ガスを持ち上げます

レクリエーション気球では、加熱された大気がよく使用されます。理想気体の法則によれば、一定圧力の気体（空気などの混合気体を含む）は加熱されると膨張します。つまり、温度が上昇すると密度が低下します。気球のエンベロープ内の熱気の温度は周囲の温度によって変化しますが、ほとんどの気球の最大連続動作温度は250 °F (120 °C)です。^{[ 2 ]}  

水素は現存するガスの中で最も軽い（標準状態において0.08988 g/L、空気密度の7%）ため、揚水に最も適したガスであるように思われる。水性ガスシフト反応や電気分解などによって容易に大量生産できるが、水素にはいくつかの欠点がある。

• 水素は極めて可燃性が高い。一部の国では商用気球の揚力ガスとして水素を使用することを禁止しているが、米国、英国、ドイツではレクリエーション目的の自由気球での使用は認められている。ヒンデンブルク号の事故は、水素がもたらす安全上のリスクの例としてしばしば挙げられる。ヘリウムは（水素に比べて）非常に高価であるため、研究者たちは、特に乗客を乗せず、人口密集地から離れた場所で運用される気球において、揚力ガスとして水素を使用する際の安全性の問題を再検討している。適切な設計と取り扱い方法を用いれば、リスクを大幅に軽減できる。
• 二原子水素分子は非常に小さいため、ラテックスなどの多くの材料を容易に拡散し、風船がすぐにしぼんでしまう。これが、水素やヘリウムを充填した風船の多くがマイラー（boPET）で作られている理由の一つである。^{[ 3 ]}

ヘリウムは2番目に軽い気体です（標準状態における密度は0.1786g/L、空気の密度の14%）。そのため、揚力発生にも適した気体と言えます。

大きな利点は、このガスが不燃性であることだ。しかし、ヘリウムの使用にはいくつかの欠点もある。

• 拡散の問題は水素と共通している（ただし、ヘリウムの分子半径は138  pmと小さいため、水素よりも多くの物質を拡散する^{[ 4 ]}）。
• ヘリウムは高価だ。
• 宇宙には豊富に存在するヘリウムですが、地球上では非常に希少です。商業的に採算の取れる埋蔵量は、主に米国にある少数の天然ガス井に限られており、これらは地球内部の放射性物質の緩やかなアルファ崩壊によって生成されたヘリウムです。人間の基準では、ヘリウムは再生不可能な資源であり、他の物質から製造することは事実上不可能です。例えば、ヘリウム入りの風船が破裂したり漏れたりすると、ヘリウムは大気中に放出され、最終的には宇宙空間に逃げて失われてしまいます。

過去には、水素、一酸化炭素、およびブラウガスなどの他のガスの混合物である石炭ガスも気球に使用されていました。^{[ 5 ]}これは広く入手可能で安価でした。欠点としては、密度が高い（揚力が低下する）、可燃性^{[ 6 ]} 、および一酸化炭素含有量の毒性が高い^{[ 7 ]ことが挙げられます。}

アンモニアは気球の浮揚ガスとして使用されてきましたが、^{[ 8 ]}安価である一方で、比較的重く（ 標準状態での密度は0.769 g/L、平均分子量は17.03  g/mol）、有毒な刺激物であり、一部の金属やプラスチックを損傷する可能性があります。

天然ガスの主成分であるメタン（標準状態における密度0.716  g/L、平均分子量16.04 g/mol）は、水素やヘリウムが入手できない場合に揚力ガスとして使用されることがあります。メタンは、水素やヘリウムのような小さな分子ほど気球の壁から急速に漏れ出さないという利点があります。多くの軽気球は、このような漏れを抑えるためにアルミ蒸着プラスチックで作られています。水素やヘリウムはラテックス製の気球から急速に漏れ出します。しかし、メタンは可燃性が高く、水素と同様に、旅客を運ぶ飛行船での使用には適していません。また、メタンは比較的密度が高く、強力な温室効果ガスでもあります。 

上記の方法を組み合わせることも可能です。よく知られた例としては、ヘリウムのコアと熱気の外殻を組み合わせたロジエール気球が挙げられます。

水の気体状態は、窒素ガス（N ₂ ）などの一般的な大気ガスと比較してモル質量が低いため、空気（ STPでの密度は0.804 g/L、平均分子量は18.015 g/mol）よりも軽い。不燃性で、ヘリウムよりもはるかに安価である。蒸気を使って浮揚するという概念はすでに200年前からある。最大の課題は常に、それに耐えられる材料を作ることだった。2003年、ドイツのベルリンにある大学のチームが、150 ℃の蒸気で浮揚する気球を作ることに成功した。^{[ 9 ]}しかし、沸点が高く凝縮するため、このような設計は一般的に実用的ではない。  

フッ化水素は空気より軽いため、理論的には揚水ガスとして使用できる可能性がある。しかし、極めて腐食性が高く、毒性も強く、高価であり、他の揚水ガスよりも重く、沸点も19.5  ℃と高い。そのため、実用化は困難である。

アセチレンは空気より10%軽いため、揚力ガスとして使用できる可能性がある。しかし、極めて燃えやすく、揚力も低いため、魅力的な選択肢とは言えない。

空気より7%軽いシアン化水素は、沸点である25.6℃以上の温度であれば、技術的には浮力ガスとして使用できる可能性がある 。しかし、その極めて高い毒性、低い浮力、そして低い沸点のため、そのような用途はこれまで実現されていない。

ネオンは空気より軽く（ 標準状態での密度は0.900 g/L、平均原子量は20.17  g/mol）、風船をゆっくりと持ち上げることができる。^{[ 10 ]}ヘリウムと同様に不燃性である。しかし、地球上では希少で高価であり、重量のある浮揚ガスの1つである。

純粋な窒素は、空気の主成分であるため不活性で豊富に入手できるという利点があります。しかし、窒素（ N₂ _）は空気よりわずか3%軽いだけなので、揚力ガスとしては適していません。

エチレンは不飽和炭化水素であり、空気より密度が3%低い。しかし、窒素とは異なり、エチレンは非常に燃えやすく、価格もはるかに高いため、揚水ガスとして使用することは非常に非現実的である。

ジボランは分子窒素よりわずかに軽く、分子量は27.7である。しかし、自然発火性であるため、水素よりもはるかに大きな安全上の危険性がある。

理論的には、静空気飛行機は真空または部分真空を利用するように作ることができる。最初の有人熱気球飛行の1世紀以上前の1670年には、イタリアの修道士フランチェスコ・ラナ・デ・テルツィが4つの真空球を備えた船を構想していた^{[ 11 ] 。}

理論上、無重力の球体という理想的な状況では、「真空気球」は水素充填気球よりも7%、ヘリウム充填気球よりも16%高い正味揚力を持つことになる。しかし、気球の壁は内破せずに剛性を保つ必要があるため、既知の材料で気球を製作することは現実的ではない。それにもかかわらず、この話題について議論されることがある。^{[ 12 ]}

気体ではないものの、空気よりも密度が低い超軽量エアロゲルを合成することは可能であり、これまでに記録された最も軽いエアロゲルは空気の約 1/6 の密度に達している。 ^{[ 13 ]}エアロゲルは、エアロゲルの微細構造の細孔に空気が満たされているため、常温では浮遊しない。そのため、エアロゲルの見かけの密度は、エアロゲル材料の密度と内部に含まれる空気の密度の合計となる。2021 年、研究者グループは、ハロゲンランプで加熱することにより、一連のカーボンエアロゲルを浮遊させることに成功した。これは、エアロゲルの多孔質の微細構造に閉じ込められた空気の密度を低下させる効果があり、エアロゲルを浮遊させることができた。^{[ 14 ]}