Un gas elevador o gas más ligero que el aire es un gas que tiene una densidad inferior a la de los gases atmosféricos normales y, como resultado, se eleva por encima de ellos. Es necesario que los aeróstatos creen flotabilidad , particularmente en aviones más ligeros que el aire, que incluyen globos libres , globos amarrados y dirigibles . Sólo algunos gases más ligeros que el aire son adecuados como gases de elevación. El aire seco tiene una densidad de aproximadamente 1,29 g/L (gramos por litro) en condiciones estándar de temperatura y presión (STP) y una masa molecular promedio de 28,97 g/mol , [1] por lo que los gases más livianos que el aire tienen una densidad inferior a ésta.
El aire atmosférico calentado se utiliza con frecuencia en los paseos en globo recreativos . Según la ley de los gases ideales , una cantidad de gas (y también una mezcla de gases como el aire) se expande a medida que se calienta. Como resultado, un cierto volumen de gas tiene una densidad menor a medida que la temperatura es mayor. La temperatura del aire caliente en la envoltura variará según la temperatura ambiente, pero la temperatura máxima de funcionamiento continuo para la mayoría de los globos es de 250 °F (121 °C). [2]
El hidrógeno , al ser el gas más ligero existente (7% de la densidad del aire, 0,08988 g/L a temperatura ambiente), parece ser el gas más apropiado para la elevación. Puede producirse fácilmente en grandes cantidades, por ejemplo mediante la reacción de desplazamiento agua-gas o la electrólisis , pero el hidrógeno tiene varias desventajas:
El helio es el segundo gas más ligero (0,1786 g/L a temperatura STP). Por esa razón, también es un gas atractivo para levantar objetos.
Una ventaja importante es que este gas no es combustible. Pero el uso de helio también tiene algunas desventajas:
En el pasado, también se utilizaba en globos gas de hulla , una mezcla de hidrógeno, monóxido de carbono y otros gases. [5] [ se necesita una mejor fuente ] Estaba ampliamente disponible y era barato. Las desventajas incluyen una mayor densidad (reducción de la sustentación), su inflamabilidad [6] y la alta toxicidad [7] del contenido de monóxido de carbono.
El amoníaco se ha utilizado como gas de elevación en globos, [8] pero, aunque económico, es relativamente pesado (densidad 0,769 g/L en STP, masa molecular promedio 17,03 g/mol), venenoso, irritante y puede dañar algunos metales. y plásticos.
El metano (densidad 0,716 g/L en STP, masa molecular promedio 16,04 g/mol), el componente principal del gas natural , se utiliza a veces como gas de elevación cuando no hay hidrógeno ni helio disponibles. [ cita necesaria ] Tiene la ventaja de no filtrarse a través de las paredes del globo tan rápidamente como las moléculas más pequeñas de hidrógeno y helio. Muchos globos más livianos que el aire están hechos de plástico aluminizado que limita dichas fugas; El hidrógeno y el helio se escapan rápidamente a través de los globos de látex. Sin embargo, el metano es altamente inflamable y, al igual que el hidrógeno, no es apropiado para su uso en dirigibles de transporte de pasajeros. También es relativamente denso y un potente gas de efecto invernadero .
También es posible combinar algunas de las soluciones anteriores. Un ejemplo muy conocido es el globo Rozière que combina un núcleo de helio con una capa exterior de aire caliente.
El estado gaseoso del agua es más ligero que el aire (densidad 0,804 g/L a temperatura ambiente, masa molecular promedio 18,015 g/mol) debido a la baja masa molar del agua en comparación con los gases atmosféricos típicos como el gas nitrógeno (N 2 ). No es inflamable y mucho más barato que el helio. Por lo tanto, el concepto de utilizar vapor para la elevación tiene ya 200 años. El mayor desafío siempre ha sido fabricar un material que pueda resistirlo. En 2003, un equipo universitario de Berlín, Alemania, logró fabricar un globo elevado con vapor a 150 °C. [9] Sin embargo, un diseño de este tipo generalmente no es práctico debido al alto punto de ebullición y la condensación.
El fluoruro de hidrógeno es más ligero que el aire y, en teoría, podría utilizarse como gas elevador. Sin embargo, es extremadamente corrosivo, muy tóxico, caro, más pesado que otros gases elevadores y tiene un punto de ebullición bajo de 19,5 °C. Por tanto, su uso no sería práctico.
El acetileno es un 10% más ligero que el aire y podría utilizarse como gas elevador. Su extrema inflamabilidad y su bajo poder de elevación lo convierten en una opción poco atractiva.
El cianuro de hidrógeno , que es un 7% más ligero que el aire, técnicamente puede utilizarse como gas elevador a temperaturas superiores a su punto de ebullición de 25,6 °C. Su extrema toxicidad, baja flotabilidad y bajo punto de ebullición han impedido tal uso.
El neón es más ligero que el aire (densidad 0,900 g/L a temperatura ambiente, masa atómica promedio 20,17 g/mol) y podría levantar un globo. Al igual que el helio, no es inflamable. Sin embargo, es raro en la Tierra y costoso, y se encuentra entre los gases elevadores más pesados.
El nitrógeno puro tiene la ventaja de que es inerte y está disponible en abundancia, porque es el componente principal del aire. Sin embargo, debido a que el nitrógeno es sólo un 3% más ligero que el aire, no es una buena opción como gas de elevación.
El etileno es un hidrocarburo insaturado que es un 3% menos denso que el aire. Sin embargo, a diferencia del nitrógeno, el etileno es altamente inflamable y mucho más caro, lo que hace que su uso como gas de elevación sea muy poco práctico.
El diborano es ligeramente más ligero que el nitrógeno molecular con una masa molecular de 27,7. Sin embargo , al ser pirofórico supone un gran peligro para la seguridad, en una escala incluso mayor que la del hidrógeno.
En teoría, un vehículo aerostático podría fabricarse para utilizar vacío o vacío parcial. Ya en 1670, más de un siglo antes del primer vuelo tripulado en globo aerostático, [10] el monje italiano Francesco Lana de Terzi imaginó un barco con cuatro esferas de vacío.
En una situación teóricamente perfecta con esferas ingrávidas, un 'globo de vacío' tendría un 7% más de fuerza de elevación neta que un globo lleno de hidrógeno y un 16% más de fuerza de elevación neta que uno lleno de helio. Sin embargo, debido a que las paredes del globo deben poder permanecer rígidas sin implosionar, no resulta práctico construir el globo con ningún material conocido. A pesar de eso, a veces hay discusión sobre el tema. [11]
Si bien no es un gas, es posible sintetizar un aerogel ultraligero con una densidad menor que la del aire; el más ligero registrado hasta ahora alcanza una densidad de aproximadamente 1/6 de la del aire. [12] Sin embargo, los aerogeles no flotan en condiciones ambientales porque el aire llena los poros de la microestructura de un aerogel, por lo que la densidad aparente del aerogel es la suma de las densidades del material del aerogel y el aire contenido en su interior. En 2021, un grupo de investigadores hizo levitar con éxito una serie de aerogeles de carbono calentándolos con una lámpara halógena, lo que tuvo el efecto de reducir la densidad del aire atrapado en la microestructura porosa del aerogel, permitiendo que el aerogel flotara. [13]
El hidrógeno y el helio son los gases de elevación más utilizados. Aunque el helio pesa dos veces más que el hidrógeno (diatómico), ambos son significativamente más ligeros que el aire.
El poder de elevación en el aire del hidrógeno y el helio se puede calcular utilizando la teoría de la flotabilidad de la siguiente manera:
Por tanto, el helio es casi dos veces más denso que el hidrógeno. Sin embargo, la flotabilidad depende de la diferencia de densidades (ρ gas ) − (ρ aire ) más que de sus proporciones. Por tanto, la diferencia en flotabilidad es aproximadamente del 8%, como se ve en la ecuación de flotabilidad:
Donde F B = Fuerza de flotación (en Newton ); g = aceleración gravitacional = 9,8066 m/s 2 = 9,8066 N/kg; V = volumen (en m 3 ). Por lo tanto, la cantidad de masa que puede levantar el hidrógeno en el aire al nivel del mar, igual a la diferencia de densidad entre el hidrógeno y el aire, es:
y la fuerza de flotación por un m 3 de hidrógeno en el aire al nivel del mar es:
Por lo tanto, la cantidad de masa que puede levantar el helio en el aire al nivel del mar es:
y la fuerza de flotación por un m 3 de helio en el aire al nivel del mar es:
Por tanto, la flotabilidad adicional del hidrógeno en comparación con el helio es:
Este cálculo se realiza al nivel del mar a 0 °C. Para mayores altitudes o temperaturas más altas, la cantidad de sustentación disminuirá proporcionalmente a la densidad del aire, pero la relación entre la capacidad de sustentación del hidrógeno y la del helio seguirá siendo la misma. Este cálculo no incluye la masa de la envoltura necesaria para contener el gas de elevación.
A mayores altitudes, la presión del aire es menor y por lo tanto la presión dentro del globo también es menor. Esto significa que, si bien la masa de gas de elevación y la masa de aire desplazado para una elevación determinada son las mismas que a menor altitud, el volumen del globo es mucho mayor a mayor altitud.
Un globo que está diseñado para elevarse a alturas extremas ( estratosfera ), debe poder expandirse enormemente para poder desplazar la cantidad de aire requerida. Por eso estos globos parecen casi vacíos en el momento del lanzamiento, como se puede ver en la foto.
Un enfoque diferente para los vuelos en globo a gran altura, especialmente utilizado para vuelos de larga duración, es el globo de superpresión . Un globo de superpresión mantiene una presión más alta dentro del globo que la presión externa (ambiente).
Debido a la enorme diferencia de densidad entre el agua y los gases (el agua es aproximadamente 1.000 veces más densa que la mayoría de los gases), el poder de elevación de los gases submarinos es muy fuerte. El tipo de gas utilizado es en gran medida intrascendente porque las diferencias relativas entre gases son insignificantes en relación con la densidad del agua. Sin embargo, algunos gases pueden licuarse a alta presión, provocando una pérdida abrupta de flotabilidad.
Un globo sumergido que se eleva se expandirá o incluso explotará debido a la fuerte reducción de presión, a menos que el gas pueda escapar continuamente durante el ascenso o que el globo sea lo suficientemente fuerte como para soportar el cambio de presión.
Un globo sólo puede tener flotabilidad si existe un medio que tenga una densidad media mayor que el propio globo.
En 2002, el aerogel ostentaba el récord mundial Guinness por ser el sólido menos denso (más ligero). [16] El aerogel es principalmente aire porque su estructura es como la de una esponja altamente vacía . La ligereza y la baja densidad se deben principalmente a la gran proporción de aire dentro del material de construcción sólido y no al silicio . [17] Aprovechando esto, SEAgel , de la misma familia que el aerogel pero hecho de agar , se puede llenar con gas helio para crear un sólido que flota cuando se coloca en un recipiente abierto lleno de un gas denso. [18]