0.090 g / L en STP, masa molecular promedio 2.016 g / mol) y el helio (densidad 0.179 g / L en STP, masa molecular promedio 4.003 g / mol) son los gases de elevación más comúnmente utilizados. Aunque el helio es dos veces más pesado que el hidrógeno (diatómico), ambos son mucho más livianos que el aire que esta diferencia solo da como resultado que el hidrógeno tenga un 8% más de flotabilidad que el helio.
En un diseño de dirigible práctico , la diferencia es significativa, lo que supone una diferencia del 50% en la capacidad de transporte de combustible del dirigible y, por lo tanto, aumenta su alcance de manera significativa. [2] Sin embargo, el hidrógeno es extremadamente inflamable y su uso como gas de elevación en dirigibles ha disminuido desde el desastre de Hindenburg . El helio es más seguro como gas de elevación porque es inerte y no se quema.
Vapor de agua [ editar ]
El estado gaseoso del agua es más ligero que el aire (densidad 0,804 g / L en STP, masa molecular promedio 18,015 g / mol) debido a la baja masa molar del agua en comparación con los gases atmosféricos típicos como el gas nitrógeno (N 2 ). No es inflamable y mucho más económico que el helio. Por lo tanto, el concepto de utilizar vapor para levantar objetos ya tiene 200 años. El mayor desafío siempre ha sido hacer un material que pueda resistirlo. En 2003, un equipo universitario de Berlín, Alemania, fabricó con éxito un globo de vapor a 150 ° C. [3] Sin embargo, este diseño generalmente no es práctico debido al alto punto de ebullición y la condensación.
Amoniaco [ editar ]
A veces se usa amoníaco para llenar globos meteorológicos . [4] Debido a su alto punto de ebullición (en comparación con el helio y el hidrógeno), el amoníaco podría refrigerarse y licuarse a bordo de un dirigible para reducir la sustentación y agregar lastre (y devolverse a gas para agregar sustentación y reducir lastre). El gas amoníaco es relativamente pesado (densidad 0.769 g / L en STP, masa molecular promedio 17.03 g / mol), venenoso, irritante y puede dañar muchos metales y plásticos.
Metano [ editar ]
El metano (densidad 0,716 g / L en STP, masa molecular promedio 16,04 g / mol), el componente principal del gas natural , a veces se utiliza como gas de elevación cuando no se dispone de hidrógeno y helio. [4] Tiene la ventaja de no filtrarse a través de las paredes del globo tan rápidamente como las moléculas más pequeñas de hidrógeno y helio. Muchos globos más ligeros que el aire están hechos de plástico aluminizado que limita tales fugas; el hidrógeno y el helio se escapan rápidamente a través de los globos de látex. Sin embargo, el metano es altamente inflamable y, al igual que el hidrógeno, no es apropiado para su uso en aeronaves de transporte de pasajeros. También es relativamente denso y un potente gas de efecto invernadero .
Fluoruro de hidrógeno [ editar ]
El fluoruro de hidrógeno es más liviano que el aire y, en teoría, podría usarse como gas de elevación. Sin embargo, es extremadamente corrosivo, altamente tóxico, caro, es más pesado que otros gases de elevación y tiene un alto punto de ebullición de 19,5 ° C. Por tanto, su uso no sería práctico.
Gas de carbón [ editar ]
En el pasado, el gas de carbón , una mezcla de hidrógeno, monóxido de carbono y otros gases, también se usaba en globos. Estaba ampliamente disponible y era barato; el lado negativo fue una densidad más alta (elevación reductora) y la alta toxicidad del monóxido de carbono.
Acetileno [ editar ]
El acetileno es un 10% más ligero que el aire y podría utilizarse como gas de elevación. Su extrema inflamabilidad y bajo poder de elevación lo convierten en una opción poco atractiva.
Cianuro de hidrógeno [ editar ]
El cianuro de hidrógeno , que es un 7% más ligero que el aire, es técnicamente capaz de utilizarse como gas de elevación a temperaturas superiores a su punto de ebullición de 25,6 ° C. Su extrema toxicidad, baja flotabilidad y alto punto de ebullición han impedido tal uso.
Neón [ editar ]
El neón es más liviano que el aire (densidad 0.900 g / L en STP, masa atómica promedio 20.17 g / mol) y podría levantar un globo. Como el helio, no es inflamable. Sin embargo, es raro en la Tierra y caro, y se encuentra entre los gases de elevación más pesados.
Nitrógeno [ editar ]
El nitrógeno puro tiene la ventaja de que es inerte y está disponible en abundancia, porque es el componente principal del aire. Sin embargo, debido a que el nitrógeno es solo un 3% más liviano que el aire, no es una opción obvia para un gas de elevación.
Vacío [ editar ]
Teóricamente, se podría fabricar un vehículo aerostático para utilizar un vacío o un vacío parcial. Ya en 1670, más de un siglo antes del primer vuelo tripulado en globo aerostático, [5] el monje italiano Francesco Lana de Terzi imaginó un barco con cuatro esferas de vacío.
En una situación teóricamente perfecta con esferas ingrávidas, un 'globo de vacío' tendría un 7% más de fuerza de elevación neta que un globo lleno de hidrógeno y un 16% más de fuerza de elevación neta que uno lleno de helio. Sin embargo, debido a que las paredes del globo deben poder permanecer rígidas sin implosionar, el globo no es práctico de construir con todos los materiales conocidos. A pesar de eso, a veces hay discusión sobre el tema. [6]
Plasma [ editar ]
Otro medio que en teoría podría usarse es un plasma : los iones que se repelen entre sí podrían dar una presión intermedia entre el vacío y el hidrógeno y, por lo tanto, contrarrestar la presión atmosférica. Los requisitos de energía y contención son extremadamente imprácticos, por lo que solo puede ser interesante para la ciencia ficción .
Combinaciones [ editar ]
También es posible combinar algunas de las soluciones anteriores. Un ejemplo bien conocido es el globo Rozière que combina un núcleo de helio con una capa exterior de aire caliente.
Hidrógeno versus helio [ editar ]
El hidrógeno y el helio son los gases de elevación más utilizados. Aunque el helio es dos veces más pesado que el hidrógeno (diatómico), ambos son significativamente más livianos que el aire, lo que hace que esta diferencia sea insignificante.
La potencia de elevación en el aire de hidrógeno y helio se puede calcular utilizando la teoría de la flotabilidad de la siguiente manera:
Por tanto, el helio es casi dos veces más denso que el hidrógeno. Sin embargo, la flotabilidad depende de la diferencia de densidades (ρ gas ) - (ρ aire ) más que de sus relaciones. Por lo tanto, la diferencia en flotabilidad es de aproximadamente el 8%, como se ve en la ecuación de flotabilidad:
- F B = (ρ aire - ρ gas ) × g × V
Donde F B = Fuerza de flotación (en Newton ); g = aceleración gravitacional = 9.8066 m / s² = 9.8066 N / kg; V = volumen (en m³). Por lo tanto, la cantidad de masa que puede levantar el hidrógeno en el aire al nivel del mar, igual a la diferencia de densidad entre el hidrógeno y el aire, es:
- (1,292 - 0,090) kg / m 3 = 1,202 kg / m 3
y la fuerza de flotación para un m 3 de hidrógeno en el aire al nivel del mar es:
- 1 m 3 × 1,202 kg / m 3 × 9,8 N / kg = 11,8 N
Por lo tanto, la cantidad de masa que puede levantar el helio en el aire al nivel del mar es:
- (1,292 - 0,178) kg / m 3 = 1,114 kg / m 3
y la fuerza de flotación para un m 3 de helio en el aire al nivel del mar es:
- 1 m 3 × 1,114 kg / m 3 × 9,8 N / kg = 10,9 N
Por lo tanto, la flotabilidad adicional del hidrógeno en comparación con el helio es:
- 11,8 / 10,9 ≈ 1,08, o aproximadamente 8,0%
Este cálculo se realiza al nivel del mar a 0 ° C. Para altitudes más altas o temperaturas más altas, la cantidad de elevación disminuirá proporcionalmente a la densidad del aire, pero la relación entre la capacidad de elevación del hidrógeno y la del helio seguirá siendo la misma. Este cálculo no incluye la masa de la envolvente necesaria para contener el gas de elevación.
Globo a gran altitud [ editar ]
A mayores altitudes, la presión del aire es menor y, por lo tanto, la presión dentro del globo también es menor. Esto significa que, si bien la masa de gas de elevación y la masa de aire desplazado para una elevación determinada son las mismas que a menor altitud, el volumen del globo es mucho mayor a mayor altitud.
Un globo que está diseñado para elevarse a alturas extremas ( estratosfera ), debe poder expandirse enormemente para desplazar la cantidad requerida de aire. Es por eso que estos globos parecen casi vacíos en el lanzamiento, como se puede ver en la foto.
Un enfoque diferente para el vuelo en globo a gran altitud, especialmente utilizado para vuelos de larga duración, es el globo de superpresión . Un globo de superpresión mantiene una presión más alta dentro del globo que la presión externa (ambiente).
Sólidos [ editar ]
En 2002, el aerogel ostentaba el récord mundial Guinness del sólido menos denso (más ligero). [7] El aerogel es principalmente aire porque su estructura es como la de una esponja muy vacía . La ligereza y la baja densidad se deben principalmente a la gran proporción de aire dentro del sólido y no a los materiales de construcción de silicio . [8] Aprovechando esto, SEAgel , de la misma familia que el aerogel pero hecho de agar , se puede llenar con gas helio para crear un sólido que flota cuando se coloca en un recipiente con la parte superior abierta lleno de un gas denso. [9]
En 2012, se anunció el descubrimiento de aerografito , rompiendo el récord del material menos denso con solo 0,2 mg / cm 3 (0,2 kg / m 3 ). [10] [11] Estos sólidos no flotan en el aire porque los espacios huecos en ellos se llenan de aire. Nunca se ha construido una matriz o carcasa más liviana que el aire que contenga un vacío fuerte.
Globos sumergidos [ editar ]
Debido a la enorme diferencia de densidad entre el agua y los gases (el agua es aproximadamente 1.000 veces más densa que la mayoría de los gases), el poder de elevación de los gases submarinos es muy fuerte. El tipo de gas utilizado es en gran medida intrascendente porque las diferencias relativas entre los gases son insignificantes en relación con la densidad del agua. Sin embargo, algunos gases pueden licuarse a alta presión, provocando una abrupta pérdida de flotabilidad.
Un globo sumergido que se eleva se expandirá o incluso explotará debido a la fuerte reducción de presión, a menos que el gas pueda escapar continuamente durante el ascenso o que el globo sea lo suficientemente fuerte como para resistir el cambio de presión.
Globos en otros cuerpos celestes [ editar ]
Un globo solo puede tener flotabilidad si hay un medio que tiene una densidad promedio más alta que el globo en sí.
- Los globos no pueden funcionar en la Luna porque no tiene atmósfera.
- Marte tiene una atmósfera muy finas - la presión es solamente 1 / 160 de la presión atmosférica tierra - por lo que sería necesario un enorme globo incluso para una pequeña efecto de elevación. Superar el peso de un globo de este tipo sería difícil, pero se han hecho varias propuestas para explorar Marte con globos. [12]
- Venus tiene una atmósfera de CO 2 . Debido a que el CO 2 es aproximadamente un 50% más denso que el aire de la Tierra, el aire ordinario de la Tierra podría ser un gas elevador en Venus. Esto ha llevado a propuestas para un hábitat humano que flotaría en la atmósfera de Venus a una altitud donde tanto la presión como la temperatura son similares a las de la Tierra. Debido a que la atmósfera de Venus no contiene oxígeno, el hidrógeno no es inflamable allí y también podría ser un buen gas de elevación. En 1985, el programa soviético Vega desplegó dos globos de helio en la atmósfera de Venus a una altitud de 54 km (34 millas).
- Titán , de Saturno 's luna más grande, tiene una densa atmósfera muy fría en su mayoría de nitrógeno que es apropiado para montar en globo. Un uso de Aerobots fue en Titan propuso . La propuesta de la misión del sistema Titan Saturno incluía un globo para circunnavegar Titán.
Ver también [ editar ]
- Aeróstato
- Dirigible
- Globo (avión)
- Flotabilidad
- Compensador de flotabilidad (aviación)
- Nube Nueve (esfera de tensegridad)
- Mas pesado que el aire
- Globo aerostático
- Dirigible de vacío / Globo de vacío
Referencias [ editar ]
- ^ "Aire - Peso molecular" . www.engineeringtoolbox.com . Consultado el 16 de enero de 2018 .
- ^ "AERONÁUTICA: helio contra hidrógeno" . HORA. 1924-03-10. Archivado desde el original el 9 de febrero de 2011 . Consultado el 24 de noviembre de 2013 .
- ^ "HeiDAS UH - Ein Heissdampfaerostat mit ultra-heiss-performance" (PDF) . Aeroix.de. Archivado desde el original (PDF) el 2011-09-03 . Consultado el 21 de octubre de 2012 .
- ^ a b "Gases - Densidad" . www.engineeringtoolbox.com . Consultado el 16 de enero de 2018 .
- ^ Tom D. Crouch (2009). Más liviano que el aire
- ^ Sean A. Barton (21 de octubre de 2009). "Análisis de estabilidad de una cámara de vacío inflable". Revista de Mecánica Aplicada . 75 (4): 041010. arXiv : física / 0610222 . Código bibliográfico : 2008JAM .... 75d1010B . doi : 10.1115 / 1.2912742 .
- ^ Stenger, Richard (9 de mayo de 2002). "El 'humo congelado' de la NASA llamado sólido más ligero" . edition.cnn.com . Consultado el 16 de enero de 2018 .
- ^ Administrador, contenido de la NASA (15 de abril de 2015). "Aerogeles: más delgados, más ligeros, más fuertes" . NASA . Consultado el 16 de enero de 2018 .
- ^ Grommo (20 de junio de 2008), SEAgel Aerogel más ligero que el aire sólido. Not a UFO , consultado el 16 de enero de 2018
- ^ "El nuevo aerografito de estrurura de nanotubos de carbono es el campeón de material más ligero" . Phys.org . doi : 10.1002 / adma.201200491 . Consultado el 24 de noviembre de 2013 .
- ^ "Aerographit: Leichtestes Material der Welt entwickelt - SPIEGEL ONLINE" (en alemán). Spiegel.de . 2012-07-11 . Consultado el 24 de noviembre de 2013 .
- ^ "Explorando Marte con globos" . Spacedaily.com . Consultado el 21 de octubre de 2012 .
Enlaces externos [ editar ]
- Recursos de SkyDoc Aerostat
- Más ligero que el aire: una descripción general
- Asociación de dirigibles
- Proyecto Steam Balloon
- Fabricante de globos de helio
