Информация предоставлена исключительно в образовательных целях!
Администратор сайта не несет ответственности за возможные последствия использования предоставленной информации.
У меня есть мечта - запустить высотный шарльер - "воздушный" шар, наполненный водородом. Далее я подробно опишу, как мне таки удалось ее реализовать.
Классификация высотных шаров
Высотные любительские шары (свободные аэростаты) делятся на три класса:
шарльеры - оболочка наполнена газом легче воздуха;
монгольфьеры - оболочка наполнена горячим воздухом;
розьеры - оболочка содержит две камеры - одна наполнена газом легче воздуха, а вторая - подогретым воздухом. Это позволяет контролировать подъемную силу, но с намного меньшим расходом топлива, чем у монгольфьера.
История шарльеров
Сейчас для высотных любительских шаров широко используется гелий (ранее применялся водород).
Впервые водород для воздухоплавания использовал в 1783 году французским профессор физики Жаком Шарлем (Jacques Alexandre César Charles):
Водород поступал по шлангу из бочек с железными опилками и серной кислотой, шар диаметром 9 метров заполнялся 4 дня. Его шар, который исследователь назвал "La Charlière" (отсюда и название "шарльер"), достиг высоты 550 м:
В журнале "Природа" №10 за 1912 год описано применение водородных шаров в метеорологии:
привязной шар - круглый шелковый пролакированный шар, наполняемый водородом объемом до 20 м3; подобные шары поднимались на высоту 9650 м:
баллон-зонд - гуттаперчевый баллон, вмещающий 3-4 м3 водорода; к такому баллону прикрепляют парашют и метеограф; при достижении верхних слоев атмосферы баллон лопается, а парашют с метеографом спускаются на землю; такие шары достигли высоты 29040 м:
пилот-баллон - небольшой (объемом 0,1 - 0,2 м3) гуттаперчевый шар, наполненный водородом и летящий свободно без метеографа, наблюдение за таким шаром позволяет определить направления и скорости воздушных течений в атмосфере на различных высотах; такие шары достигли 25000 м.
Гелиевый шар, запущенный 1 ноября 2002 года, достиг высоты 79 809 футов http://vpizza.org/~jmeehan/balloon/#launch
Алексей Карпенко из Канады в октябре 2007 года запустил самодельный воздушный шар с бортовым компьютером, фото и видео камерой на высоту больше 30 километров http://www.natrium42.com/halo/flight2/
Гелиевый шар, запущенный Robert Harrison (UK) 17 октября 2008 года, достиг высоты 35 015 метров (проект Icarus) http://www.robertharrison.org/icarus/wordpress/28/icarus-i-launch-3/
Greg Klein, Alex Martin и Tim Wheeler запустили в сентябре 2009 года гелиевый шар, достигший высоты 90 000 футов http://apteryx.hibal.org/
Юридические аспекты запуска высотных шаров
Такие воздушные шары относятся к летательным аппаратам класса A (свободные аэростаты) подкласса AA (свободные аэростаты, подъемная сила которых создается газом легче воздуха, без бортового подогревателя воздуха и без наддува оболочки) в соответствии со спортивным кодексом Международной авиационной федерации (FAI).
В Республике Беларусь Указом Главы государства от 25 февраля 2016 г. № 81 определено, что под авиамоделью понимается летательный аппарат без человека на борту, управление полетом которого возможно только при условии визуального контакта с ним, а также неуправляемый свободнолетающий аппарат. Таким образом, воздушный шар относится к авиамоделям. Постановлением Совета Министров Республики Беларусь от 16.08.2016 №636 утверждены Правила использования авиамоделей в Республике Беларусь. Согласно правилам, авиамодели не подлежат государственной регистрации. Однако их использование запрещено на высоте, превышающей 100 метров от уровня земной или водной поверхности. Использование авиамоделей запрещается в пределах запретных зон, установленных Министерством обороны и Министерством транспорта и коммуникаций, и в случаях, определяемых Службой безопасности Президента Республики Беларусь; Авиамодели общей массой более 0,5 килограмма подлежат обязательной маркировке с указанием данных владельца.
Согласно пункту Федеральных правил использования воздушного пространства Российской Федерации для пользователей воздушного пространства, выполняющих полеты в воздушном пространстве классов A и C, устанавливается разрешительный порядок использования воздушного пространства - на основании плана использования воздушного пространства при наличии разрешения на использование воздушного пространства.
Получение водорода в домашних условиях
Я решил построить шарльер, так как получить гелий в домашних условиях весьма проблематично, а покупать - слишком просто и неинтересно.
ОПЫТЫ С ВОДОРОДОМ ОЧЕНЬ ОПАСНЫ! Водород пожароопасен и в смеси с воздухом взрывоопасен. Водород - наименее плотный из всех известных газов и дешевле сейчас широко используемого для пилотируемого воздухоплавания гелия в 40-50 раз. Его плотность 90 г/м3 (у воздуха для сравнения 1,23 кг/м3). Подъемная сила водородного шарльера равна разнице в весе между воздухом и водородом в одном и том же объеме. Если шар объемом 1 м3 наполнен водородом, то его подъемная сила будет равна 1,2 кг (масса 1 м3 воздуха) - 0,09 кг (масса 1 м3 водорода) = 1,01 кг. Таким образом 1 литр водорода поднимает около 1 грамма полезной нагрузки.
Вот иллюстрация к сравнению водорода и гелия из научно-популярной передачи WOW на канале CGTN:
Как же добыть водород???
Реакция с каустической содой
Самым безопасным способом получения водорода является реакция алюминия с водой:
2 Al + 6 H2O = 2 Al(OH)3 + 3 H2
Но ходу этой реакции препятствует оксидная пленка на поверхности алюминия. Ее можно удалить с помощью хлорида ртути HgCl2. Но в домашних условиях более простым способом получения водорода является реакция алюминия с водой и гидроксидом натрия (ионы OH-) разрушают оксидную пленку на поверхности алюминия и начинается реакция):
2 Al + 6 NaOH = 3 H2 + 2 Na3AlO3
(альтернативное описание этой реакции - 2 Al + 2 NaOH + 6 Н2О = 2 Na[Al(OH)4] + 3 Н2)
54 грамма алюминия (2 моля) + 240 грамм едкого натра (6 молей) = 6 грамм водорода (3 моля).
Реакция идет с нагреванием (экзотермическая), вода при этом может закипеть!!!
Гидроксид натрия NaOH (каустическая сода, каустик, едкий натрий, едкий натр, едкая щелочь) (англ. sodium hydroxide, caustic soda, lye) широко распространена в природе.
Каустическая сода разъедает органические вещества. Относится к высокоопасным веществам 2 класса опасности. При попадании на кожу, слизистые оболочки и в глаза образуются серьёзные химические ожоги. При контакте слизистых поверхностей с едкой щёлочью необходимо промыть поражённый участок струей воды, а при попадании на кожу слабым раствором уксусной кислоты. Нельзя допускать попадания гидроксида натрия внутрь организма человека или животного!
Плотность гидроксида натрия (кристаллы) составляет 1,59 грамма в см3, растворимость в воде 108,7 грамма в 100 миллилитрах воды. Таким образом, 240 грамм занимают объем приблизительно 150 см3, и требуют для полного растворения 220 мл воды. Если воды недостаточно, то будет образовываться пена.
Достать гидроксид натрия можно в магазине бытовой химии - средство для чистки канализации:
В качестве источника алюминия можно использовать фольгу или проволоку. Плотность алюминия равна 2,7 грамма в куб. см. Для проволоки диаметром 2 мм масса 10 см проволоки равна 0,85 грамма, а 1 грамм проволоки имеет длину 11,8 см.
При нормальном давлении 6 грамм водорода занимают объем 67,2 литра (из-за давления оболочки шара объем будет меньше).
Для водорода в шарике справедлив закон Шарля (назван в честь упомянутого выше французского ученого) - "объем газа при постоянном давлении пропорционален его температуре":
${P = const} \to {{T_1} \over {V_1}} = {{T_2} \over {V_2}} = {const}$
Водород в завязанном воздушном шарике находится при атмосферном давлении и, как следствие, объем шарика возрастает при нагреве и уменьшается при охлаждении.
Подходящим сосудом для смешивания реактивов является бутылка из-под шампанского, выдерживающая давление до 6 атм.
Сначала наливаем в бутылку 500 мл воды, добавляем 100 грамм гидроксида натрия, размешиваем до растворения, а затем бросаем внутрь бутылки нарезанную на кусочки по несколько см алюминиевую проволоку (30 грамм). Реакция сначала протекает медленно, но затем ускоряется. Бутылка при этом заметно нагревается.
Указанного количества реактивов должно хватить для выработки более 30 литров водорода. Одеваем шарик на горлышко бутылки и наблюдаем, как он наполняется водородом:
При первом успешном запуске 4 августа 2012 года объем надутого шарика составил более 25 литров. Использованный большой детский воздушный шарик весил около 8 грамм. Таким образом, "чистая" подъемная сила составила около 25-8 = 16 грамм.
Также можно использовать цинк Zn вместо алюминия Al, а вместо гидроксида натрия NaOH - гидроксид калия KOH (едкое кали, каустический поташ).
Альтернативными вариантами добычи водорода "на дому" являются реакция с медным купоросом и электролиз раствора.
Реакция с медным купоросом
Медный купорос CuSO4 является сульфатом меди (медной солью серной кислоты).
Медный купорос ядовит, относится к третьему классу опасности - оказывает отравляющее действие при попадании на слизистые оболочки или при приеме внутрь.
Необходимо смешать несколько ложек медного купороса с немного большим количеством поваренной соли. Затем в емкость с полученной смесью добавить воды. После полного растворения раствор должен окраситься в зеленый цвет (если этого не произошло, то следует добавить еще соли). Затем добавляем кусочки алюминия и начинается реакция - образовавшийся в растворе хлорид меди смывает с поверхности алюминия оксидную пленку и алюминий вступает в реакцию, при которой восстанавливается медь и выделяется водород.
Реакция протекает с выделением тепла, поэтому целесообразно поместить емкость с реагентами в холодную воду.
Электролиз
Электролиз раствора каустической соды
Также водород выделяется при электролизе разбавленного раствора каустической соды в дистиллированной воде, причем электроды должны быть железными ("железный" аппарат). Реакция идет с выделением тепла, поэтому необходимо предусмотреть отвод тепла от емкости, например, поместить деревянную емкость в песок (например, рекомендуется температура около 70° C). При необходимости можно подливать в раствор дистиллированную воду. Чистота получаемого водорода при этом достигает 97 % (по информации "Британской энциклопедии" за 1911 год). В журнале "Природа" за 1922 год указывается, что такой способ наполнения воздушных шаров водородом применялся во время Первой мировой войны.
Электролиз раствора поваренной соли
При электролизе водного раствора поваренной соли (англ. brine) вблизи одного из электродов (катода) выделяется водород, вблизи другого (анода) - хлор, и образуется щелочь - гидроксид натрия:
2 NaCl + 2 H2O = 2NaOH + H2 + Cl2
Лакмусовая бумажка синеет, показывая щелочную реакцию:
Также на аноде выделяется в небольших количествах кислород из-за разложения гидроксид-ионов и молекул воды.
В качестве анода и катода целесообразно использовать инертные графитовые электроды, например, стержни, извлеченные из солевых (с надписью Heavy Duty) батареек:
Как показал проведенный мной эксперимент, выход водорода в этом случае невелик.
Тест на водород
Смесь водорода и кислорода воздуха (гремучий газ) взрывоопасна, и это ее свойство можно использовать как тест на наличие водорода. К пробирке с исследуемым газом нужно поднести заженную лучину, и если в пробирке накопился водород, то произойдет громкий хлопок (смесь водорода и кислорода сгорает со взрывом):
Чем меньше в пробирке кислорода, тем тише будет хлопок. Чистый водород даст лишь легкую вспышку - он горит без взрыва.
Запуск шарльера
Горлышко надувшегося шарика завязывается сложенной в несколько раз нитью, эта нить затем привязывается к нитке, намотанной на катушку:
Шарик взлетает очень резво, катушка ниток быстро разматывается.
Нижеприведенные снимки шарика в небе сделаны с четырехкратным увеличением.
При запуске 4 августа 2012 года была размотана почти целая катушка ниток длиной 200 м (но нить провисала). При наблюдении шара в подзорную трубу угловые размеры шарика составили примерно десятую часть поля зрения. Подзорная труба "Турист-3" обладает увеличением 20 крат и углом поля зрения 2 градуса. Таким образом, угловые размеры шара составили около 0,2 градуса. Учитывая, что диаметр шара составил при запуске 37 см (пренебрегаем расширением шара), расстояние до него составило около 100 м.
Продолжение следует
