Un globo solar es un globo que gana flotabilidad cuando el aire interior se calienta por la radiación solar , generalmente con la ayuda de material de globo negro u oscuro. El aire caliente dentro del globo solar se expande y tiene menor densidad que el aire circundante. Como tal, un globo solar es similar a un globo de aire caliente . El uso de globos solares es predominantemente en el mercado de juguetes, aunque se ha propuesto que se utilicen en la investigación del planeta Marte , y algunos globos solares son lo suficientemente grandes para el vuelo humano. Se puede abrir un respiradero en la parte superior para liberar aire caliente para el descenso y desinflado.
Teoría de funcionamiento [ editar ]
Generando elevación [ editar ]
El aumento de la temperatura del aire dentro del sobre lo hace menos denso que el aire circundante (ambiente). El globo flota debido a la fuerza de flotación que se ejerce sobre él. Esta fuerza es la misma fuerza que actúa sobre los objetos cuando están en el agua y está descrita por el principio de Arquímedes . La cantidad de sustentación (o flotabilidad ) proporcionada por un globo de aire caliente depende principalmente de la diferencia entre la temperatura del aire dentro del sobre y la temperatura del aire fuera del sobre.
La sustentación generada por 100.000 pies 3 (2831,7 m 3 ) de aire seco calentado a varias temperaturas se puede calcular de la siguiente manera:
temperatura del aire densidad del aire masa de aire elevación generada 68 ° F, 20 ° C 1,2041 kg / m 3 7517 libras, 3409,7 kg 0 libras, 0 kgf 210 ° F, 99 ° C 0,9486 kg / m 3 5922 libras, 2686,2 kg 1595 libras, 723,5 kgf 250 ° F, 120 ° C 0,8978 kg / m 3 5606 libras, 2542,4 kg 1912 libras, 867,3 kgf
La densidad del aire a 20 ° C, 68 ° F es de aproximadamente 1,2 kg / m 3 . La sustentación total para un globo de 100,000 pies cúbicos calentado a (99 ° C, 210 ° F) sería de 1595 lbf, 723.5 kgf. En realidad, el aire contenido en el sobre no tiene la misma temperatura, como muestra la imagen térmica adjunta, por lo que estos cálculos se basan en promedios.
Para condiciones atmosféricas típicas (20 ° C, 68 ° F), un globo de aire caliente calentado a (99 ° C, 210 ° F) requiere aproximadamente 3,91 m 3 de volumen de envolvente para levantar 1 kilogramo (62,5 pies cúbicos / lb). La cantidad precisa de elevación proporcionada depende no solo de la temperatura interna mencionada anteriormente, sino también de la temperatura externa, la altitud sobre el nivel del mar y la humedad del aire circundante. En un día cálido, un globo no puede levantarse tanto como en un día frío, porque la temperatura requerida para el lanzamiento superará el máximo sostenible para la tela del sobre. Además, en la atmósfera inferior, la sustentación proporcionada por un globo aerostático disminuye aproximadamente un 3% por cada 1000 metros (1% por cada 1000 pies) de altitud ganada. [1]
Radiación solar [ editar ]
La insolación es una medida de la energía de la radiación solar recibida en una superficie determinada en un tiempo determinado. Normalmente se expresa como irradiancia media en vatios por metro cuadrado (W / m2). La insolación directa es la irradiancia solar medida en un lugar determinado de la Tierra con un elemento de superficie perpendicular a los rayos del Sol, excluida la insolación difusa (la radiación solar que se dispersa o refleja por componentes atmosféricos en el cielo). La insolación directa es igual a la constante solar menos las pérdidas atmosféricas por absorción y dispersión . Mientras que la constante solar varía con la distancia Tierra-Sol y los ciclos solares, las pérdidas dependen de la hora del día (la longitud del camino de la luz a través de la atmósfera según el ángulo de elevación solar ), la cobertura de nubes , el contenido de humedad y otras impurezas .
En el transcurso de un año, la radiación solar promedio que llega a la parte superior de la atmósfera terrestre es de aproximadamente 1.366 vatios por metro cuadrado [2] [3] (ver constante solar ). La potencia radiante se distribuye por todo el espectro electromagnético , aunque la mayor parte de la potencia se encuentra en la parte de luz visible del espectro. Los rayos del Sol se atenúan a medida que atraviesan la atmósfera , reduciendo así la insolación en la superficie de la Tierra a aproximadamente 1.000 vatios por metro cuadrado para una superficie perpendicular a los rayos del Sol al nivel del mar en un día despejado.
Un cuerpo negro absorbe toda la radiación que lo golpea. Los objetos del mundo real son objetos grises, y su absorción es igual a su emisividad . El plástico negro puede tener una emisividad de alrededor de 0,95, lo que significa que el 95 por ciento de toda la radiación que lo golpea será absorbida y el 5 por ciento restante se reflejará.
Estimación de la energía recibida [ editar ]
[ verificación necesaria ]
Si el globo se imagina como una esfera , la luz solar recibida por esta esfera se puede imaginar como la sección transversal de un cilindro con el mismo radio que esta esfera, ver diagrama. El área de este círculo se puede calcular mediante:
Por ejemplo, la energía que recibe un globo solar esférico de 5 metros de radio con una envoltura de plástico negro en un día despejado con insolación directa de 1000 W / m 2 , se puede estimar calculando primero el área de su gran círculo:
Luego, multiplicando esto con la emisividad del plástico y la insolación directa del sol:
78,54 * 0,95 * 1000 = 74,613 vatios
A nivel del mar a 15 ° C en ISA ( atmósfera estándar internacional ), el aire tiene una densidad de aproximadamente 1.22521 kg / m 3 . La densidad del aire disminuye con temperaturas más altas, a una tasa de alrededor de 20 gramos por m 3 por 5 K. Se necesita alrededor de 1 kilojulio de energía para calentar 1 kilogramo de aire seco en un kelvin (ver capacidad calorífica ). Entonces, para aumentar la temperatura de 1 m 3 de aire (al nivel del mar y a 15 ° C) 5 ° C requiere alrededor de 5 ° C * 1 kilojulio / (kilogramo * kelvin) * 1.225 kilogramos = 6.125 kilojulios. Al hacerlo, ha reducido la masa de 1 m 3 de aire en alrededor de 24 gramos. En un día despejado con una superficie corporal negra de 1 m 2 perpendicular al sol y sin pérdida de calor, esto tomaría un poco más de 6 segundos.
Estimación de la tasa de energía perdida [ editar ]
A continuación se muestra la ecuación de balance de energía de la tasa de pérdida de energía de un globo solar al trazar la línea límite alrededor del globo. El globo solar experimenta transferencia de calor debido a la convección y transferencia de calor debido a la radiación.
Ecuación de balance de energía para globo solar
Ėout = tσπr 2 (TS4-TF4) + hπr 2 (TS-TF)
Cambio estimado en la entropía [ editar ]
Tds = du + PdV
Δs = ∫ (cv / T) dT + Rgasln (V2 / V1)
Δs = cvln (T2 / T1)
Equilibrio [ editar ]
El sistema está en equilibrio cuando la energía perdida del globo por convección, radiación y conducción, es igual a la energía recibida a través de la radiación del sol.
Historia [ editar ]
En 1972, Dominic Michaelis , un arquitecto británico e inventor de muchas utilidades y proyectos solares, inventó y construyó el primer globo solar, con una superficie externa clara y paredes internas oscuras que captan el calor. [4] [5]
Vuelo tripulado [ editar ]
El primer vuelo humano en globo solar puro fue realizado el 1 de mayo de 1973 por Tracy Barnes en su globo 'Barnes Solar Firefly Tetrahedron'. Este globo estaba hecho de un tubo de tela en espiral que se transformó en un tetraedro . Dominic Michaelis está registrado como propietario del primer globo solar puro en Europa. Julian Nott hizo volar este globo a través del Canal de la Mancha. Los registros recopilados para la FAI muestran que el 6 de febrero de 1978 el iraní Frederick Eshoo también realizó un vuelo solar en un globo llamado Sunstat. Esto usó un diseño de globo estándar, pero usó plástico transparente en un lado, lo que permitió que la radiación del sol se reflejara en la superficie interna, calentando el aire interior. [6]
Primer vuelo en globo meteorológico solar antártico [ editar ]
La primera sonda meteorológica 100% solar, llamada Ballon ORA, fue lanzada desde la estación antártica francesa Dumont d'Urville en enero de 2011 por un equipo conjunto de estudiantes, científicos e ingenieros. La idea era evaluar la viabilidad de usar globos solares como sondas en áreas remotas, donde ahorrar el uso de gas de elevación , helio o hidrógeno , sería valioso. El vuelo fue un éxito, acercándose a 46.000 pies (14.000 m). Los ahorros no solo se refieren al gas de elevación en sí mismo. El globo ORA alivia la necesidad de transportar, dentro y fuera, los bidones de gas pesado. [7]
Uso en exploración planetaria [ editar ]
El Laboratorio de Propulsión a Chorro del Instituto de Tecnología de California ha realizado un estudio sobre el uso de globos solares en varios planetas y lunas del sistema solar, concluyendo que son una opción viable para Marte, Júpiter y Saturno. [8]
Seguridad [ editar ]
Las autoridades del espacio aéreo locales o nacionales pueden requerir permisos de planificación y espacio aéreo.
Los vuelos tripulados conllevan riesgos especiales. Las nubes inesperadas representan un riesgo grave, similar a los globos aerostáticos regulares sin combustible de reserva. Los globos solares pueden descender rápidamente cuando se enfría, lo que hace que el lastre sea muy importante.
Galería [ editar ]
Un globo solar en forma de tubo hecho de bolsas de basura.
Referencias [ editar ]
- ^ "Cómo calcular el peso del aire y modelar la elevación del globo aerostático" . Consultado el 1 de enero de 2008 .
- ^ Observaciones satelitales de irradiancia solar total
- ^ "Construcción de una serie de tiempo de irradiancia solar total compuesta (TSI) desde 1978 hasta el presente" . Figura 4 y figura 5. Archivado desde el original el 1 de agosto de 2011 . Consultado el 2 de febrero de 2009 .
- ^ "Globos solares, una historia muy corta" . Consultado el 11 de abril de 2011 .
- ^ "Los globos aerostáticos solares de Dominic Michaelis" . Consultado el 11 de abril de 2011 .
- ^ "Información del proyecto de la escuela - globos solares" . Consultado el 18 de julio de 2009 . Según el artículo de la revista Ballooning "Sunstat - un globo que viaja sobre los rayos del sol (Ballooning Journal, Vol XI Num 2, marzo abril 1978)" (PDF) . Consultado el 11 de abril de 2011 .
- ^ "Ballon ORA" . Ecole Centrale Lyon . Consultado el 30 de enero de 2011 .
- ^ "Robótica inflable para aplicaciones planetarias" (PDF) . Beacon eSpace en Jet Propulsion Laboratory . Consultado el 9 de abril de 2011 .
Enlaces externos [ editar ]
- Historia y desarrollo actual de los globos solares
- EOSS-43: "Mars Micro Balloon Probe" Estudio del uso de un globo solar en Marte
- "Haz y vuela tu propio" . Archivado desde el original el 10 de agosto de 2011.
- Registre globos solares e imprima etiquetas de seguimiento
- Sitio en francés con contenido en inglés
- Abril de 1982 Artículo de Popular Mechanics sobre el vuelo sobre el Canal de la Mancha.
