太陽気球

ソーラーバルーンは、内部の空気が太陽放射によって加熱されると浮力を得るバルーンであり、通常は黒または暗色のバルーン素材が使用されます。ソーラーバルーン内の加熱された空気は膨張し、周囲の空気よりも密度が低くなります。そのため、ソーラーバルーンは熱気球に似ています。ソーラーバルーンは主に玩具市場で使用されていますが、火星の調査に使用することが提案されており、一部のソーラーバルーンは人間が飛行できるほどの大きさです。上部の通気口を開けて熱気を放出し、降下や収縮を行うことができます。

気球内部の空気の温度を上げると、気球の密度は周囲の空気よりも低くなります。気球は浮力によって浮きます。この力は、物体が水中にあるときに働く力と同じで、アルキメデスの原理で説明されます。熱気球によって得られる揚力 (または浮力)の量は、主に気球内部の空気の温度と気球外部の空気の温度の差によって決まります。

^{様々な温度に加熱された乾燥空気 100,000 ft 3} (2831.7 m ³ )によって生成される揚力は、次のように計算できます。

20 °C、68 °F での空気の密度は約1.2 kg/m ³です。100,000 立方フィートの気球を 99 °C、210 °F に加熱した場合の総揚力は 1595 lbf、723.5 kgf になります。実際には、添付の熱画像が示すように、気球の内側の空気はすべて同じ温度ではありません。そのため、これらの計算は平均に基づいています。

一般的な大気条件 (20 °C、68 °F) では、99 °C、210 °F に加熱された熱気球は、1 kg (62.5 cu ft/lb) を持ち上げるために、約 3.91 m ³の気球外皮容積を必要とします。提供される揚力の正確な量は、前述の内部温度だけでなく、外部温度、海抜高度、周囲の空気の湿度によって異なります。暖かい日には、バルーンは涼しい日ほどは揚力がありません。これは、打ち上げに必要な温度が気球外皮の生地で維持できる最大温度を超えるためです。また、低層大気では、熱気球による揚力は、高度が 1,000 メートル上がるごとに約 3% (1,000 フィートごとに 1%) 減少します。^[1]

日射量は、特定の時間に特定の表面積が受け取る太陽放射エネルギーの尺度です。これは通常、平均放射照度として平方メートルあたりのワット数 (W/m2) で表されます。直接日射量は、拡散日射 (空の大気成分によって散乱または反射される太陽放射)を除いた、太陽光線に対して垂直な表面要素を持つ地球上の特定の場所で測定された太陽放射照度です。直接日射量は、太陽定数から吸収と散乱による大気損失を差し引いたものに等しくなります。太陽定数は地球と太陽の距離と太陽周期によって変化しますが、損失は時刻 (太陽の仰角に応じた大気中の光路の長さ)、雲量、水分含有量、およびその他の不純物によって異なります。

一年を通して地球の大気圏上層に到達する平均太陽放射は、およそ1,366ワット/平方メートルです^{[2] [3]}（太陽定数を参照）。放射パワーは電磁スペクトル全体に分布していますが、そのほとんどはスペクトルの可視光部分にあります。太陽光線は大気圏を通過する際に減衰するため、晴れた日の海面で太陽光線に垂直な地表での日射量はおよそ1,000ワット/平方メートルに減少します。

黒体はそれに当たるすべての放射線を吸収します。現実世界の物体は灰色の物体で、その吸収率は放射率に等しくなります。黒いプラスチックの放射率は約 0.95 で、当たるすべての放射線の 95 パーセントが吸収され、残りの 5 パーセントが反射されることを意味します。

^{[確認が必要]}

風船を球体として想像すると、この球体が受ける太陽光は、この球体と同じ半径を持つ円筒の断面として想像できます (図を参照)。この円の面積は次のように計算できます。${\displaystyle \mathrm {\pi } r^{2}\ }$

たとえば、直射日光が 1000 W/m ²の晴れた日に、黒いプラスチックの外皮を持つ半径 5 メートルの球形の太陽風船が受け取るエネルギーは、まずその大円の面積を計算することで推定できます。

${\displaystyle \mathrm {面積} =\pi \times (5m)^{2}\approx 78{.}54m^{2}}$

次に、これにプラスチックの放射率と太陽の直接日射量を掛けます。

78.54 * 0.95 * 1000 = 74,613 ワット

国際標準大気（ISA）の海面温度15℃では、空気の密度はおよそ1.22521 kg/m ³です。空気の密度は温度が上昇するにつれて減少し、 5Kあたり約20グラム/m ³の割合で減少します。1キログラムの乾燥空気を1ケルビン加熱するには、約1キロジュールのエネルギーが必要です（熱容量を参照）。したがって、1m ³の空気（海面、15℃）の温度を5℃上げるには、約5℃ * 1キロジュール/（キログラム*ケルビン）* 1.225キログラム = 6.125キロジュールが必要です。これにより、1m ^{3の空気の質量が約24グラム}減少します。晴れた日に、黒体表面が太陽に対して垂直で熱損失がない場合、これには6秒強かかります。

以下は、太陽気球の周囲に境界線を引いたときの太陽気球のエネルギー損失率のエネルギーバランス方程式です。太陽気球は、対流による熱伝達と放射による熱伝達を経験します。

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  太陽気球のエネルギーバランス方程式

Ėout= tσπr ² (TS4-TF4) + hπr ² (TS-TF)

Tds=du+PdV

Δs = ∫(cv/T)dT + Rgasln(V2/V1)

Δs = cvln(T2/T1)

対流、放射、伝導によって気球から失われるエネルギーが、太陽からの放射によって受け取るエネルギーと等しくなったときに、システムは平衡状態になります。

1972年、イギリスの建築家であり、多くの太陽光発電設備やプロジェクトの発明者であるドミニク・ミカエリスが、透明な外面と暗くて熱を捕らえる内壁を持つ最初のソーラーバルーンを発明し、建造しました。^{[4] [5]}

1973年5月1日、トレイシー・バーンズが「バーンズ・ソーラー・ファイアフライ・テトラヘドロン」という気球で人類初の有人飛行を行なった。この気球は、四面体の形に成形された螺旋状の布の管で作られていた。ドミニク・ミカエリスは、ヨーロッパ初の純粋な太陽気球を所有していたと記録されている。この気球は、ジュリアン・ノットによってイギリス海峡を横断して飛ばされた。FAIの収集した記録によると、1978年2月6日にはイラン人のフレデリック・エスーもサンスタットという気球で太陽飛行を行っている。これは標準的な気球設計を採用していたが、片側に透明プラスチックを使用していたため、太陽の放射が内面で反射し、内部の空気を温めることができた。^[6]

最初の 100% 太陽気象探査機である Ballon ORA は、学生、科学者、エンジニアの合同チームによって、2011 年 1 月にフランス領南極の デュモン・デュルヴィル基地から打ち上げられました。その目的は、浮上ガス、ヘリウム、水素の使用を節約することが重要な遠隔地での探査機として太陽気球を使用することの実現可能性を評価することでした。飛行は成功し、高度 46,000 フィート (14,000 m) に近づきました。節約できるのは浮上ガス自体だけではありません。ORA 気球は、重いガス容器の輸送の必要性を軽減します。^[7]

カリフォルニア工科大学のジェット推進研究所は、太陽系のいくつかの惑星と衛星での太陽気球の使用に関する研究を実施し、火星、木星、土星では実行可能な選択肢であると結論付けました。^[8]

地方または国の空域当局による計画および空域許可が必要になる場合があります。

有人飛行には特別なリスクが伴います。予期せぬ雲は、予備燃料のない通常の熱気球飛行と同様に、重大なリスクをもたらします。太陽熱気球は冷却時に急降下する可能性があるため、バラストが非常に重要です。

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  ゴミ袋で作ったチューブ型のソーラーバルーン
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• 太陽熱気球の歴史と現在の発展
• EOSS-43：「火星マイクロバルーン探査機」火星での太陽気球利用の研究
• 「自分で作って飛ばそう」。2011年8月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。
• ソーラーバルーンを登録し、追跡タグを印刷する
• 英語コンテンツのあるフランス語サイト
• 1982年4月、ポピュラーメカニクス誌に掲載されたイギリス海峡上空飛行に関する記事