Traggas
Traggas, ist ein Gas, das als Füllung für Luftschiffe und Gasballons eingesetzt wird. Es hat eine niedrigere Dichte als die das Luftfahrzeug umgebende Luft. Dadurch ergibt sich gemäß dem archimedischen Prinzip ein statischer Auftrieb.
Die wichtigsten Traggase sind Wasserstoff, Helium und Heißluft.
Beschreibung
Für diesen Zweck kommen Gase infrage, die eine geringere Dichte als Luft (ca. 1,293 kg/m3 unter Normalbedingungen) haben. Ideal in physikalischer Hinsicht ist dafür Wasserstoff als das leichteste aller Elemente mit einer Atommasse von nur ~1,0u, Molekülmasse H2 von 2u und einer Dichte von nur 0,0899 kg/m3. Da dieses Gas zudem relativ einfach und billig herzustellen ist, war es bis weit in das 20. Jahrhundert hinein als Traggas vorherrschend. Allerdings ist Wasserstoff leicht brennbar und im Gemisch mit Sauerstoff, etwa aus der Luft, sogar explosiv (Knallgas). Aufgrund dieser Nachteile wurde er allmählich durch das inerte Edelgas Helium verdrängt, sobald dieses in hinreichenden Mengen produziert werden konnte. Hierzu waren vor dem Zweiten Weltkrieg jedoch ausschließlich die USA in der Lage. Im Ballonsport wird für Gasballons allerdings weiterhin ausschließlich Wasserstoff verwendet, da eine Heliumfüllung viel zu teuer wäre.
Helium als das zweitleichteste Element hat mit ~4,0 u zwar die vierfache Atommasse, da es aber als Edelgas in Form von Atomen und nicht von zweiatomigen Molekülen vorliegt, hat es nach dem Avogadroschen Gesetz mit 0,1785 kg/m3 nur eine doppelt so große Dichte wie Wasserstoff. Da weiterhin für den Auftrieb nicht die absolute Dichte, sondern die Differenz zur Luftdichte entscheidend ist, erzeugt eine Heliumfüllung nur etwa 8 % weniger Auftrieb als eine Wasserstofffüllung.
Sowohl Helium als auch Wasserstoff haben die Eigenschaft, durch viele Stoffe (Ballonhülle) zu diffundieren. Es kann auch vorkommen, dass Gas zum Auftriebsausgleich abgelassen werden muss. Bei ständig gefüllten Ballons oder Luftschiffen muss daher in regelmäßigen Abständen ein kleiner Teil des Gases ersetzt werden.
Mit einem Kubikmeter Wasserstoff lässt sich ein statischer Auftrieb von 1,203 kg, mit einem Kubikmeter Helium ein Auftrieb von 1,1145 kg erzeugen; diese Werte gelten jedoch nur unter Normalbedingungen. In einiger Höhe herrscht ein geringerer Luftdruck (siehe barometrische Höhenformel), was für gleiche Auftriebskraft ein größeres Traggasvolumen (bei jedoch gleicher Traggasmasse) erfordert.
Aus den angegebenen Werten ergibt sich als großzügige Faustregel: Um eine Masse von einem Kilogramm mit Ballonauftrieb aufzuheben, wird rund ein Kubikmeter Traggas benötigt, entsprechend für ein Gramm ein Liter.
Früher wurde auch das leicht verfügbare und billige Leuchtgas als Traggas verwendet. Dabei musste indessen neben dem Nachteil eines deutlich geringeren Auftriebes auch die Feuergefährlichkeit und Giftigkeit in Kauf genommen werden. Seit der Umstellung der öffentlichen Gasversorgung auf Erdgas steht kein Leuchtgas mehr zur Verfügung.
Über 100 °C steht als Traggas auch überhitzter Wasserdampf zur Verfügung, der (Molekülmasse = 18) pro Gasvolumen etwa doppelt so viel Auftrieb erzeugt wie gleichwarme Luft, und so immerhin fast dreiviertel desjenigen von Helium oder Wasserstoff. 2006 wurde in Deutschland das skalierte Modell eines Heißdampfballons, des Heißdampfaerostaten HeiDAS UH, vorgestellt. Bei einer Dampftemperatur von 150 °C wurde hier ein Auftrieb von 735 Gramm/Kubikmeter erreicht. Der Preis für diese Leistung wird durch außergewöhnliche Materialien bezahlt, denn der Hüllenwerkstoff ist dampfbeständig wie Edelstahl, aber leicht wie Kunststoff. Wasserdampf ist das effektivste nichtbrennbare Traggas, welches nicht durch Ressourcenknappheit bedroht wird.
Da die Heliumlagerstätten begrenzt sind und das Gas durch den steigenden Verbrauch immer knapper und teurer wird, ist man in der Ballon- und Luftschifftechnik dazu übergegangen, Wasserstoff und Helium in einem bestimmten Volumenverhältnis miteinander zu mischen. Dieses Gasgemisch hat dann eine höhere Tragkraft als Helium allein, ist demgegenüber aber billiger und andererseits im Gegensatz zum Traggas Wasserstoff reaktionsträge und nicht brennbar (inert).