Palloncino solare - Solar balloon

Un "tetroon" solare di 10 piedi

Un pallone solare alto 4 metri galleggia su un prato.

Un pallone solare è un pallone che guadagna galleggiabilità quando l'aria all'interno viene riscaldata dalla radiazione solare , di solito con l'aiuto di materiale nero o scuro. L'aria riscaldata all'interno del pallone solare si espande e ha una densità inferiore rispetto all'aria circostante. In quanto tale, un pallone solare è simile a una mongolfiera . L'uso di palloncini solari è prevalentemente nel mercato dei giocattoli, anche se è stato proposto che vengano utilizzati nelle indagini sul pianeta Marte e alcuni palloncini solari sono abbastanza grandi per il volo umano. Uno sfiato nella parte superiore può essere aperto per rilasciare l'aria calda per la discesa e lo sgonfiaggio.

Teoria del funzionamento

Generazione di sollevamento

Immagine termica che mostra la variazione di temperatura in una mongolfiera

L'aumento della temperatura dell'aria all'interno dell'involucro lo rende meno denso dell'aria circostante (ambiente). Il pallone galleggia a causa della forza di galleggiamento esercitata su di esso. Questa forza è la stessa forza che agisce sugli oggetti quando sono in acqua ed è descritta dal principio di Archimede . La quantità di portanza (o galleggiabilità ) fornita da una mongolfiera dipende principalmente dalla differenza tra la temperatura dell'aria all'interno dell'involucro e la temperatura dell'aria all'esterno dell'involucro.

Il sollevamento generato da 100.000 piedi ³ (2831,7 m ³ ) di aria secca riscaldata a varie temperature può essere calcolato come segue:

temperatura dell'aria	densità dell'aria	massa d'aria	sollevamento generato
68 °F, 20 °C	1,2041 kg / m ³	7517 libbre, 3409,7 kg	0 libbre, 0 kgf
210 °F, 99 °C	0,9486 kg / m ³	5922 libbre, 2686,2 kg	1595 lbf, 723,5 kgf
250 °F, 120 °C	0,8978 kg / m ³	5606 libbre, 2542,4 kg	1912 libbre, 867,3 kgf

La densità dell'aria a 20 °C, 68 °F è di circa 1,2 kg/m ³ . L'ascensore totale per un pallone di 100.000 piedi cubi riscaldato a (99 ° C, 210 ° F) sarebbe 1595 lbf, 723,5 kgf. In realtà, l'aria contenuta nell'involucro non è tutta alla stessa temperatura, come mostra l'immagine termica allegata, e quindi questi calcoli si basano su medie.

Per condizioni atmosferiche tipiche (20 °C, 68 °F), una mongolfiera riscaldata a (99 °C, 210 °F) richiede circa 3,91 m ³ di volume dell'involucro per sollevare 1 chilogrammo (62,5 piedi cubi/lb). L'esatta quantità di portanza fornita dipende non solo dalla temperatura interna sopra menzionata, ma anche dalla temperatura esterna, dall'altitudine sul livello del mare e dall'umidità dell'aria circostante. In una giornata calda, un pallone non può sollevarsi tanto quanto in una giornata fredda, perché la temperatura richiesta per il lancio supererà la massima sostenibile per il tessuto della busta. Inoltre, nella bassa atmosfera, la portanza fornita da una mongolfiera diminuisce di circa il 3% per ogni 1.000 metri (1% per 1.000 piedi) di altitudine guadagnata.

Radiazione solare

L'insolazione è una misura dell'energia della radiazione solare ricevuta su una data superficie in un dato momento. È comunemente espresso come irraggiamento medio in watt per metro quadrato (W/m2). L'irraggiamento diretto è l'irraggiamento solare misurato in un dato luogo della Terra con un elemento di superficie perpendicolare ai raggi solari, esclusa l'irraggiamento diffuso (la radiazione solare che viene diffusa o riflessa dalle componenti atmosferiche nel cielo). L'insolazione diretta è uguale alla costante solare meno le perdite atmosferiche dovute ad assorbimento e dispersione . Mentre la costante solare varia con la distanza Terra-Sole e i cicli solari , le perdite dipendono dall'ora del giorno (lunghezza del percorso della luce attraverso l'atmosfera a seconda dell'angolo di elevazione solare ), copertura nuvolosa , contenuto di umidità e altre impurità .

Nel corso di un anno la radiazione solare media che arriva al vertice dell'atmosfera terrestre è di circa 1.366 watt per metro quadrato (vedi costante solare ). La potenza radiante è distribuita su tutto lo spettro elettromagnetico , sebbene la maggior parte della potenza si trovi nella porzione di luce visibile dello spettro. I raggi solari vengono attenuati mentre attraversano l' atmosfera , riducendo così l'insolazione sulla superficie terrestre a circa 1.000 watt per metro quadrato per una superficie perpendicolare ai raggi solari a livello del mare in una giornata limpida.

Un corpo nero assorbe tutte le radiazioni che lo colpiscono. Gli oggetti del mondo reale sono oggetti grigi, con il loro assorbimento pari alla loro emissività . La plastica nera potrebbe avere un'emissività di circa 0,95, il che significa che il 95% di tutte le radiazioni che la colpiscono sarà assorbito e il restante 5% sarà riflesso.

Stima dell'energia ricevuta

Un cerchio massimo divide la sfera in due emisferi uguali

Se il pallone è immaginato come una sfera , la luce solare ricevuta da questa sfera può essere immaginata come la sezione trasversale di un cilindro con lo stesso raggio di questa sfera, vedi diagramma. L' area di questo cerchio può essere calcolata tramite: $\mathrm {\pi } r^{2}\$

Ad esempio, l'energia ricevuta da un pallone solare sferico di 5 metri di raggio con un involucro di plastica nera in una giornata limpida con irraggiamento diretto di 1000 W/m ² , può essere stimata calcolando prima l'area del suo cerchio massimo:

\mathrm {Area} =\pi \times (5m)^{2}\circa 78{.}54m^{2}

Quindi moltiplicando questo con l'emissività della plastica e l'insolazione diretta del Sole:

78,54 * 0,95 * 1000 = 74.613 Watt

Al livello del mare a 15 °C all'ISA ( International Standard Atmosphere ), l'aria ha una densità di circa 1,22521 kg/m ³ . La densità dell'aria diminuisce con l'aumento delle temperature, al ritmo di circa 20 grammi per m ³ per 5 K. È necessario circa 1 kilojoule di energia per riscaldare 1 chilogrammo di aria secca di un kelvin (vedi capacità termica ). Quindi, per aumentare la temperatura di 1 m ³ d'aria (a livello del mare e a 15 °C) occorrono 5 °C circa 5 °C * 1 kilojoule/(chilogrammo*kelvin) * 1,225 chilogrammi = 6,125 kilojoule. In questo modo, hai ridotto la massa di 1 m ³ d'aria di circa 24 grammi. In una giornata limpida con una superficie del corpo nero di 1 m ² perpendicolare al Sole e nessuna perdita di calore, questo richiederebbe poco più di 6 secondi.

Stima del tasso di energia persa

Di seguito è riportata l'equazione del bilancio energetico del tasso di energia persa di un pallone solare quando si traccia la linea di confine attorno al pallone. Il pallone solare subisce il trasferimento di calore per convezione e il trasferimento di calore per irraggiamento.

Equazione del bilancio energetico per il pallone solare

out= tσπr ² (TS4-TF4) + hπr ² (TS-TF)

Variazione stimata nell'entropia

Tds=du+PdV

s = ∫(cv/T)dT + Rgasln(V2/V1)

s = cvln(T2/T1)

Equilibrio

Il sistema è in equilibrio quando l'energia persa dal pallone per convezione, radiazione e conduzione, è uguale all'energia ricevuta per radiazione dal Sole.

Storia

Nel 1972, Dominic Michaelis , un architetto britannico e inventore di molte utilità e progetti solari, inventò e costruì il primo pallone solare, con una superficie esterna chiara e pareti interne scure che catturano il calore.

Volo con equipaggio

Il primo volo umano in mongolfiera solare puro è stato effettuato il 1 maggio 1973 da Tracy Barnes nel suo pallone 'Barnes Solar Firefly Tetrahedron'. Questo pallone è stato fatto da un tubo a spirale di tessuto che è stato formato in un tetraedro . Si registra che Dominic Michaelis possedeva il primo pallone solare puro in Europa. Questo pallone è stato pilotato da Julian Nott attraverso il Canale della Manica. I registri compilati per la FAI mostrano che il 6 febbraio 1978 anche l'iraniano Frederick Eshoo fece un volo solare in un pallone chiamato Sunstat. Questo utilizzava un design a palloncino standard, ma utilizzava plastica trasparente su un lato, consentendo alla radiazione solare di riflettersi sulla superficie interna, riscaldando l'aria interna.

Primo volo in mongolfiera solare antartica

La prima sonda meteorologica solare al 100%, denominata Ballon ORA, è stata lanciata dalla stazione antartica francese Dumont d'Urville nel gennaio 2011 da un team congiunto di studenti, scienziati e ingegneri. L'idea era quella di valutare la fattibilità di utilizzare palloni solari come sonde in aree remote, dove sarebbe prezioso risparmiare l'uso di gas di sollevamento , elio o idrogeno . Il volo è stato un successo, avvicinandosi a 46.000 piedi (14.000 m). Il risparmio non riguarda solo il gas di sollevamento in sé. Il pallone ORA allevia la necessità di trasportare, dentro e fuori, le pesanti bombole di gas.

Uso nell'esplorazione planetaria

Il Jet Propulsion Laboratory del California Institute of Technology ha condotto uno studio sull'uso di palloncini solari su diversi pianeti e lune del sistema solare, concludendo che sono un'opzione praticabile per Marte, Giove e Saturno.

Sicurezza

La pianificazione e l'autorizzazione dello spazio aereo possono essere richieste dalle autorità locali o nazionali dello spazio aereo.

I voli con equipaggio comportano rischi speciali. Le nuvole impreviste rappresentano un serio rischio, simile al normale volo in mongolfiera senza carburante di riserva. I palloni solari possono scendere rapidamente quando si verifica il raffreddamento, rendendo la zavorra molto importante.

Galleria

Un palloncino solare a forma di tubo realizzato con i sacchetti della spazzatura

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