Wasserstoffballon

Gasballon D-OZAM über Gelsenkirchen

Der Gasballon ist ein Ballon, der aus einer dünnen, gasdichten Hülle wie zum Beispiel Latex oder Seidengewebe mit Gummihaut besteht. Er wird mit einem Gas gefüllt, das eine geringere Dichte als die ihn umgebende Luft besitzt und somit zu einem Auftrieb führt. Für dieses so genannte Traggas kommen hauptsächlich Wasserstoff (H₂) und Helium (He) in Frage, wobei Helium bevorzugt wird, da es das leichteste Edelgas und nicht brennbar ist.

Ein Transportballon in der Cargolifter-Werfthalle

Gasfüllung

Wasserstoff-Gas ist nur halb so dicht wie Helium-Gas und gibt daher (in trockener Luft) etwa acht Prozent mehr Auftrieb. Ein wasserstoffgefüllter Ballon kann daher etwas mehr Nutzlast im Vergleich zu einem heliumgefüllten Ballon gleicher Größe tragen. Der große Nachteil von Wasserstoff ist, dass es mit dem Sauerstoff der Luft verbrennt, was schon mehrfach in der Geschichte der Luftfahrt zu schweren Bränden geführt hat. Nachteile des ungefährlichen Heliums sind der geringere Auftrieb, die (aufgrund der Tatsache, dass Helium nur als einatomiges Gas vorliegt, also keine Moleküle bildet) größere Leckrate (Diffusion durch Latex und vorbei an Dichtungen), doch vor allem der hohe Preis. Die meisten unbemannten Ballone, wie zum Beispiel die vielen täglichen Wetterballone, werden daher in Deutschland mit H₂ als Traggas betrieben. Gasballon-Startplätze befinden sich meist dort, wo Wasserstoff in ausreichender Menge zur Verfügung steht und Gasballone kostengünstig gefüllt werden können. Hierzu zählen vor allem chemische Werke wie in Gladbeck, Augsburg, Bitterfeld, Burgkirchen, Ibbenbüren und Marl. Startgelände Düsseldorf-Eller zählt ebenso dazu, aufgrund einer Wasserstoff-Pipeline, die von Marl nach Düsseldorf verläuft, um den dort ansässigen Unternehmen eine preiswerte Versorgung mit Wasserstoff zu gewähren. In Gladbeck gibt es seit September 2006 einen neuen Startplatz für Gasballone mit einer Wasserstoff Pipeline. Angeschlossen ist der Platz an die Hauptleitung der Chemischen Werke Hüls in Marl. Der Startplatz befindet sich im Schlosspark Wittringen.

Kleine Ballons (Werbe- und Spielzeugballons) füllt man mit einem Ballonfüllventil aus Helium-Druckgasflaschen passender Größe. Die größte, 50 Liter große, tara 49 bis 68 kg schwere 1,60 m hohe Gasflasche enthält bei 200 bar Fülldruck ideal 10 m³, real jedoch nur 9,1 m³ Helium, eine Menge die nur 1,5 kg wiegt und für 600 Ballons zu 30 cm Durchmesser mit je 15 Liter Volumen reicht. Früher wurde dafür auch brennbares Stadt- beziehungsweise Leuchtgas verwendet. Wird ein Ballon nur mit Druckluft gefüllt, entwickelt er keinen Auftrieb und sinkt zu Boden. Wegen der Verbrennungsgefahr für Haare, Haut und Kleidung ist es heute nicht mehr zulässig, Ballons für Kinder oder Erwachsene mit brennbarem Gas zu füllen. Häufig wird sogenanntes "Ballongas-Helium" verwendet, keine eigene Mischung, sondern nur Helium ungeprüfter Reinheit und daher kostengünstiger. Für das Füllen von Ballons über 50 cm Durchmesser, wenn deren Tragkraft unkritisch ist, wird teils mit Luft und daher kostensparend mit weniger Helium gefüllt. Es gibt dafür auch eigene Mischventile nach dem Venturi-Prinzip.

Flüssiges Helium, das zur Erzeugung tiefster Temperaturen dient, wird etwa in Physikinstituten für Supraleitung, Elektronenmikroskopie, Lasertechnik etc. verwendet. Es kühlt durch Verdampfen. Das wertvolle Gas wird abgesaugt und in einer kubikmetergroßen Kautschuk-Textil-Blase drucklos (genaugenommen bei Umgebungsdruck) aufgefangen. Bei der Helium-Produktion werden Gasflaschen auch ausgesaugt und Leitungen gespült, um Verunreinigungen zu reduzieren. In dieses Gas gelangt dabei auch etwas Umgebungsluft, es wird ebenfalls in einer Blase - einem "Ballon" - aufgefangen und daher "Ballongas" genannt, lautet eine andere Interpretation des Wortes.

Größe, Tragkraft und Steighöhe

Die Tragkraft eines Gasballons hängt vor allem von seinem Volumen und Startgewicht ab (Ballonhülle plus Nutzlast). Die Hüllen kleiner Forschungsballons und Radiosonden wiegen zwischen 0,1 bis einige Kilogramm, die Nutzlasten beginnen bei etwa 0,2 kg. Bei einer gewichtslosen Hülle wäre der Auftrieb nur von der Differenz der Gasdichte außen/innen abhängig. Für Luft beträgt sie unter Atmosphärendruck etwa 1,16 bis 1,34 kg/m³ (bei −10 bzw. +30 °C Lufttemperatur), für das Traggas etwa 0,08 bis 0,20 kg/m³ (H₂ bzw. He im selben Temperaturbereich). Damit könnte jeder Kubikmeter Ballon bis zu 1 kg emportragen – je schneller (ascent rate), desto weniger die Nutzlast beträgt.

Da mit steigender Höhe der Luftdruck sinkt, dehnt sich das Füllgas beim Aufsteigen eines Ballons aus. Idealisiert bleibt die Auftriebskraft dabei gleich, da zwar Druck und Dichte und damit die Tragkraft der umgebenden Luft sinken, aber gleichzeitig auch die Dichte des Ballongases sinkt und sich sein Volumen proportional vergrößert.

Die maximale Steighöhe eines Gasballons in der Atmosphäre hängt damit vor allem von seiner Fähigkeit ab, die mit der Höhe zunehmende Expansion des Füllgases auszugleichen. Hat sich das Füllgas bis zum maximalen Fassungsvermögen der Ballonhülle ausgedehnt, stoppt der Aufstieg, sobald sich Tragkraft und Gewichtskraft des Gerätes in einem Gleichgewicht befinden.

Ist die Hülle geschlossen und hält sie der Expansion nicht stand, bevor sich dieses Gleichgewicht einstellen kann, platzt der Ballon. Beim Aufstieg von Wettersonden kann das erwünscht sein, um den Aufstieg in einer grob vordefinierbaren Höhe zu beenden und eine Rückkehr der Sonde per Fallschirm zu ermöglichen. Ein guter 800-Gramm-Ballon platzt erst in rund 33 km Höhe, wo der Luftdruck nur etwa ein Prozent des Bodendrucks beträgt. Dabei hat er sich auf den vier bis fünffachen Durchmesser (etwa 10 m) ausgedehnt und ist Dutzende Kilometer weit sichtbar. Vom abendlichen Sonnenlicht beschienen, sind solche Flugkörper mitunter Ursache für UFO-Meldungen. Ein meteorologischer Ballon trägt eine Kapsel mit den Messinstrumenten und dem Telemetrie-Sender und meist auch Reflektoren zur optischen Vermessung vom Boden aus; auch kleine GPS-Empfänger finden zunehmend Verwendung. Um eine gute Steigrate zu erzielen, muss das Verhältnis Nutzlast zu Ballongröße beziehungsweise Füllung optimiert werden. Eine Auftriebskraft von 5 N (ca. 0,5 kp) ergibt Steigraten von 150 bis 300 Meter pro Minute.

Ist die Hülle des Ballons geschlossen und fest genug, um der Expansion des Füllgases standzuhalten, kann sich das Volumen des Füllgases ab einer bestimmten Höhe nicht mehr vergrößern und der Aufstieg endet.

Die Hüllen von Großballons bestehen in der Regel aus nichtelastischem Material. Diese Hüllen besitzen an ihrer Unterseite eine Öffnung. Da das Gas nicht unter Überdruck steht und sich im oberen Bereich der Hülle staut, strömt es nicht nach außen. Durch die Öffnung wird die Expansion des Füllgases beim Aufstieg ausgeglichen. Wird eine bestimmte Höhe überschritten, entweicht Gas aus der Öffnung und der Auftrieb nimmt ab bis der Aufstieg stoppt, da sich das Volumen des Füllgases in der Hülle nicht mehr vergrößern kann. Soll ein solcher Ballon eine möglichst große Höhe erreichen, wird die Hülle beim Start nur zu einem kleinen Teil ihres Maximalvolumens befüllt. Dadurch kann die Ausdehnung des Füllgases bis zu sehr großen Höhen aufgefangen werden. Der bemannte US-amerikanische Höhenforschungsballon Explorer-2 (1935) war beim Start mit nur 6370 m³ Helium gefüllt, bei einem Gesamtfassungvermögen von 104.774 m³. Zur Gewichtsersparnis bestehen die Hüllen moderner Stratosphären-Großballons aus nur wenige hundertstel Millimeter dicker Kunststofffolie (z. B. Polyethylen).^[1]

Ballontypen und Einsatzspektrum

Große Gasballone werden vor allem als Wetterballon eingesetzt, bisweilen auch in der Photogrammetrie und Archäologie zur Herstellung von Luftbildern aus niedriger Höhe. In beiden Einsatzbereichen sind Ballongrößen von 1m aufwärts üblich. Kleinere Ballone sind ein häufiges Kinderspielzeug (siehe "Luftballon"). Gratis verteilt und mit Aufdruck versehen, sind diese Ballone ein beliebter Werbeträger, etwa für Parteien vor Parlamentswahlen.

In der Schweiz wurde ein Gasballon eingesetzt, um eine Mobilfunkantenne etwa 21 km über der Schweiz zu positionieren.^[2]

Es gab auch Versuche, Ballone als Transportmittel oder Kran einzusetzen. So baute die Cargolifter AG den Kranballon CL75 für Lasten bis zu 75 Tonnen. Es gibt jedoch auch Fesselballone die zu touristischen Zwecken eingesetzt werden, wie zum Beispiel der HiFlyer in Berlin über dem Potsdamer Platz („Sat-1-Ballon“).

Zum Personentransport sind sie jedoch aus Kostengründen den Heißluftballonen unterlegen. Allerdings können Gasballone bis zu vier Tage ununterbrochen in der Luft sein, gängige Heißluftballone aber nur, je nach Brennstoffvorrat, maximal einige Stunden. Gasballone fahren zudem völlig lautlos.
An einem Netz von Seilen hängt hierbei die Gondel für Passagiere. Soll der Ballon sinken, so lässt man etwas Gas entweichen, soll er steigen, wirft man mit Hilfe einer kleinen Schaufel Ballast in Form von Sand ab. Von Heißluftballonen sind Gasballone leicht durch ihre Kugelform zu unterscheiden.

Ein Prallluftschiff ist ein länglich geformter Gasballon mit Antrieb und Steuerflächen. Andere Luftschiffe besitzen oft zusätzliche Tragstrukturen und/oder mehrere Gaszellen.

Der Überdruckballon bläst beim Übersteigen der Prallhöhe kein Gas ab, sondern behält es in der Hülle, wobei der innere Überdruck gegen außen allerdings um 1 hPa je 8 m ansteigt. Deshalb hat das Material eine höhere Festigkeit und auch ein höheres Gewicht. Bei etwa 50 hPa (400 m) bläst das Sicherheitsventil ab. Dieser Ballon hat den Vorteil, dass er ohne Gas- oder Ballastverlust um die Gleichgewichtshöhe pendelt.

Ballonsport

Wie auch beim Heißluftballon gibt es Wettbewerbe im Gasballonfahren bis hin zur Weltmeisterschaft. Dabei geht es zumeist darum, Ziele mit größtmöglicher Genauigkeit zu erreichen. Aufgrund der längeren Fahrtdauer sind die Distanzen allerdings wesentlich größer als bei entsprechenden Heißluftballonwettbewerben und können durchaus mehrere hundert Kilometer betragen. Ein vollkommen anderer Typ von Wettbewerb ist das Gordon-Bennett-Rennen, bei dem es darum geht, die größtmögliche Distanz zurückzulegen. Die Teilnehmer dieses Rennens sind meist mehrere Tage in der Luft und legen häufig Distanzen von weit über tausend Kilometern zurück.

Siehe auch

• Geschichte der Gasballons,
• Jacques Alexandre César Charles,
• Jean-Baptiste Biot,
• Höhenforschung,
• Stratosphäre
• Heißluftballon,
• Luftballon,
• Ballonpost,
• Luftschiff,
• osmotischer Druck,
• Zeppelin,
• Ballonfahren

Weblinks

• Deutscher Freiballonsport-Verband e. V.
• Deutsches Luftfahrtbundesamt
• Luftsportfreunde Deutschland
• Deutschlands modernster Ballonstartplatz in Gladbeck
• Ballonmuseum Gersthofen
• Wozu Ballone verwendet werden – eine Linkliste
• Informationsportal zum Thema Ballonfahren mit Technikerklärung des Gasballons
• Wetterballons und technische Details (englisch)

Quellen

1. ↑ Gottfried Kurze: Leichter als Luft. 2. Auflage. Urania, Leipzig 1980, S. 52 ff
2. ↑ http://www.20min.ch/news/wirtschaft/story/21940495