浮揚ガス
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、超高圧気球(英語版)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。
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。
F B =(ρair-ρgas)×g×V
ここでは、
F B =浮力 (N)
g=重力加速度=9.8066m/s = 9.8066 N/kg
V =体積 (m)
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。
(1.292-0.090)kg/m = 1.202 kg/m
また、海面での空気中の1mの水素の浮力は次のとおり。
1m × 1.202 kg/m × 9.8 N/kg = 11.8 N
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。
(1.292-0.178)kg/m = 1.114 kg/m
海面の空気中の1mのヘリウムの浮力は次のとおり。
1m × 1.114 kg/m × 9.8 N/kg= 10.9 N
したがって、ヘリウムと水素の浮力の差は次のとおり。
11.8 /10.9≈1.08 よって互いの浮力の差は約8.0%である。
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。