Ist der „Wasserstoffballon“ mit Wasserstoff oder Helium gefüllt?

Wenn ich an meine Kindheit zurückdenke, sind Ballons immer ein Teil meiner Gedanken. In den Szenen, die mir in Erinnerung geblieben sind, ob im Park oder auf der Straße, gibt es immer Verkäufer, die Ballons mit einem wolkenähnlichen Comic-Ballon auf dem Kopf verkaufen und dabei langsam rufen.

Von den Klassikern Mickey Mouse und Calabash Brothers über Blue Cat und Naughty bis hin zu Pleasant Goat und Peppa Pig – die Leute, die Ballons verkaufen, scheinen immer zu wissen, was Kindern am besten gefällt.

Bildquelle: Fotografiert vom Autor

Alle gaben diesen „kleinen Freunden“ aus der Kindheit einen einheitlichen Namen: „Wasserstoffballons“ .

Viele aufmerksame Freunde fragen sich vielleicht, warum Wasserstoffballons in der Luft schweben können, die Ballons, die wir mit dem Mund aufblasen oder mit einer Luftpumpe aufpumpen, aber nicht schweben können?

Möchten Sie die Antwort wissen? Heute werde ich Ihnen gleichzeitig die Vergangenheit und Gegenwart von Wasserstoffballons näherbringen .

Teil 1

Vergangenheit und Gegenwart von Wasserstoffballons

Die Ansprüche von Kindern sind oft einfach: „Über ihren Köpfen schweben zu können“ ist ihre höchste Anforderung an einen geeigneten Wasserstoffballon. Wasserstoffballons haben in der Geschichte jedoch mehr getan, als nur über den Köpfen zu schweben. Sie hatten auch die Funktion, Personen und Fracht zu transportieren .

Der erste Wasserstoffballon der Welt entstand im Jahr 1780. Er wurde vom französischen Chemiker Braque hergestellt, indem er Wasserstoff in die Blase eines Schweins füllte.

Der weltweit erste Wasserstoffballonflug ohne Passagiere oder Fracht wurde im August 1783 von Professor Jacques Charles geplant und durchgeführt. Am 1. Dezember 1783 unternahmen Jacques Charles und Nicolas-Louis Robert ihren zweiten bemannten Flug in einem Wasserstoffballon.

Im Laufe der Zeit haben sich die Arten und Einsatzmöglichkeiten von Wasserstoffballons ständig erweitert. Es gibt kommerzielle Wasserstoffballons, die für schwebende Werbebanner verwendet werden, Wasserstoffballons zur meteorologischen Höhenerkennung und kleine Latex-Wasserstoffballons für Festivals und Spielzeug.

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Doch egal, wofür der Wasserstoffballon verwendet wird, sein Füllgas besteht eigentlich nur aus Wasserstoff und Helium. Das stimmt, auch wenn es sich um einen Wasserstoffballon handelt, kann gelegentlich Helium als Füllgas verwendet werden.

Der Grund für die Wahl dieser beiden Gase liegt im Schwebeprinzip von Wasserstoffballons sowie den physikalischen und chemischen Eigenschaften der Gase.

Teil 2

Das Schwebeprinzip von Wasserstoffballons

Nach dem archimedischen Gesetz (auch als Auftriebsgesetz bekannt) unterliegt ein in eine Flüssigkeit oder ein Gas eingetauchter Gegenstand einer nach oben gerichteten Auftriebskraft, die dem Gewicht der vom Gegenstand verdrängten Flüssigkeit oder des Gases entspricht .

Insbesondere wenn der Ballon mit einem Gas geringerer Dichte gefüllt wird, dehnt sich sein Volumen aus und verdrängt die Luft, und das Gewicht der verdrängten Luft ist der Auftrieb des Ballons (das schematische Diagramm ist unten dargestellt).

Diagramm zum Prinzip des Schwebens eines Wasserstoffballons (vom Autor erstellt)

Da Luft mit geringer Dichte leichter ist als Luft mit gleichem Volumen, ist die Gesamtgravitation auf dem Ballon selbst unter Berücksichtigung des Gewichts der Außenhaut des Ballons geringer. Dadurch ist der Auftrieb größer als die Schwerkraft, der Ballon steigt auf und fliegt immer höher.

Welche Art von Gas kann also einen Ballon schweben lassen?

Schauen wir uns zunächst die Standarddichte gängiger Gase an (Einheit: kg/Kubikmeter)

In der obigen Tabelle sind einige gängige Gase mit einer geringeren Dichte als Luft (1,29 kg/m3) aufgeführt, darunter Wasserstoff, Helium, Ammoniak und Methan, die offensichtlich leichter als Luft sind.

Theoretisch gesehen kann der Ballon tatsächlich problemlos schweben, solange die oben genannten Gase in ihn eingefüllt sind. Allerdings sind einige Gase aufgrund ihrer Eigenheiten nicht als Füllgase geeignet.

Ammoniak hat einen starken, reizenden Geruch und wird leicht von der Haut, den Schleimhäuten und der Bindehaut absorbiert, was zu Reizungen und Entzündungen führt. Als Ursache für den Gestank in Toilettenkanälen ist das Einfüllen von Ammoniak in Luftballons wahrlich keine angenehme Angelegenheit.

Methan ist der Hauptbestandteil von Haushaltserdgas. Es ist ebenso brennbar und explosiv wie Wasserstoff, aber viel schwerer als Wasserstoff. Daher besteht das Füllgas der auf dem Markt erhältlichen schwimmfähigen „Wasserstoffballons“ häufig aus Wasserstoff und Helium .

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Wasserstoff und Helium sind die beiden am häufigsten vorkommenden Elemente im Universum, ihr Anteil in der Erdatmosphäre ist jedoch äußerst gering. Laut Statistik entweichen von unserem Planeten jährlich etwa 95.000 Tonnen Wasserstoff und etwa 1.600 Tonnen Helium durch atmosphärische Entweichungen ins Universum.

Da die Erde jedoch reich an Wasser und verschiedenen wasserstoffhaltigen Verbindungen ist, ist es glücklicherweise eigentlich nicht schwer, Wasserstoff zu gewinnen. Da Helium jedoch ein Edelgas ist, bildet es nur schwer Verbindungen mit anderen Elementen, sodass die Möglichkeiten zur Gewinnung von Helium begrenzt sind.

Die gesamte Lithosphäre produziert jedes Jahr schätzungsweise 3.000 Tonnen Helium, das oft durch Erdgas aufgefangen und angereichert wird. Der Mensch kann Helium durch den Abbau von Erdgas trennen und reinigen. Helium ist eine nicht erneuerbare Ressource und natürliches Helium ist derzeit die einzige Quelle für die industrielle Heliumproduktion, was zu einer weltweiten Verknappung der Heliumressourcen geführt hat.

Helium ist eines der seltenen strategischen Materialien, das im Militär, in der wissenschaftlichen Forschung, in der Medizin, in der Industrie und in anderen Bereichen eingesetzt wird. Sein Preis ist weit höher als der von Wasserstoff.

Obwohl Helium sicherer ist, besteht das Füllgas der auf dem Markt erhältlichen „Wasserstoffballons“ aus Kostengründen immer noch zum größten Teil aus echtem Wasserstoff .

Teil 3

Wasserstoff ist gefährlich, bitte seien Sie vorsichtig beim Spielen

Hinter diesen schönen, mit Wasserstoff gefüllten Ballons verbergen sich tatsächlich enorme Sicherheits- und Umweltrisiken. In den letzten Jahren wurde in den Nachrichten häufig über Fälle von Verletzungen und Todesfällen durch Explosionen von Wasserstoffballons berichtet.

Nachrichtenberichten zufolge fiel im Jahr 2014 während der Eröffnungszeremonie eines Einkaufszentrums an einem bestimmten Ort ein Wasserstoff-Werbeballon ab und schwebte in ein Hunderte von Kilometern entferntes Gebiet. Nachdem ein Kind den Ballon entdeckt hatte, nahm es ihn mit nach Hause. Einige Tage später explodierte der Ballon und verursachte den Einsturz eines Hauses. Dies führte zu einer Tragödie, bei der zwei Menschen getötet und drei verletzt wurden.

Wasserstoff ist brennbar und explosiv und seine Explosionsgrenze in der Luft liegt zwischen 4 % und 75 %. Das bedeutet, dass, solange der Wasserstoffgehalt in der Luft diesen Bereich erreicht, selbst bei einer leichten offenen Flamme eine Explosion auftritt.

Noch beunruhigender ist die Tatsache, dass der Wasserstoff in Wasserstoffballons im wirklichen Leben sehr leicht austreten kann und kein offenes Feuer erforderlich ist. Schon die elektrischen Funken, die durch die statische Elektrizität entstehen, die durch die Reibung des Gummis entsteht, reichen aus, um den Wasserstoffballon zu entzünden oder zu sprengen.

Darüber hinaus ist der in vielen Wasserstoffballons eingefüllte Wasserstoff nicht rein genug und es kann sein, dass beim Füllvorgang eine kleine Menge Luft eingemischt wird, was die ohnehin schon gefährliche Situation noch gefährlicher macht.

Tatsächlich haben die Nationale Wetterbehörde und andere Abteilungen bereits im Juli 2006 gemeinsam die „Mitteilung zur weiteren Stärkung des Sicherheitsmanagements beim Steigenlassen von Ballons“ herausgegeben, in der sie die Verwendung von Inertgasen anstelle von brennbaren und explosiven Gasen wie Wasserstoff als Füllung für Steigenlassen von Ballons befürworten, um Sicherheitsrisiken zu verringern .

Im Allgemeinen ist Helium als Edelgas äußerst stabil und wird im Gegensatz zu Wasserstoff in Ihrer Nähe nicht zu einer Zeitbombe. Und seine Dichte ist auch gering genug, um Wasserstoffballons ausreichend Auftrieb zu verleihen.

Aus Sicherheitsgründen sollten Sie daher beim Kauf von Wasserstoffballons mit Helium gefüllten Wasserstoffballons den Vorzug geben. Gleichzeitig müssen Sie auch die Kinder in Ihrer Umgebung auf die Gefahren aufmerksam machen und versuchen, sich von Wasserstoffballons fernzuhalten.

Quellen:

[1]Austerfield, PJ Von heißer Luft zu Wasserstoff: Befüllen und Fliegen der ersten Gasballons. [J]Endeavor,1990,14(4):194–200.

[2] Zartman, RE; Wasserburg, GJ; Reynolds, JH Helium, Argon und Kohlenstoff in Erdgasen" (J). Journal of Geophysical Research. 1961, 66(1): 277–306.

[3] Liu Jianxiang. Über das sichere Starten von Wasserstoffballons[J]. Umweltschutz, 2016, 3.

Produziert von: Science Popularization China

Autor: XY (Dalian Institute of Chemical Physics, Chinesische Akademie der Wissenschaften)
Produzent: Computer Network Information Center der Chinesischen Akademie der Wissenschaften Herausgeber: Wang Tingting

Der Artikel gibt nur die Ansichten des Autors wieder und repräsentiert nicht die Position der China Science Expo

Dieser Artikel wurde zuerst in der China Science Expo (kepubolan) veröffentlicht.

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