Un globo solar es un globo que gana flotabilidad cuando el aire del interior se calienta por la radiación solar , normalmente 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 aerostático . El uso de globos solares se da 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 descender y desinflar.
El aumento de la temperatura del aire dentro de la envoltura 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 aerostático depende principalmente de la diferencia entre la temperatura del aire dentro de la envoltura y la temperatura del aire fuera de la envoltura.
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:
La densidad del aire a 20 °C, 68 °F es aproximadamente 1,2 kg/m 3 . La sustentación total de un globo de 100.000 pies cúbicos calentado a (99 °C, 210 °F) sería de 1595 lbf, 723,5 kgf. En realidad, no todo el aire contenido en la envoltura 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 aerostático calentado a (99 °C, 210 °F) requiere aproximadamente 3,91 m 3 de volumen envolvente para levantar 1 kilogramo (62,5 pies cúbicos/libra). La cantidad precisa de sustentación proporcionada depende no sólo 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 elevarse tanto como en un día fresco, porque la temperatura requerida para el lanzamiento excederá la máxima sustentable para el tejido de la envoltura. Además, en la atmósfera inferior, la sustentación proporcionada por un globo aerostático disminuye aproximadamente un 3% por cada 1.000 metros (1% por 1.000 pies) de altitud ganada. [1]
La insolación es una medida de la energía de la radiación solar recibida sobre una superficie determinada en un tiempo determinado. Comúnmente se expresa como irradiancia promedio 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 los componentes atmosféricos en el cielo). La insolación directa es igual a la constante solar menos las pérdidas atmosféricas por absorción y dispersión . Si bien la constante solar varía con la distancia Tierra-Sol y los ciclos solares , las pérdidas dependen de la hora del día (la longitud del recorrido de la luz a través de la atmósfera depende del ángulo de elevación solar ), la cobertura de nubes , el contenido de humedad y otras impurezas .
En el transcurso de un año, la radiación solar media 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 porción 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 le llega. Los objetos del mundo real son objetos grises, siendo su absorción igual a su emisividad . El plástico negro podría tener una emisividad de alrededor de 0,95, lo que significa que el 95 por ciento de toda la radiación que incide será absorbida y el 5 por ciento restante reflejada.
Si imaginamos el globo como una esfera , la luz solar que recibe 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 recibida por un globo solar esférico de 5 metros de radio con una envoltura de plástico negro en un día claro con insolación directa de 1000 W/m 2 , se puede estimar calculando primero el área de su círculo máximo:
Luego multiplicando esto por la emisividad del plástico y la insolación directa del Sol:
78,54 * 0,95 * 1000 = 74.613 Vatios
Al 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 razón 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 ). Así, para aumentar la temperatura de 1 m 3 de aire (al nivel del mar y a 15 °C) 5 °C se necesitan alrededor de 5 °C * 1 kilojulio/(kilogramo*kelvin) * 1,225 kilogramos = 6,125 kilojulios. De este modo, se reduce la masa de 1 m 3 de aire en unos 24 gramos. En un día despejado con una superficie de cuerpo negro de 1 m 2 perpendicular al Sol y sin pérdida de calor, esto tomaría un poco más de 6 segundos.
A continuación se muestra la ecuación del balance energético de la tasa de energía perdida de un globo solar al trazar la línea límite alrededor del globo. El Globo Solar experimenta transferencia de calor por convección y transferencia de calor por radiación.
Ėsal= tσπr 2 (TS4-TF4) + hπr 2 (TS-TF)
Tds=du+PdV
Δs = ∫(cv/T)dT + Rgasln(V2/V1)
Δs = cvln(T2/T1)
El sistema está en equilibrio cuando la energía perdida por el globo por convección, radiación y conducción es igual a la energía recibida por la radiación del Sol.
En 1972, Dominic Michaelis , un arquitecto británico e inventor de muchos proyectos y servicios solares, inventó y construyó el primer globo solar, con una superficie externa clara y paredes internas oscuras que captan el calor. [4] [5]
El primer vuelo en globo solar con un ser humano 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 al que se le dio forma de tetraedro . Se registra que Dominic Michaelis fue propietario del primer globo solar puro en Europa. Este globo fue pilotado por Julian Nott 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. Este utilizó 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 interior, calentando el aire interior. [6]
La primera sonda meteorológica 100% solar, denominada 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 utilizar globos solares como sondas en zonas remotas, donde sería valioso ahorrar el uso de gas de elevación , helio o hidrógeno . El vuelo fue un éxito, acercándose a los 46.000 pies (14.000 m). Los ahorros no se refieren únicamente al gas de elevación en sí. El globo ORA alivia la necesidad de transportar, dentro y fuera, las pesadas bombonas de gas. [7]
El Laboratorio de Propulsión a Chorro del Instituto Tecnológico 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]
Las autoridades locales o nacionales del espacio aéreo pueden exigir permiso de planificación y espacio aéreo.
Los vuelos tripulados conllevan riesgos especiales. Las nubes inesperadas representan un riesgo grave, similar a los vuelos regulares en globo aerostático sin combustible de reserva. Los globos solares pueden descender rápidamente cuando se produce el enfriamiento, lo que hace que el lastre sea muy importante.
