Мой водородный шарльер

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.  Сейчас для высотных любительских шаров широко используется гелий. Такие шары относятся к свободным аэростатам - шарльерам, оболочка которых наполнена газом легче воздуха.
К свободным аэростатам также относятся монгольфьеры, наполняемые горячим воздухом, и розьеры, оболочка которых наполнена частично газом легче воздуха и частично подогретым воздухом.

Краткая историческая справка о некоторых подобных опытах -
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/

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:
привязной шар

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:
баллон-зонд

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.


эмблема FAI
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).

флаг РБ
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.

флаг РФ
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.

опасность водорода   опасность
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.

Впервые водород для воздухоплавания использовал в 1783 году французским профессор физики Жак Шарлем:
Шарль

Водород поступал по шлангу из бочек с железными опилками и серной кислотой, шар диаметром 9 метров заполнялся 4 дня.

Строительство моего шарльера

В домашних условиях наиболее простым способом получения водорода является реакция алюминия с гидроксидом натрия (едкий натр, каустическая сода):

2 Al + 6 NaOH = 3 H2 + 2 Na3AlO3

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. Не 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.
NaOHTytan

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.
Al

При нормальном давлении 6 грамм водорода занимают объем 67,2 литра (из-за давления оболочки шара объем будет меньше).

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.
водородный шарик
Указанного количества реактивов должно хватить для выработки более 30 литров водорода. Одеваем шарик на горлышко бутылки и наблюдаем, как он наполняется водородом:
водородный шарик

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.

Горлышко надувшегося шарика завязывается сложенной в несколько раз нитью, эта нить затем привязывается к нитке, намотанной на катушку:
водородный шарик

Шарик взлетает очень резво, катушка ниток быстро разматывается.
Нижеприведенные снимки шарика в небе сделаны с четырехкратным увеличением.
водородный шарик водородный шарик

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.
 

Яндекс.Метрика