Un gas sustentador o gas más ligero que el aire es un gas que tiene una densidad menor que los gases atmosféricos normales y, como resultado, se eleva por encima de ellos, lo que lo hace útil para elevar aeronaves más ligeras que el aire. Solo ciertos gases más ligeros que el aire son adecuados como gases sustentadores. El aire seco tiene una densidad de aproximadamente 1,29 g/L (gramo 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 ligeros que el aire tienen una densidad menor que esta.
El aire atmosférico calentado se utiliza con frecuencia en los vuelos recreativos en globo . 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 determinado volumen de gas tiene una densidad menor a medida que la temperatura es más alta. 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 que existe (7% de la densidad del aire, 0,08988 g/L en condiciones normales), parece ser el gas más apropiado para la elevación. Se puede producir fácilmente en grandes cantidades, por ejemplo con la reacción de desplazamiento del agua-gas o la electrólisis , pero el hidrógeno tiene varias desventajas:
El helio es el segundo gas más ligero (0,1786 g/L en condiciones normales), por lo que también es un gas atractivo para la elevación.
Una de las principales ventajas de este gas es que no es combustible. Pero el uso del helio también tiene algunas desventajas:
En el pasado, el gas de carbón , una mezcla de hidrógeno, monóxido de carbono y otros gases, también se utilizaba en globos. [5] [ Se necesita una mejor fuente ] Estaba ampliamente disponible y era barato. Las desventajas incluyen una mayor densidad (reduciendo 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, si bien es económico, es relativamente pesado (densidad 0,769 g/L en condiciones normales, masa molecular promedio 17,03 g/mol), venenoso, irritante y puede dañar algunos metales y plásticos.
El metano (densidad 0,716 g/L en condiciones normales, masa molecular media 16,04 g/mol), el principal componente del gas natural , se utiliza a veces como gas de sustentación cuando no se dispone de hidrógeno ni helio. [ cita requerida ] Tiene la ventaja de no filtrarse a través de las paredes de los globos tan rápidamente como las moléculas más pequeñas de hidrógeno y helio. Muchos globos más ligeros que el aire están hechos de plástico aluminizado que limita dichas fugas; el hidrógeno y el helio se filtran 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 conocido es el globo de Rozière , que combina un núcleo de helio con una capa exterior de aire caliente.
El agua en estado gaseoso es más ligera que el aire (densidad 0,804 g/L en condiciones normales, masa molecular media 18,015 g/mol) debido a su baja masa molar en comparación con los gases atmosféricos típicos, como el nitrógeno (N2 ) . No es inflamable y es mucho más barata que el helio. Por tanto, el concepto de utilizar vapor para elevar el nivel ya tiene 200 años. El mayor reto siempre ha sido fabricar un material que lo resista. En 2003, un equipo universitario de Berlín (Alemania) ha conseguido fabricar un globo aerostático que se eleva a 150 °C mediante vapor. [9] Sin embargo, este diseño suele ser poco práctico debido a su elevado punto de ebullición y condensación.
El fluoruro de hidrógeno es más ligero que el aire y, en teoría, podría utilizarse como gas de elevación. Sin embargo, es extremadamente corrosivo, altamente tóxico, caro, es más pesado que otros gases de elevación y tiene un punto de ebullición bajo de 19,5 °C. Por lo tanto, su uso sería poco práctico.
El acetileno es un 10 % más ligero que el aire y se puede utilizar como gas de elevación. 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, es técnicamente capaz de utilizarse como gas de elevación 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 en condiciones normales, masa atómica media 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 caro, y se encuentra entre los gases de elevación más pesados.
El nitrógeno puro tiene la ventaja de ser inerte y estar disponible en abundancia, ya que es el componente principal del aire. Sin embargo, como el nitrógeno es solo 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 importante riesgo para la seguridad, en una escala incluso mayor que la del hidrógeno.
En teoría, un vehículo aerostático podría fabricarse utilizando el vacío total o 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 una nave con cuatro esferas de vacío.
En una situación teóricamente perfecta con esferas sin peso, un "globo de vacío" tendría un 7% más de fuerza de sustentación neta que un globo lleno de hidrógeno, y un 16% más de fuerza de sustentación neta que uno lleno de helio. Sin embargo, como las paredes del globo deben poder permanecer rígidas sin implosionar, el globo no se puede construir con ningún material conocido. A pesar de eso, a veces hay debate sobre el tema. [11]
Aunque 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 que contiene. En 2021, un grupo de investigadores logró 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, lo que permitió que el aerogel flotara. [13]
El hidrógeno y el helio son los gases de sustentación más utilizados. Aunque el helio es dos veces más pesado que el hidrógeno (diatómico), ambos son significativamente más livianos que el aire.
La fuerza de elevación del hidrógeno y del helio en el aire se puede calcular utilizando la teoría de la flotabilidad de la siguiente manera:
Por lo tanto, el helio es casi el doble de denso que el hidrógeno. Sin embargo, la flotabilidad depende de la diferencia de densidades (ρ gas ) − (ρ aire ) más que de sus proporciones. Por lo tanto, la diferencia en las flotabilidades es de aproximadamente el 8%, como se ve en la ecuación de flotabilidad:
Donde F B = Fuerza de flotación (en Newton ); g = aceleración gravitacional = 9,8066 m/ s2 = 9,8066 N/kg; V = volumen (en m3 ) . Por lo tanto, la cantidad de masa que puede ser levantada por el hidrógeno en el aire a nivel del mar, igual a la diferencia de densidad entre el hidrógeno y el aire, es:
y la fuerza de flotación para un m 3 de hidrógeno en el aire al nivel del mar es:
Por lo tanto, la cantidad de masa que puede elevar el helio en el aire al nivel del mar es:
y la fuerza de flotación para un m 3 de helio en el aire al nivel del mar es:
Por lo tanto, la flotabilidad adicional del hidrógeno en comparación con el helio es:
Este cálculo se hace a nivel del mar a 0 °C. A 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 sustentador.
A mayor altitud, 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 del gas sustentador y la masa del aire desplazado para una determinada sustentación son las mismas que a menor altitud, el volumen del globo es mucho mayor a mayor altitud.
Un globo diseñado para elevarse a grandes alturas ( estratosfera ) debe poder expandirse enormemente para poder desplazar la cantidad de aire necesaria. Por eso, estos globos parecen casi vacíos al despegar, como se puede ver en la foto.
Un método diferente para volar en globo a gran altitud, especialmente para vuelos de larga duración, es el globo de superpresión . Un globo de superpresión mantiene una presión más alta en el interior del globo que la presión externa (ambiental).
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), la capacidad de sustentación de los gases bajo el agua es muy fuerte. El tipo de gas utilizado es en gran medida irrelevante porque las diferencias relativas entre los gases son insignificantes en relación con la densidad del agua. Sin embargo, algunos gases pueden licuarse bajo alta presión, lo que provoca 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 el globo sea lo suficientemente fuerte para soportar el cambio de presión.
Los buceadores utilizan bolsas elevadoras (bolsas boca abajo) que llenan de aire para levantar objetos pesados como cañones e incluso barcos enteros durante la arqueología submarina y el rescate de naufragios . El aire se suministra desde cilindros de buceo o se bombea a través de una manguera desde el barco del buceador en la superficie.
Los submarinos utilizan tanques de lastre y tanques de compensación con aire para regular su flotabilidad , lo que los convierte en " dirigibles " submarinos. Los batiscafos son un tipo de sumergibles de aguas profundas que utilizan gasolina como "gas de elevación".
Un globo sólo puede tener flotabilidad si hay un medio que tenga una densidad promedio mayor que el propio globo.
En 2002, el aerogel obtuvo el récord mundial Guinness por ser el sólido menos denso (más ligero). [16] El aerogel está compuesto principalmente de 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 sólido y no a los materiales de construcción de silicio . [17] Aprovechando esto, el 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 por la parte superior lleno de un gas denso. [18]