Bij ons project is veel gas nodig. Bij het uitzoeken van bepaalde gassen is het belangrijk dat je denkt aan hoe licht het gas is (Dit heeft te maken met de dichtheid), hoe duur het gas is en hoelang het gas mee gaat (Diffundeert het door de wanden van de ballon).

 

Om een voorwerp, zoals een ballon te laten stijgen zijn veel mogelijkheden voor. Maar wij moesten rekening houden met de buitenlucht, temperatuur, atoommassa.

 

Gas is een woord met veel betekenissen. Gas is een van de aggregatietoestand waarin een stof zich kan bevinden. Daarnaast heb je ook de vloeibare en vaste fase van een vloeistof.

Maar je hebt ook veel verschillende soorten gas, gassen voor bijvoorbeeld verbranding:

Aardgas

Propaangas

Butaangas

Autogas of Ipg

Blaugas

Lichtgas

 

Bij het heffen van voorwerpen gaan wij een weersballon gebruiken.
Deze weersballon gaan wij vullen met een soort gas.
Om een ballon met gas te laten stijgen moet het gas heel licht zijn.
Het gas moet lichter zijn dan de buitenlucht.

 

Een luchtballonvaart maken doet men met behulp van warme lucht, dit zou niet goed zijn voor ons project omdat hele lucht na een tijdje afkoelt.

Volgens schattingen zal ons ballon tussen de 20 en 30 km hoogte komen. De temperatuur neemt af met de hoogte, bij droge lucht is de afname ongeveer 6 graad per 1000 meter, dit wordt steeds minder na mate het hoger gaat. Hete lucht zal daarom erg afkoelen en niet meer stijgen na een tijdje.

 

Andere lichte gassen dat gebruikt kan worden:

 

Neon is een gas met het symbool Ne en atoomnummer 10, dat maakt het lichter dan lucht en zal dus gaan stijgen. Neon is een Duur en zeldzaam product dus is niet zo effectief voor ons project.

Neon gas kan niet gezien worden met het bloten oog in zonlicht, maar is wel zichtbaar in  bijvoorbeeld een gasontlading lamp, zoals het plaatje op de volgende pagina is te zien.

 

 

 

Methaangas is een gas dat gebruikt kan worden in plaats van Helium of Waterstof.

Een voordeel van Methaangas is dat het moeilijk diffundeert door de wanden van de ballon, en dit zou heel handig zijn voor ons project. Want bij een ballonvlucht van 2 uur zal er gas gaan diffusere door de wanden van de ballon en gaat er dus gas verloren.

Nadelen van Methaangas is dat het brandbaar en niet licht genoeg is.

 

Dichtheid (kg·m−3)

0,1787

Kookpunt (K)

4,2

Aggregatietoestand

Gas

Verdampingswarmte (kJ·mol−1)

0,0845

Van der Waalse straal (pm)

140

Kristalstructuur

Hex

Molair volume (m3·mol−1)

32,07 (vloeibaar)

Geluidssnelheid (m·s−1)

970

Specifieke warmte (J·kg−1·K−1)

5193

Warmtegeleiding (W·m−1·K−1)

0,1513

 

Helium is de beste maar een van de duurdere opties die wij gaan gebruiken voor ons project. Omdat helium heel licht is (lichter dan lucht) en niet brandbaar is, is helium een goede keuze. Het enige nadeel is dat helium erg duur is vergeleken met andere gassen. De ballon gaan wij dus vullen met helium. Helium (He) is een hele lichte edelgas met atoomnummer 2. Het is dus de 2e stof op het periodiek systeem dat heel licht is.

 

Extra informatie helium (ook voor de berekeningen):

 

De hoeveelheid helium berekenen die nodig is:

Als eerst heb je wat informatie nodig van en weerballon, een weerballon is een grote ballon dat ook wel gebruikt wordt door het KNMI, voor bijvoorbeeld luchtmetingen.

De ballon is gemaakt van een flexibel Latex materiaal. Hierdoor is de kans dat zo’n ballon knapt kleiner dan een klein feest ballonnetje.

 

De snelheid waarmee de ballon stijgt heeft te maken met de hoeveelheid gas erin wordt gestopt. Het probleem is alleen dat de ballon op een lagere hoogte knapt omdat er meer volume in zit, hoe hoger de ballon de lucht in gaat hoe

meer druk er zal ontstaan, waardoor de ballon uitzet en uiteindelijk knapt.

 

We hebben even op internet gekeken naar verschillende ballonnen. Want elk ballon is groter waardoor er meer helium in kan. Hierdoor is er genoeg hef kracht voor onze payload.

 

Uiteindelijk hebben we gekozen voor de 1000 gram Hwoyee weerballon. Dit is een sterk en krachtige ballon die volgens voorspellingen 30 Km hoog komt.

Hieronder zie je een tabel met een groen vakje op de gekozen ballon. Je ziet dan op de linker kant van de tabel wat de bijhorende informatie is.

Waar wij vooral geïnteresseerd in zijn is de diameter bij het oplaten wat 197cm is, de diameter bij het knappen van de ballon wat 786cm is en de hoogte informatie, dit is 33,9Km. Maar dit is alleen bij een payload met een gewicht van 250 gram!

Daarom gaan we verder in dit boekje uitrekenen hoeveel helium wij nodig hebben om onze payload op te kunnen tillen.

Weerballon informatie:

 

 

 

Ons ballon gaat 1000 gram wegen. Dit een goede keuze omdat onze payload niet heel erg

zwaar is. Volgens het tabel, als je naar een reëel hoeveelheid kijkt, Heeft de ballon een diameter van 157cm bij het oplaten vanaf het aardoppervlakte.

 

Eerst moeten we kijken wat het gewicht is van helium. Helium weegt 0.1723 kg/m3 bij 10 graden Celcius, de droge lucht op zeeniveau om ons heen weegt rond de 1.28 kg/m3. Dit is terug te vinden in je Binas. We gaan nu kijken wat het verschil maakt dat helium lichter is dan lucht en dus een voorwerp kan optillen:

• 1 m3 Helium weegt 0,1723 kg

• 1 m3 Lucht weegt 1,247 kg
   

Het verschil van deze stoffen is: 1,247-0,1723= 1,0747 Kg is de hoeveelheid gewicht dat 1m3 helium kan tillen.

 

 

Om het verder te rekenen zodat je weet hoeveel m3 helium nodig is om 1Kg op te tillen is:

 

 

 

 

(1/1,0747 =0,9305m3 helium nodig om 1 Kg op te tillen.

 

Onze payload weegt 993  gram, de ballon weegt 1000 gram.

Samen is dit (993 gram + 1000 gram) 1993 gram (1,993Kg).

Dit betekend dat als we per Kg 0,9305m3 helium nodig hebben, moeten we het gewicht van ons product (1993 gram = 1,993Kg) vermenigvuldigen door 0,9305.

1,993 * 0,9305= 1,8544865m3 helium is nodig om onze payload en ballon, stil te laten hangen in de lucht.

 

We hebben net berekend dat als we 1,8544865m3 helium toevoegen in de ballon, dat onze payload + ballon stil hangt in de lucht.

Maar als het stil hangt in de lucht hebben we er niks aan. Daarom voegen we er een extra 1m3 helium aan te ballon toe, dit zorgt voor genoeg opwaartse kracht zodat de ballon met een goede snelheid de lucht in stijgt.

 

De hoeveelheid helium dat we dus nodig hebben is 1,8544865+ 1 = 2,8545 m3 helium

 

Verkrijgen van helium

 

Helium is redelijk duur, dit komt doordat het niet makkelijk te winnen is.

Daardoor hebben we gekeken of we helium op een goedkope of een gratis manier konden krijgen.

 

Op school vroegen we of we helium mogen gebruiken voor ons project. In het lab beneden hebben we een helium fles gevonden die geschikt is voor ons project:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Om te kijken of er nog genoeg helium in de fles zat hebben we een berekening gedaan.

 

Informatie die we hebben:

 

Dichtheid helium: 0,1723 kg/m3

Atoommassa helium: 4,0026 u

 

450 bar totaal in de fles waarvan 130 bar over.

48,3 kg fles

30,8 L inhoud

 

Nodig: 2,85 m3 helium  bij kamertemperatuur.

Dit is gelijk aan ongeveer 2000 L helium gas.

 

Dit moet minimaal 1 Kg op kunnen tillen met een opwaartse kracht (2,85 m3 helium gas).

 

Zit er genoeg helium gas is de tank om ons ballon te vullen met ons gewenste hoeveelheid?

 

Voor het berekenen hebben we de formule van Gaswet gebruikt: pV=nRT (bron wikipedia).

 

p= Druk in pascal (N/m2)

V= Volume in m3

n= Hoeveelheid gas in mol

R= De gasconstante, 8,31 J K-1 mol-1

T= De temperatuur in Kelvin

 

pV=nRT (=constant)

p1V1=p2*V2

p1*V2=(p1/p2)*V1= (1/130)*2,85

 

V2= 0,02192m3 = 22 L nodig bij 130 bar!

 

De inhoud was al 30,8 L en dit is meer dan 22 dus we hebben genoeg helium om ons ballon te vullen!

 

Maar! Dit is alleen een voorspelling bij een druk van 1 bar!

In de ballon zelf is er een druk dat meer dan 1 bar is, dit komt door de veerkracht waarmee de wanden van de ballon het gas naar binnen drukt.

 

De formule hiervoor is ballon Gasdruk= Luchtdruk + Veerkracht ballon/m2

 

We hebben Niet de veerkracht van de ballon kunnen vinden, daarom hebben we bedacht om de omtrek van de ballon te meten om zeker te zijn dat het goed genoeg is.

 

Omtrek cirkel formule: 2π*r =   2π*(125/2=0,625)=3,93 m

 

Maar school heeft ons inmiddels niet meer gefinancierd voor helium, daarom moesten we zelf helium gaan regelen.

 

Een nieuwe fles heeft een druk van 300 bar. En een volume van 8m3 helium, dit hebben we kunnen regelen bij gas depotpul.nl

Gelukkig hebben we dus genoeg helium!

 

Zo ziet een helium fles eruit!

Hier zit 8m3 helium in onder een druk van 300 bar.







 

 

300 bar is heel erg veel, onder deze enorme druk kunnen wij nooit een ballon van dun latex rustig vullen zonder beschadiging.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Daarom zetten we er een regulator op. Hierboven zie je de regulator:

Deze regulator is zo ingesteld dat het de druk verminderd. De druk gaat van 300 bar naar 2 bar. En hierdoor kunnen wij met gemakt de ballon rustig vullen met helium!