浮揚ガス

浮揚ガス (ふようガス、英: Lifting gas) とは、空気よりも密度が低いために、自然に上昇するガスのことである。ガス気球、飛行船などのエアロスタットは、上昇するために浮力を生み出す必要があるため、浮揚ガスを使用している。
浮揚ガスの例.
浮揚ガスとして適しているのは、空気よりも軽いガスだけである。乾燥空気は標準状態で密度約1.29 g/L、平均分子量28.97 g/molなので、これより低いガスが、浮揚ガスとなる。
熱された空気.
熱気球では、熱された空気が使用される。理想気体の状態方程式によると、気体は温められると膨張する。そのため、ガスは温度が高くなるにつれて密度が低くなる。熱気球が離陸するのには、体積2000 m3、重量450 kgの熱気球では気球内の温度が79.7 ℃以上必要となっている。
水素.
水素は現在確認されている最も軽いガス (空気の密度の約14分の1) であり、持ち上げるのに最も適している。水性ガスシフト反応や電気分解などで簡単に大量生産できるものの、以下に挙げるようにいくつかの欠点がある。
ヘリウム.
ヘリウムは2番目に軽いガスである。そのため、浮揚ガスに適しており、風船やアドバルーン、飛行船などに利用されている。
主な利点は、不燃性であることである。しかし、ヘリウムには以下に挙げるようにいくつかの欠点もある。
理論的な浮揚ガス.
水蒸気.
水蒸気は窒素ガス (N 2) などの一般的な大気ガスと比べて水のモル質量が小さいため、空気よりも軽い (密度0.804 g/L、平均分子量18.015 g / mol) 。不燃性でヘリウムよりもはるかに安価という利点があるため、浮揚ガスとして水蒸気を使用するという概念は、200年前には存在していた。しかし、大きな課題として常に水蒸気の熱に対応できる素材を作れるかというものがあった。2003年、ドイツのベルリンにある大学チームが150 °Cの水蒸気を使用したガス気球を作った。 しかしこのようなガス気球は、沸点が高く凝縮しているため、あまり実用的ではない。
フッ化水素.
フッ化水素は空気よりも軽いため、理論的には浮揚ガスとして使用できる。ただし、非常に腐食性、毒性が高く、高価で、他の浮揚ガスよりも重く、水素結合をしているため沸点が19.5 °Cと高い。したがって、使用は実用的ではない。
真空.
理論的には、エアロスタットは真空または部分真空を使用して作ることができる。1670年には、最初の有人熱気球飛行よりも1世紀以上前に、 イタリアの僧侶フランチェスコ・ラナ・デ・テルツィは4つの真空球を備えた船を構想していた。
無重力球を使用した理論的に優れた状況では、 ｢真空バルーン｣ は、水素を充填したバルーンよりも理論上の揚力が7％大きく、ヘリウムよりも16％大きくなる。ただし、気球の素材は破れることなく丈夫な状態を維持できる必要があるため、気球を知られている素材で構築することは実用的ではない。しかし、時々素材に関しての議論がある。 
その他.
アセチレンや純粋な窒素、シアン化水素、ネオンなど空気より軽ければ、理論上は浮揚ガスとして使用できるが、揚力が低く、また多くが貴重であったりするため実用的でない。
水素かヘリウムか.
水素とヘリウムがよく浮揚ガスの例に挙げられる。ヘリウムは水素分子の2倍の重さだが、どちらも空気よりかなり軽いため、互いの揚力の差はごくわずかである。
水素とヘリウムの空気中の揚力は、浮力の理論を使用して計算できる。
ここでは、
F B =浮力 (N) 
g=重力加速度=9.8066m/s 2 = 9.8066 N/kg
V =体積 (m3) 
とする。
すると、海面で空気中の水素によって持ち上げられる質量は、水素と空気の密度差に等しく、次のようになる。
また、海面での空気中の1m3の水素の浮力は次のとおり。
したがって、海面で空気中のヘリウムによって持ち上げられる質量は次のとおり。
海面の空気中の1m3のヘリウムの浮力は次のとおり。
したがって、ヘリウムと水素の浮力の差は次のとおり。
この計算は海面温度を0 °Cと仮定する。より高い高度や温度では、揚力は空気の密度に比例して減少するが、水素の揚力とヘリウムの揚力の比率は同じままである。
利用.
高高度気球.
高度が高くなると、気圧が低くなるため、気球内の気圧も低くなる。これは、特定の揚力に対する浮揚ガスの質量と気球の上昇により押しのけられた空気の質量は低高度での質量と同じだが、気球の体積は高高度でははるかに大きいことを意味する。
成層圏まで上昇するように設計された気球は、必要な量の空気を押しのけるために、非常に膨張できなければならない。写真にあるように、そのような気球のほとんどが打ち上げ時に中が空に見えるのは後に膨張するためである。
特に長時間の飛行に使用される高高度気球は、と呼ばれる。超高圧気球は、気球周囲の圧力よりも気球内の圧力を高く保っている。
水中気球.
水とガスは密度差が非常に大きいため、水中ではガスの揚力は非常に強い。そのため、ほとんどのガスが使用できる。ただし、一部のガスは高圧なために液化し、浮力が急激に低下する可能性がある。
上昇中の水中気球は、ガスが継続して逃げることができなかったり、気球が圧力の変化に耐えるのに十分な強さでなかったりすると、圧力の低下によって膨張し、爆発することもある。
地球以外の天体における気球.
気球よりも平均密度が高い大気がある場合にのみ、気球は浮力を持つことができる。
固体を浮かばせる.
2002年、エアロゲルは最も密度の低い固体としてでギネス世界記録を獲得した。 エアロゲルは、構造が非常にスポンジに似ているため、ほとんどが空気であると言える。軽量で低密度なのは、固体内の空気の割合が大きいからである。エアロゲルの1つである、寒天から作られたは、空洞がヘリウムガスで満たされていて、固体でありながら高密度ガス中を浮遊することができる。