Warum können Heißluftballons nicht höher fliegen als Heliumballons?

Obwohl es ziemlich offensichtlich ist, dass Heliumballons aufgrund des viel niedrigeren Molekulargewichts von Helium im Vergleich zu Luft höher steigen können sollten als Heißluftballons, könnte es dennoch aufschlussreich sein, sich anzusehen, wie sie steigen und warum sie aufhören zu steigen.

Sowohl Helium- als auch Heißluftballons steigen auf, weil die Auftriebskraft, die dem Gewicht der durch einen Ballon verdrängten Luft entspricht, das Gewicht des Ballons (einschließlich des Gases, Heliums oder der heißen Luft im Inneren des Ballons) übersteigt.

Sowohl Helium- als auch Heißluftballons hören auf zu steigen, weil die Luftdichte mit der Höhe abnimmt und damit die Auftriebskraft. Anders bei Wasser, das in unterschiedlichen Tiefen praktisch die gleiche Dichte hat und daher Objekte mit geringerer Dichte als Wasser immer wieder an die Oberfläche drückt.

Bei Heliumballons wird dieser Dichteabfall mit zunehmender Höhe teilweise durch die Ausdehnung ihres Volumens kompensiert, aber dennoch übersteigt das Gewicht in einer gewissen Höhe die Auftriebskraft.

Bei Heißluftballons könnte der Dichteabfall teilweise kompensiert werden, indem immer mehr Luft ausgestoßen wird, was durch Anheben der Temperatur im Ballon auf immer höhere Werte erreicht werden könnte. Aber auch hier wird das Gewicht des Ballons irgendwann die Auftriebskraft übersteigen.

Selbst wenn das Gewicht des Gases in einem Ballon Null wäre, gäbe es eine Grenze aufgrund des endlichen Gewichts des Ballons selbst und der Nutzlast. Diese Grenze ist für Heißluftballons niedriger, weil sie tendenziell mehr wiegen und weil bei jedem gegebenen Druckniveau die Dichte von Helium geringer ist als die Dichte von heißer Luft (für jede praktische Temperatur) und Heliumballons daher eine größere haben Hubkraft bei gleichem Volumen ($(\rho_{out}-\rho_{in})\times V$).