donderdag 26 september 2013

Theorie en praktijk van de koudeluchtballon

Hoofdstuk 1 De principes

Warme lucht stijgt op ten opzichte van koudere lucht omdat warme lucht een lager soortelijk gewicht heeft dan koude lucht. Dit wordt veroorzaakt door de natuurkundige eigenschappen die "warmte" heeft. Deze eigenschappen laten zich het makkelijkst samenvatten met het woord: beweging. De atomen waaruit warme stoffen bestaan bewegen zich gepassioneerder dan die van koude stoffen die op kantoor zitten. Bij een gas resulteert dit in een "uitrekking" van de stof: de atomen begeven zich, gestuwd door hun snelheid, verderaf van elkaar. De gevolgen zijn, bijvoorbeeld, dat in een gesloten vat bij verhitting de druk toeneemt, en bij een niet gesloten of een (in het geval van de ballon) rekbaar vat de omvang van een gelijk blijvende massa toeneemt. Volgens de eenvoudige wetten van het soortelijk gewicht volgt hieruit dat, bij een gelijke massa en een groter volume, dit soortelijk gewicht afneemt. De drukwetten van de Engelsman Boyle voorspellen dat een lichaam met een lager soortelijk gewicht dan de omgeving, stijgen zal. Een lichaam met een hoger soortelijk gewicht zal dalen. Zo zal het lichaam van een spijker vallen in lucht, maar na verdamping van de spijker zal de spijkerdamp, die immers een veel groter volume inneemt, opgevangen bijvoorbeeld in een ballon, bij voldoende verhitting opstijgen. Wel wordt men met onthutste klem gewaarschuwd een dergelijk experiment niet thuis uit te voeren, want de temperaturen benodigd om spijkerdamp zodanig te verhitten dat het opstijgt in de aardse atmosfeer, loopt in de duizenden graden. Het materiaal van een ballon die volgens het zogenaamde spijkerdampprincipe werkt zou dan ook van wolfraamdraad of een tot op heden nog onbekende, extreem hittebestendige koolstofvezel gemaakt moeten zijn. (Zie overigens verder een volgende natuurwetenschappelijke bijdrage, waarin we dieper zullen ingaan op de theorie en praktijk van de spijkerdamp-, de looddamp- en de lijkendampballon)

De praktijk

Tot op heden begaf men zich hemelwaarts in zogenaamde "heteluchtballonnen", ogenschijnlijk een logische toepassing van het hierboven geschetste principe. Toch kleven aan deze vervoermiddelen enige belangrijke bezwaren. Doordat men de lucht binnen in de ballon verhitten moet, dient men te zweven met een constant vuurtje in de gondel, een omstandigheid die niet alleen gevaarlijk is (men kan zich namelijk onaangenaam verbranden aan het vuur van dergelijke helsche machines!), maar bovendien bij warm weer, bijvoorbeeld in Senegal, uiterst oncomfortabel. Hiertegenover zij toegegeven dat de heteluchtballon bij koud weer zeer prettig is, precies vanwege de aanwezigheid van een warmtebron in de gondel.

Niettemin werd alom de roep om een alternatief voor die eeuwige heteluchtballon steeds groter. Men wil ook weleens buiten de winter een eindje zweven, nietwaar?

Vandaar dat we u vandaag met enige trots ons geesteskind kunnen presenteren: de koudeluchtballon!

De Koudeluchtballon

De principes van het soortelijk gewicht blijven ook bij deze gloednieuwe uitvinding geheel overeind. Hoog soortelijk gewicht stijgt ten opzichte van laag soortelijk gewicht, maar bij de koudeluchtballon is het niet de bedoeling om de inhoud van de ballon te verhitten, maar juist om de omgeving ervan drastisch te verkoelen. Men zal gemakkelijk inzien dat een dergelijke technische prestatie uiteindelijk een volstrekt identiek gevolg zal hebben. De verhoudingsgewijs warme ballon zal in de koude lucht opstijgen, en trompetters, in de gondel van de ballon gestapt, zullen als engelen over de lege, tandenknarsende vlaktes bazuinen dat het een lust is.

Het grote voordeel is evident: doordat de binnenkant van de ballon nu niet langer verhit behoeft te worden, heeft men geen verwarmingselement meer nodig en kan men zich niet meer lelijk bezeren aan de verzengende vlammen. Wel moet men de ballon afsluiten om te voorkomen dat de (relatief) warme lucht uitstroomt (dat zou een aardige illustratie van het principe van de raketmotor zijn, zie ook daarover in een latere bijdrage), en men heeft, door het ontbreken van het verwarmingselement meer ruimte in de gondel, zodat men een paar passagiers mede kan nemen om de wereld rustig vanuit de hemel te beschouwen, en aldus de gehele onderneming wellicht zelfs financieel rendabel zou kunnen maken!

Praktische Problemen

Ogenschijnlijk moet het uiterst eenvoudig zijn, koelelementen om een luchtzak aan te brengen. Toch brengt het reizen per koudeluchtballon enige onverwachte problemen met zich mee.

Het eerste en belangrijkste probleem is dat van de isolatie. Veel meer dan in een heteluchtballon moet bij een koudeluchtballon het binnenste van de luchtzak goed geïsoleerd zijn. Bij een slechte isolatie wordt namelijk het binnenste verkoeld, en niet het buitenste. Dat is een proces dat niet meer tegen te houden zal zijn: door de verkoeling wordt de omvang van de ballon kleiner, waardoor de koelelementen (die wij in dit artikel postuleren als gelijkmatig over het oppervlak van de ballon verdeeld), elkaar naderen, zodat het koude-effect op het binnenste van de ballon verder toeneemt, zodat hij weer verder krimpt etc., etc. Onder ballonvaarders noemen wij dit een "vicieuze ballon".

Evenzo maakt het principe van de koudeluchtballon uiteraard gebruik van het principe van de "omgekeerde vicieuze ballon": bij voldoende verkoeling van de buitenlucht vergroot de ballon zich, zodat de koelelementen zich van elkaar verwijderen, zo ongeveer zoals de sterrenstelsels zich van elkaar verwijderen in ons fraaie, uitdijende heelal, die prijzenswaardige schepping van God. Om deze reden dus moet de huid van een koudeluchtballon uitstekend geïsoleerd zijn, als ware hij een soort thermosfles.

Dan is er het probleem van het bereik van de koelelementen. Een geringe verkoeling van de buitenlucht brengt met zich mee, dat die verkoeling ook slechts zeer lokaal zal zijn. Buiten een straal van enkele decimeters tot een meter is de lucht weer van een voor een mens normale temperatuur. De vraag is nu, welk van de twee modellen we als het meest plausibel zullen moeten aannemen (zie figuur 1).

Theoretici houden het erop dat de twee modellen beide foutief zijn. Door de aanvankelijke verwarming van het binnenst van de ballon stijgt de ballon, aldus onder zich een vacuüm veroorzakend. De koude lucht stroomt met kracht langs de ballon naar beneden en hoopt zich op onder het koudeluchtobject. Nu wordt duidelijk wat er gebeurt: door telkens een stukje te stijgen, duwt de ballon de lucht naar onder zich, zodat het onderste vacuüm opgevuld wordt, waardoor op zijn beurt boven op de ballon een nieuw vacuüm ontstaat, dat niet meer opgevuld kan worden door de koude omringende lucht (koude lucht stijgt niet, maar zakt). Zodoende zal het stijgingseffect van de ballon alleen nog maar toenemen. Om dit effect te versterken, dient de bovenzijde van de koudeluchtballon van aanzienlijk meer koelelementen voorzien te zijn dan de onderzijde. Mits op de juiste manier aangebracht, zal deze constructie, in een oneindig dikke dampkring, volgens de principes van het perpetuum mobile uiteindelijk noodzakelijkerwijze de lichtsnelheid bereiken.

(wordt vervolgd)

Geen opmerkingen:

Een reactie posten