ガスの揚力

浮上ガスまたは空気より軽いガスは、通常の大気中のガスよりも密度が低く、その結果として空気より上に上昇するガスであり、空気より軽い航空機を浮上させるのに役立ちます。空気より軽い特定のガスのみが浮上ガスとして適しています。乾燥空気の密度は、標準温度および圧力(STP) で約 1.29 g/L (グラム/リットル) で、平均分子量は 28.97  g/molです^[1]。したがって、空気より軽いガスの密度はこれよりも低くなります。

レクリエーション用の気球飛行では、加熱された大気が頻繁に使用されます。理想気体の法則によれば、気体（および空気などの気体の混合物）は加熱されると膨張します。その結果、一定量の気体は温度が高いほど密度が低くなります。気球内の熱い空気の温度は周囲の温度によって異なりますが、ほとんどの気球の最大連続動作温度は250°F（121°C）です。^[2]

水素は、存在するガスの中で最も軽い（空気の密度の 7%、標準温度で 0.08988 g/L）ため、揚力に最も適したガスであると思われます。水素は、水性ガス転化反応や電気分解などにより、簡単に大量に生産できますが、水素にはいくつかの欠点があります。

• 水素は非常に可燃性が高い。一部の国では、商用車の浮上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飛行には許可されている。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頻繁に引用されている。ヘリウムのコストが水素に比べて非常に高いため、研究者は、特に乗客を乗せず、人口密集地域から離れた場所に配備される車両の場合、浮上ガスとして水素を使用することの安全性の問題を再調査することになった。優れたエンジニアリングと適切な取り扱い方法により、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透過し、風船はすぐにしぼんでしまいます。これが、多くの水素またはヘリウムを充填した風船がマイラー/BoPETで作られている理由の1つです。^[3]

ヘリウムは 2 番目に軽いガスです (標準温度で 0.1786 g/L)。そのため、持ち上げるガスとしても魅力的です。

このガスの大きな利点は不燃性であることです。しかし、ヘリウムの使用にはいくつかの欠点もあります。

• 拡散の問題は水素と共有されています（ただし、ヘリウムの分子半径（138 pm）は水素よりも小さいため、ヘリウムは水素よりも多くの物質に拡散します^[4]）。
• ヘリウムは高価です。
• 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。商業的に採算が取れる埋蔵量は、地球内部の放射性物質のゆっくりとしたアルファ崩壊からヘリウムを閉じ込めた、主に米国にある数か所の天然ガス井のみです。人間の基準では、ヘリウムは再生不可能な資源であり、他の材料から製造することは事実上不可能です。大気中に放出されると、たとえばヘリウムを充填した風船が漏れたり破裂したりすると、ヘリウムは最終的に宇宙に逃げて失われます。

過去には、水素、一酸化炭素、そ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] [より良い情報源が必要]}石炭ガス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）、可燃性がある^[6] 、一酸化炭素含有 量が高い^{[7]ことが挙げられます。}

アンモニアは気球の浮上ガスとして使用されていますが^[8]、安価である一方で比較的重く（標準温度での密度0.769 g/L、平均分子量17.03 g/mol）、有毒で刺激性があり、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。

メタン（標準温度での密度0.716 g/L、平均分子量16.04 g/mol）は、天然ガスの主成分であり、水素やヘリウムが利用できない場合に浮上ガスとして使用されることがある。^[要出典]メタンには、水素やヘリウムなどのより小さな分子ほど急速には気球の壁から漏れないという利点がある。空気より軽い気球の多くは、そのような漏れを制限するアルミニウム加工プラスチックで作られている。一方、水素とヘリウムはラテックス気球から急速に漏れる。しかし、メタンは可燃性が高く、水素と同様に旅客を乗せた飛行船での使用には適していない。また、比較的密度が高く、強力な温室効果ガスでもある。

上記の解決策のいくつかを組み合わせることも可能です。よく知られている例としては、ヘリウムの芯と熱気球の外殻を組み合わせた ロジエール気球があります。

気体状態の水は、窒素ガス（N ₂ ）などの一般的な大気ガスと比較した場合の水のモル質量が低いため、空気よりも軽い（標準温度での密度0.804 g/L、平均分子量18.015 g/mol）。不燃性で、ヘリウムよりもはるかに安価です。したがって、蒸気を使用して浮上するという概念は、すでに200年前から存在しています。最大の課題は常に、それに耐えられる材料を作ることでした。2003年、ドイツのベルリンの大学チームが150℃の蒸気で浮上する気球の作成に成功しました。^[9]しかし、このような設計は、沸点が高く、凝縮するため、一般的には非実用的です。

フッ化水素は空気より軽く、理論的には揚力ガスとして使用できます。しかし、フッ化水素は極めて腐食性が高く、毒性が高く、高価で、他の揚力ガスより重く、沸点が 19.5 °C と低いため、使用は現実的ではありません。

アセチレンは空気より 10% 軽く、浮上ガスとして使用できます。しかし、非常に可燃性が高く、浮上力が低いため、あまり好ましい選択肢ではありません。

空気より 7% 軽いシアン化水素は、沸点 25.6 °C 以上の温度で浮上ガスとして使用することが技術的に可能です。しかし、毒性が強く、浮力が低く、沸点が低いため、そのような用途には使用されていません。

ネオンは空気より軽く（標準温度での密度 0.900 g/L、平均原子質量 20.17 g/mol）、風船を持ち上げることができます。ヘリウムと同様に不燃性です。ただし、地球上では希少で高価であり、重量のあるガスの 1 つです。

純粋な窒素は、空気の主成分であるため、 不活性で豊富に存在するという利点があります。しかし、窒素は空気よりわずか 3% 軽いため、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、密度は空気より 3% 低い。しかし、窒素とは異なり、エチレンは可燃性が高く、はるかに高価なため、揚力ガスとして使用することは極めて非現実的である。

ジボランは分子窒素よりわずかに軽く、分子量は 27.7 です。しかし、自然発火性であるため、水素よりもさらに大きな安全上の危険があります。

理論的には、気球は真空または部分的な真空を利用するように作ることができます。最初の有人熱気球飛行より1世紀以上前の1670年にはすでに、^[10]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ました。

理論上、無重力の球体で完璧な状況では、「真空気球」は水素を充填した気球よりも 7% 高い正味揚力を持ち、ヘリウムを充填した気球よりも 16% 高い正味揚力を持つ。しかし、気球の壁は破裂することなく堅固なままでなければならないため、既知の材料で気球を造るのは現実的ではない。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。^[11]

気体ではないが、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が可能で、これまでに記録された最も軽いものは、密度が空気の約6分の1に達している。^[12]ただし、エアロゲルは、エアロゲルの微細構造の細孔に空気が充填されているため、常温では浮きません。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合計になります。2021年、研究者グループは、一連のカーボンエアロゲルをハロゲンランプで加熱して浮遊させることに成功しました。これにより、エアロゲルの多孔質微細構造に閉じ込められた空気の密度が低下し、エアロゲルが浮くようになりました。^[13]

最も一般的に使用されるリフトガスは 水素とヘリウムです。ヘリウムは（二原子）水素の 2 倍の重さがありますが、どちらも空気よりはかなり軽いです。

空気中の水素とヘリウムの揚力は、浮力の理論を使用して次のように計算できます。

したがって、ヘリウムの密度は水素のほぼ 2 倍です。ただし、浮力は密度の比率ではなく、密度の差(ρ _gas ) − (ρ _air ) によって決まります。したがって、浮力の式からわかるように、浮力の差は約 8% です。

F _B = (ρ_空気- ρ_ガス) × g × V

ここで、F _B = 浮力（ニュートン）、g =重力加速度= 9.8066 m/s ² = 9.8066 N/kg、V = 体積（m ³）。したがって、海面で水素が空気中で持ち上げることができる質量は、水素と空気の密度差に等しく、次のようになります。

(1.292 - 0.090) kg/m ³ = 1.202 kg/m ³

海面の空気中における水素 1m ³の浮力は次のようになります。

1m3 × ^1.202kg /m3 ^× 9.8N/kg=11.8N

したがって、海面でヘリウムが空気中に持ち上げることができる質量は次のようになります。

(1.292 - 0.178) kg/m ³ = 1.114 kg/m ³

海面上の空気中におけるヘリウム 1 m ³の浮力は次のようになります。

1m3 × ^1.114kg /m3 ^× 9.8N/kg=10.9N

したがって、ヘリウムと比較した水素の追加浮力は次のようになります。

11.8 / 10.9 ≈ 1.08、または約8.0%

この計算は海面 0 °C でのものです。高度が高かったり、気温が高かったりすると、揚力は空気の密度に比例して減少しますが、水素とヘリウムの揚力の比率は同じままです。この計算には、揚力ガスを保持するために必要なエンベロープの質量は含まれていません。

高度が高くなると気圧が低くなり、したがって気球内の圧力も低くなります。つまり、一定の揚力に対する揚力ガスの質量と押しのけられた空気の質量は低高度と同じですが、気球の容積は高度が高くなると大幅に大きくなります。

極限の高さ (成層圏)まで上昇するように設計された気球は、必要な量の空気を押しのけるために、非常に大きく膨張できなければなりません。そのため、写真でわかるように、このような気球は打ち上げ時にほとんど空っぽのように見えます。

高高度気球飛行の別のアプローチとして、特に長時間飛行に使用されるのが、スーパープレッシャー気球です。スーパープレッシャー気球は、気球内部の圧力を外部（周囲）圧力よりも高く維持します。

水とガスの密度差は非常に大きいため (水の密度はほとんどのガスの約 1,000 倍)、水中のガスの浮力は非常に強力です。ガス間の相対的な差は水の密度に比べて無視できるほど小さいため、使用するガスの種類はほとんど重要ではありません。ただし、一部のガスは高圧下で液化し、浮力が急激に失われることがあります。

水中に沈んだ気球が浮上すると、上昇中に継続的にガスを逃がすか、気球が圧力の変化に耐えられるほど頑丈でない限り、圧力の大幅な低下により膨張したり、さらには爆発したりします。

ダイバーは、水中考古学や難破船の引き揚げの際に、大砲や船全体などの重い物を持ち上げるために、空気を充填したリフティングバッグ（逆さまのバッグ）を使用します。空気は、ダイビングシリンダーから供給されるか、水面上のダイバーの船からホースを通じて送り込まれます。

潜水艦は、浮力を調整するためにバラストタンクとトリムタンクに空気を入れて使用するため、本質的には水中の「飛行船」となります。バチスカーフは、ガソリンを「浮上ガス」として使用する深海潜水艇の一種です。

風船は、風船自体よりも平均密度が高い媒体がある場合にのみ浮力を持ちます。

• 月には大気がほとんどないため、気球は月では機能しない。 ^[14]
• 火星の大気は非常に薄く、圧力は地球の大気圧のわずか1/160しかないため、わずかな揚力効果を得るだけでも巨大な気球が必要になる。そのような気球の重量を克服するのは難しいが、気球で火星を探査する提案がいくつかなされている。^[15]
• 金星には_{二酸化炭素の}大気があります。_{二酸化炭素は}地球の空気より約 50% 密度が高いため、通常の地球の空気が金星の浮遊ガスとして働く可能性があります。このため、圧力と温度が地球と同程度の高度で金星の大気中に浮かぶ人間の居住地の提案が生まれました。1985 年、ソ連のベガ計画により、高度 54 km (34 マイル) の金星の大気中に 2 つのヘリウム気球が展開されました。
• 土星最大の衛星タイタンは、気球飛行に適した、主に窒素からなる濃密で非常に冷たい大気を持っている。タイタンでエアロロボットを使用することが提案された。タイタン土星システムミッションの提案には、タイタンを周回する気球が含まれていた。

2002年、エアロゲルは最も密度の低い（軽い）固体としてギネス世界記録に認定されました。 ^{[16]エアロゲルは、その構造が真空度の高い}スポンジに似ているため、大部分が空気です。軽くて密度が低いのは、主に固体内の空気の割合が高いためであり、シリコン構成材料によるものではありません。^[17]この利点を生かして、エアロゲルと同じファミリーですが寒天から作られたSEAgelにヘリウムガスを充填すると、高密度ガスで満たされた上部の開いた容器に置くと浮く固体を作成できます。^[18]

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• 空気より軽い物質 - 概要
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