Wasserstoff vs. heiße Luft:

Luft hat ein Gewicht. Und zwar wiegt ein m³ Luft unter Normalbedingungen (20°C, 1013 hPa) etwa 1,3 kg. So wie ein Korken auf dem Wasser schwimmt, weil er eine geringere Dichte hat, kann auch etwas, das leichter als Luft ist, in diesem Medium aufsteigen. Am leichtesten ist natürlich das Vakuum. Und bereits 1670 hatte Pater Francesco Graf Lana die Terzi die Idee, mit großen Vakuum-Kugeln in die Lüfte zu steigen.

Erst Gottfried Wilhelm Leibnitz wies 1970 nach, dass diese Idee nicht funktionieren würde. Und tatsächlich ist es bis heute nicht gelungen, ein solches Projekt zu realisieren. Denn solch eine Kugel, die dem Luftdruck widerstehen würde, macht sie zu schwer, so dass Sie wiederum schwerer als Luft wäre.

Anders sieht es aus, wenn man leichte Gase verwendet. Sie lassen sich in sehr leichte Behältnisse füllen, wie z.B. Seiden- und Latexballons. Ein Kubikmeter Wasserstoff wiegt zum Beispiel nur 90 Gramm, ist also mehr als ein Kilogramm leichter als das gleiche Volumen Luft und erfährt einen entsprechenden Auftrieb. Viel ist das nicht, denn ein Kubikmeter wäre ein Würfel mit den Kantenlängen 1m oder eine Kugel mit 1,24m Durchmesser.

Dabei ist Wasserstoff (H2) das leichteste aller bekannten Gase. Helium ist bereits doppelt so schwer (180g/m³), hebt in Luft aber auch noch gut ein kg pro m³. Zeitweise hat man Gasballone auch mit Leucht- oder Stadtgas, einer Mischung vornehmlich aus Wasserstoff und Methan, gefüllt. Der Auftrieb ist dann mit 500 g/m³ nochmals geringer.

Aber auch mit Luft selbst kann man in die Lüfte steigen, wenn man sie nur entsprechend erwärmt und dadurch leichter macht. Um 70 Grad überhitzte Luft trägt pro m³ nur etwa 250 Gramm, also rund ein Viertel von Wasserstoff bzw. Helium. Deshalb müssen Heißluftballone viel größer sein als ihre wasserstoff oder heliumgefüllten Verwandten. Und weil sich der Hüllenstoff nicht beliebeig leicht anfertigen lässt, gibt es für Ballone, abhängig vom Taggas, eine gewisse Mindestgröße, je nachdem wie viel Gewicht der Ballon tragen muss. Denn das Verhältnis von Oberfläche (also Menge an Hüllenstoff) zu Volumen wird umso schlechter, je kleiner der Ballon wird. Dies kann man anschaulich an den mathematischen Zusammenhängen zwischen der Formel für die Berechnung der Oberfläche und des Volumens einer Kugel verdeutlichen:

Die Formel für das Volumen lautet: V= 4/3*pi*r³ und die für die Oberfläche O= 4*pi*r²

Der Radius geht einmal mit der Potenz drei, bei der Oberfläche nur mit zwei ein, daher gilt folgendes: Wird der Radius verdoppelt, verachtfacht sich das Volumen und die Oberfläche wird lediglich vier mal so groß.(Beispiel: eine Kugel mit 5m Radius besitzt ein Volumen von 524 m³ und eine Oberfläche von 314 m². Eine Kugel mit einem Radius von 10m bereits ein Volumen von 4189 m³ und eine Oberfläche von 1256 m²).

Auftriebskräfte verschiedener Gase bzw. Gasgemische

Der Roziere-Ballon

Der Roziere-Ballon ist eine Kombination zwischen einem Gas- und einem Heißluftballon und vereinigt die Vorteile beider Ballonarten in einem Ballon. Das eigentliche Trag-Gas einer Roziere ist Helium. Es kann über einen Brenner, der z.B. mit Propan oder Kerosin gespeist wird, erhitzt werden. Durch die Erwärmung dehnt sich das Helium aus. Seine Dichte wird geringer, die Tragkraft erhöht sich. Rozieren sind besonders dazu geeignet, sehr lange Fahrten zu unternehmen (z.B Atlantiküberquerung, Weltumrundung).