Kann man einen wabenförmigen Vakuumballon bauen? [geschlossen]

Sie können eine anständige Titanlegierung auf etwa laden$500 \mathrm{MPa}$(Die ultimative Druckfestigkeit wird mindestens angegeben$850 MPa$, aber Sie müssen unter der Elastizitätsgrenze bleiben und einen Sicherheitsspielraum haben). Das ist$5000$mal höher als der Druck auf Meereshöhe. Daher müssen die Stützelemente etwa übernehmen$\frac{1}{5000}$des Volumens. Bei Dichte ca$4500 \frac{\mathrm{kg}}{\mathrm{m}^3}$, kommt die durchschnittliche Dichte mindestens$0.9 \frac{\mathrm{kg}}{\mathrm{m}^3}$. Das ist nur etwas besser als die$1.225 \frac{\mathrm{kg}}{\mathrm{m}^3}$Luft, aber viel schlimmer als die$0.09 \frac{\mathrm{kg}}{\mathrm{m}^3}$von Wasserstoff oder der$~0.17 \frac{\mathrm{kg}}{\mathrm{m}^3}$oder Helium. Und dies ist nur das Gewicht des Trägers – um das Vakuum zu halten, wird die Haut auch viel schwerer sein.

Daher gibt es keine Möglichkeit, dass dies besser sein könnte als herkömmliche mit Wasserstoff oder Helium gefüllte Luftfahrzeuge, und es ist unwahrscheinlich, dass es in der Praxis überhaupt vom Boden abhebt, obwohl die obige Schätzung auf der Rückseite des Umschlags darauf hindeutet, dass dies nur knapp der Fall ist.

Wenn es einen Grund dafür gäbe, würden Sie idealerweise eine Struktur verwenden wollen, die einem offenzelligen Schaum ähnlich ist, wobei der Schwerpunkt auf der Minimierung der Zellgröße liegt. Metallische Mikrogitter würden viel besser abschneiden als Waben.

Aber noch besser als Mikrogitter wäre eine sehr komprimierbare Struktur, die sich automatisch an den Außendruck anpassen würde. Sie brauchen eine sehr starke Struktur, um dem atmosphärischen Druck auf Meereshöhe standzuhalten, aber dichte Luft sorgt auch für viel Auftrieb. Mit zunehmender Höhe nimmt der aerostatische Auftrieb ab. Sie brauchen also eine immer leichtere Struktur, die aber immer weniger Druck ausgesetzt ist und viel schwächer sein kann.

Ein Material, das dieses Problem löst, gibt es tatsächlich – es heißt Gas. Wenn der atmosphärische Druck mit der Höhe abnimmt, dehnt sich Gas aus und wird weniger dicht. Wenn das Gas nach außen abgelassen wird, macht sich der Ballon beim Aufsteigen buchstäblich leichter.

Das Problem mit dem „Vakuumballon“-Konzept ist nicht einmal der Mangel an ausreichend starken Materialien. Es ist die Abnahme des Auftriebs mit der Höhe. Ein Ballon mit 100 Metern Durchmesser wird auf Meereshöhe 5.000 Tonnen Auftrieb erzeugen, aber weniger als 2,5 kg Auftrieb an der Karman-Linie, dem unteren Rand des Weltraums.

Theoretisch, wenn die Hülle leicht genug sein könnte, ist eine Kante des Weltraumballons nicht absolut unmöglich. Aber für jedes gegebene endliche Maß an Materialstärke wird es mit Wasserstoff (oder Helium) im Inneren höher fliegen als mit Vakuum und einer Struktur.

Jedes hypothetische Material wird besser verwendet, um eine dünnere Hülle herzustellen, die mehr Gas enthält. Da es buchstäblich keine Begrenzung gibt, wie leicht ein Gas werden kann, wenn der Druck reduziert wird, gibt es keinen Grund, auf Vakuum umzuschalten.

Es gibt auch einen praktischen Vorteil für Gas – es gleicht den Druck aus, sodass ein mit Gas gefüllter Ballon keine explosionsartige Rekompression und kein schnelles Sinken erleidet, sobald ein winziges Staubkorn ein Loch darin macht.