Ελαφρύτερα από τον αέρα υλικά

Ο όρος ελαφρύτερα από τον αέρα αναφέρεται σε υλικά (συνήθως αέρια) που είναι ελαφρά στον αέρα επειδή έχουν μέση πυκνότητα χαμηλότερη από αυτή του αέρα. Ο ξηρός αέρας έχει πυκνότητα περίπου 1,29 g/L (γραμμάρια ανά λίτρο) σε κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης (STP), και μέση μοριακή μάζα 28,97 g/mol.

Μερικά από αυτά τα αέρια χρησιμοποιούνται ως αέρια ανύψωσης σε ελαφρύτερα από τον αέρα αεροσκάφη, στα οποία περιλαμβάνονται τα ελεύθερα αερόστατα, τα προσδεμένα αερόστατα και τα αερόπλοια, για να κάνουν ολόκληρο το σκάφος, μεσοσταθμικά, ελαφρύτερο από τον αέρα. (Στα βαρύτερα από τον αέρα αεροσκάφη περιλαμβάνονται τα αεροπλάνα, τα ανεμόπτερα και τα ελικόπτερα).

Χρήση ως αέριο ανύψωσης

Θερμός αέρας 
Ο θερμός αέρας χρησιμοποιείται συχνά στα αερόστατα αναψυχής. Ο θερμός αέρας είναι ελαφρύτερος από τον αέρα στην θερμοκρασία περιβάλλοντος, σε τέτοιο βαθμό ώστε να πλησιάζει το νόμο των ιδανικών αερίων.

Νέον 
Το νέον (πυκνότητα 0,900 g/L σε κανονικές συνθήκες, μέση ατομική μάζα 20,17g/mol) είναι ελαφρύτερο από τον αέρα και έχει τη δυνατότητα ανύψωσης ενός αεροστάτου. Ωστόσο, είναι σχετικά σπάνιο στην Γη, ακριβό και μεταξύ των βαρύτερων εκ των ανυψωτικών αερίων.

Υδρατμοί 
Οι υδρατμοί (πυκνότητα 0,804 g/L σε κανονικές συνθήκες, μέση μοριακή μάζα 18,015 g/mol) είναι ελαφρύτεροι από τον αέρα, και έχουν χρησιμοποιηθεί επιτυχώς ως ανυψωτικό αέριο. Γενικά είναι μη πρακτικοί λόγω του υψηλού σημείο βρασμού και της συμπύκνωσης.

Αμμωνία
Η αμμωνία (πυκνότητα 0,769 g/L σε κανονικές συνθήκες, μέση μοριακή μάζα 17,03 g/mol) έχει χρησιμοποιηθεί για το φούσκωμα μετεωρολογικών αεροστάτων. Λόγω του σχετικά υψηλού σημείου βρασμού της (σε σύγκριση με το ήλιο και το υδρογόνο), η αμμωνία μπορεί να δυνητικά να ψυχθεί και να υγροποιηθεί σε ένα αερόπλοιο ώστε να μειωθεί η άνωση και να προστεθεί έρμα (και να επιστρέψει σε κατάσταση αερίου ώστε να αυξηθεί η άνωση και να μειωθεί το έρμα).

Μεθάνιο
Το μεθάνιο (πυκνότητα 0,716 g/L σε κανονικές συνθήκες, μέση μοριακή μάζα 16,04 g/mol) είναι το κύριο συστατικό του φυσικού αερίου και μερικές φορές χρησιμοποιείται ως αέριο ανύψωσης όταν δεν υπάρχει διαθέσιμο υδρογόνο ή ήλιο. Έχει το πλεονέκτημα να μην στάζει τόσο γρήγορα στα τοιχώματα του αεροστάτου όσο το υδρογόνο και το ήλιο που έχουν μικρά μόρια. Πολλά ελαφρύτερα από τον αέρα αερόστατα είναι κατασκευασμένα από επαργιλωμένο πλαστικό που περιορίζει αυτές τις διαρροές. Το υδρογόνο και το ήλιο στάζουν γρήγορα μέσω των πλαστικών αεροστάτων.

Υδρογόνο και ήλιο
Το υδρογόνο (πυκνότητα 0,090 g/L σε κανονικές συνθήκες, μέση μοριακή μάζα 2,016 g/mol) και το ήλιο (πυκνότητα 0,179 g/L σε κανονικές συνθήκες, μέση μοριακή μάζα 4,003 g/mol) είναι τα πιο συνηθισμένα αέρια ανύψωσης. Αν και το ήλιο έχει το διπλάσιο βάρος από το (διατομικό) υδρογόνο, αμφότερα είναι ελαφρύτερα από τον αέρα και αυτή η διαφορά έχει αποτέλεσμα μόνο 8% περισσότερη άνωση για το υδρογόνο από το ήλιο.

Σε πρακτικά πηδαλιουχούμενα μοντέλα, η διαφορά είναι σημαντική, φτάνοντας σε 50% σε αερόστατο με γεμάτες δεξαμενές καυσίμων και έτσι το βεληνεκές του αυξάνεται σημαντικά.

Το ήλιο έχει, όμως, ένα πλεονέκτημα. Η καύση του είναι απίθανη, ενώ το υδρογόνο είναι εξαιρετικά εύφλεκτο, όπως φάνηκε στην καταστροφή του Χίντενμπουργκ.

Άλλα

Άζωτο 
Το αέριο άζωτο (πυκνότητα 1,251 g/L σε κανονικές συνθήκες, μέση ατομική μάζα 28,00 g/mol) είναι περίπου 3% ελαφρύτερο από τον αέρα, ανεπαρκές για κανονική χρήση ως ανυψωτικό αέριο.

Αντιδραστικά αέρια 
Το υδροφθόριο είναι μη πρακτικό για χρήση ως αέριο ανύψωσης μιας και είναι εξαιρετικά αντιδραστικό και τοξικό.

Το βόριο μπορεί να συνδυαστεί με υδρογόνο, αλλά το βοράνιο σχηματίζει διμερή και συμπλέγματα αντί για μονομερή. Το διβοράνιο είναι λίγο ελαφρύτερο από τον αέρα, αλλά εκρήγνυται στιγμιαία μόλις αναμιχθεί με αέρα.

Στερεά 
Από το 2002, το αεροπήκτωμα διατηρούσε το Παγκόσμιο Ρεκόρ Γκίνες για το λιγότερο πυκνό (ελαφρύτερο) στερεό. Το αεροπήκτωμα αποτελείται περισσότερο από αέρα επειδή η δομή του είναι σαν αυτή ενός εξαιρετικά απορροφητικού σπόγγου. Έτσι, η ελαφρότητα του και η χαμηλή πυκνότητα είναι κυρίως λόγω της μεγάλης αναλογίας αέρα εντός του στερεού και όχι τόσο λόγω των σιλικονούχων υλικών κατασκευής. Εκμεταλλευόμενο το γεγονός αυτή, το SEAgel, που ανήκει στην ίδια οικογένεια με το αεροπήκτωμα αλλά είναι κατασκευασμένο από άγαρ, μπορεί να φουσκωθεί με αέριο ήλιο ώστε να δημιουργηθεί στερεό το οποίο επιπλέει όταν βρίσκεται σε ανοιχτή δεξαμενή γεμάτη με πυκνό αέριο.

Το 2012, ανακοινώθηκε η ανακάλυψη του αερογραφίτη, σπάζοντας το ρεκόρ του λιγότερο πυκνού υλικού κατά μόνο 0,2 mg/cm3 (0,2 kg/m3).

Να σημειωθεί πως τα προαναφερθέντα στερεά δεν επιπλέουν στον αέρα λόγω του γεμίσματος με αέρα των κοίλων περιοχών μέσα τους. Δεν έχουν κατασκευαστεί ελαφρύτερα από τον αέρα μήτρα ή κέλυφος τα οποία να διαθέτουν ισχυρό κενό.

Δείτε επίσης 
 Αερόπλοιο
 Αερόστατο
 Αερόστατο θερμού αέρα
 Άνωση

Παραπομπές

Μηχανική ρευστών
Ατμόσφαιρα

de:Leichter als Luft