Kan je een ballon op laten stijgen dmv stoom?

[Michel Uphoff]

Overigens lijkt mij een vaste stofstructuur die lichter is dan lucht (als men in staat zou zijn aerografeen of dergelijk superlichte materialen luchtdicht af te sluiten en voldoende vacuüm te trekken) wel erg tof.

[Marko]

Op dat laatste hoef je niet te hopen. Het materiaal zou samengeperst worden door de buitendruk. Aerogels, of ze nu van grafeen of van minder overhypete materialen worden gemaakt, zijn bijzonder slappe materialen, met moduli in de orde van kilopascals.

[Michel Uphoff]

Dat is wel erg slap. Zou een celstructuur gevuld met helium wel realiseerbaar zijn?

[Marko]

Vast wel, maar dan moet je het nog steeds afsluiten met een voor helium niet-permeabel materiaal (m.i. niet-bestaand)
Bovendien vervalt dan de noodzaak van zo'n celstructuur, je kunt immers ook gewoon een ballon vullen met helium en het binnenwerk weglaten.

[Michel Uphoff]

Ik zat meer aan een soort drijvend platform te denken.
Een ballon is veel te fragiel, een materiaal met microscopische cellen kan vrijwel niet lek raken.
Ik vraag mij af of een dergelijk materiaal in theorie (maar met bestaande materialen) te realiseren is.

[Marko]

Ik begrijp dat je hier niet naar op zoek bent, maar als je een luchtschip pakt, en daarvan de gondel vervangt door een vlakke plaat, ben je een heel eind.
Er zijn mij geen gevallen bekend van neergestorte luchtschepen ten gevolge van een lek.
 
Het zou natuurlijk mooi zijn als je een materiaal hebt dat dat inherent mogelijk maakt, maar je loopt gauw tegen allerlei fysische eigenschappen aan. De liftkracht van helium is ongeveer 10 N/m³, en kan dus ongeveer 1 kg aan materiaal liften. Wat je cellulaire structuur ook bij elkaar houdt mag dus niet meer dan die ene kg wegen, voor elke m³ aan "schuim". Gezien het feit dat de meeste kunststoffen een dichtheid hebben van ca 1000 kg/m³ betekent dat, dat je structuur voor 99.9% uit holle ruimtes moet bestaan, of omgekeerd, dat een en ander bijeen moet worden gehouden door iets wat slechts 0.1% van het volume inneemt.
 
Laten we zo'n structuur beschouwen als een aaneenschakeling van kubusjes. Ieder kubusje heeft 6 wanden en sluit een bepaald volume in. Reken verder met een kubus van 1 m³, dus met ribben van 1 m. Het materiaal aan de buitenkant van de kubus moet dan overeenkomen met 0.001 m³ stof. bij een totaal buitenoppervlak van 6 m² betekent dat dus 0.00017 m³ per plaat, dus mag het materiaal slechts 0.00017 m, oftewel 0.17 mm dik zijn.
 
Ik kan me vooralsnog geen materialen voorstellen die bij een dergelijke overspanning een stevige constructie opleveren.

[Michel Uphoff]

Je gaat hierbij wel uit van erg ongunstige parameters. Ik denk eerder aan bolletjes in de grootteorde van micrometers tot een millimeter, en de lift hoeft maar een paar gram te zijn, wat de hoeveelheid materiaal vergroot.
Er zijn inmiddels aerogels met een beduidende sterkte, en dacht dat grafeen geen helium doorliet. Samen met wat bewapening van dyneema of een dergelijk licht sterk materiaal moet er een heel eind te komen zijn. Probleem lijkt mij het produceren van die myriaden gasdichte belletjes.
 
Hier wat materiaal dat aangeeft dat aerogels niet zo vreselijk fragiel hoeven te zijn:
 

aerogelbrick 757 keer bekeken

Een stukje (silica) aerogel draagt een steen van 2,5 kg. Bron: Nasa
 

[uitvinder]

hallo.
ik denk niet dat ik er veel van begrijp van deze tekst: Het punt is dat als de ballon stijgt, de ruimte waar de ballon daarnet nog was zich vult met de lucht die daarnet nog zat op de plaats waar de ballon nu is. ik heb aan andere mensen laten lezen die de zin ook niet snappen. ik ben geen wetenschaper, maar ik wil het gewoon proberen.

[Marko]

Wat daar bedoeld wordt is het volgende:
 

ballon 757 keer bekeken

 
Dit is een antwoord op de vraag waarom de ballon precies stijgt. Eerst zit je met een situatie met de ballon beneden, boven de ballon bevindt zich lucht.
Wanneer de ballon stijgt, daalt tegelijkertijd een stukje lucht. Die lucht bevond zich eerst boven de ballon, en nu eronder. De lucht heeft de ruimte ingenomen waar eerst de ballon zat.
 
De situatie rechts is gunstiger dan de situatie links, omdat de dichtheid van de ballon kleiner is dan die van lucht.
 

[Marko]

Je gaat hierbij wel uit van erg ongunstige parameters. Ik denk eerder aan bolletjes in de grootteorde van micrometers tot een millimeter, en de lift hoeft maar een paar gram te zijn, wat de hoeveelheid materiaal vergroot.

 
Dat vind ik niet. De getallen en schaal die ik noemde had enkel als doel een en ander tastbaar te maken. Of het  nu bolletjes in de orde van een micrometer of millimeter zijn, of kubussen van 1 meter maakt niet uit, de dikte van de wand schaalt mee en daarmee ook de sterkte. Voor cellen van 1 mm komt het neer op een wand van 0.14 micron, cellen van 1 micron hebben dan een wand van 0.14 nm, in de orde van 1 atoomstraal. Het ging mij vooral om de verhouding, maar dat had ik wat explicieter aan moeten geven.
 
Of grafeen wel of geen helium doorlaat weet ik niet, maar zodra je er een poreuze structuur van maakt hoef je je daar niet meer druk om te maken. En aerogels zijn per definitie poreuze structuren. Dan zou je je pakketje op zijn minst weer moeten afsluiten met een gasdicht materiaal, en dan kom ik weer op mijn eerste punt: waarom vul je dan dat gasdichte materiaal niet met alleen helium, dan ben je ook waar je wezen wil.
 

Er zijn inmiddels aerogels met een beduidende sterkte, en dacht dat grafeen geen helium doorliet. Samen met wat bewapening van dyneema of een dergelijk licht sterk materiaal moet er een heel eind te komen zijn. Probleem lijkt mij het produceren van die myriaden gasdichte belletjes.

 
Dat laatste hoeft op zich nog niet eens zo'n probleem te zijn. Met microfluïdica is het mogelijk om grote aantallen belletjes of bolletjes te produceren, met een diameter naar keuze. Dat zijn dan bolletjes gevuld met vloeistof (want ze worden ook in vloeistof geproduceerd) maar je zou dat kunnen proberen te vervangen door lucht of helium zodat je met lucht of helium gevulde bolletjes overhoudt. Op vergelijkbare wijze worden aerogels gemaakt: Eerst wordt een uitgestrekt verstrengeld netwerk geproduceerd in een oplosmiddel - dit netwerk houdt het oplosmiddel bij elkaar waardoor er een gel ontstaat. Vervolgens wordt voorzichtig het oplosmiddel verwijderd middels vriesdrogen. Met een beetje geluk en wijsheid blijft dat netwerk intact en ontstaat een aerogel.

 
(microfluïdische opstelling om micro-bolletjes te produceren, afkomstig van http://iopscience.iop.org/1748-605X/5/2/021001/fulltext/)
 
 
Probleem is en blijft wel de sterkte van dat materiaal, of eigenlijk vooral, de enorm lage dichtheid die je dient te halen. Je kunt wel wapenen met Dyneema, maar Dyneema is polyetheen en heeft een dichtheid van ongeveer 1 g/cm³. De wapening met het materiaal dient dus aan dezelfde eis (verhouding materiaal/open ruimte) te voldoen als ik eerder schetste. Dit los van het punt dat de goede mechanische eigenschappen van Dyneema voornamelijk over trekbelasting gaan.
 
De voorbeelden die je laat zien tonen aerogels, of op aerogel gebaseerde materialen met een dichtheid die vele malen groter is dan wat je nodig hebt om in lucht te kunnen zweven. Afgaand op de dimensies op de NASA-foto en de genoemde massa's is de dichtheid van de aerogel minstens 20 g/L, veel meer dan die van lucht dus. Én sterk én zo licht dat het kan drijven op lucht zit er ook bij aerogels niet in.
 
Het andere materiaal heeft een dichtheid vergelijkbaar met die van piepschuim, dus ook niet echt spannend.

[Michel Uphoff]

Ik ben nog niet om, bollen zijn heel veel sterker dan kubussen.
 
Dus laten we wat eenvoudig rekenwerk doen aan een bol van silica. Als mijn gegevens kloppen weegt dat spul ongeveer 2,2 kg/dm³ en heeft het een druksterkte van 110 kg/mm². (Zuiver kwarts kan bijna het dubbele aan)
 
We maken een bol van 1 meter diameter, inhoud dus 0,523 m³. De maximale massa om in lucht te drijven mag dan niet boven 0,68 kg uitkomen. Gezien de soortelijke dichtheid mogen we dan 0,31 dm³silica verwerken. Ik kom dan uit op een wanddikte van ongeveer 0,1 mm.
 
Die bol, vacuüm gezogen, zou blijven drijven in lucht. Maar kan zo'n extreem dunne schil de druk van 1 bar wel aan?
 
Als we de bol doormidden zagen krijgen we als drukverwerkend oppervlak een ring van 3140 mm lang en 0,1 mm dik, totaal 314 mm^2.. Tezamen met de druksterkte levert dan een toelaatbare belasting van 34.540 kg op. Die belasting mag worden uitgeoefend op een oppervlak van 0,785 m² en dat levert een maximale druk van iets meer dan 4 bar op.
 
We hebben een glazen zeepbel die zweeft en ik lijk ruimte genoeg over te houden om de wand dunner te maken. Ga ik hierboven ergens rekenkundig de mist in?
 
Natuurlijk is dit een super ideale situatie, waarbij er van uitgegaan wordt dat de druk op de bol overal volkomen gelijkmatig is. Eén minuscule vervorming, trilling, oneffenheid of tikje en de glazen zeepbel implodeert met plezier. Zoals je terecht opmerkt schaalt alles netjes bij verkleinen van de afmetingen. Stel dat ik met meerdere boldiameters de pakkingsgraad zo verhoog dat ik in de buurt kom van een nette drukverdeling per bolschil, zou het dan nog steeds theoretisch niet mogelijk zijn naar jouw mening?

[Marko]

Rekenkundig volgens mij niet, maar je gebruikt een waarde die volgens mij bij de compressiesterkte van silica hoort, terwijl je volgens mij een combinatie van Young's modulus en Poissonratio nodig hebt.
 
Maar, van constructieberekeningen heb ik verder geen kaas gegeten, dus ik weet niet hoe dat precies te doen voor deze situatie. Het ging me ook niet zo om de buitenluchtdruk, want ik ging uit van vullen met helium. Wat ik zou willen weten is of een bol, of een koepel in de vorm van een halve bol bij deze dimensies zijn eigen gewicht kan dragen. (een bol zoals jij neemt is inderdaad beter dan de kubus die ik noemde)
 
Mijn gevoel zegt van niet; het gaat om een overspanning van 1 m bij een dikte van 0.1 mm
Nemen we de koepel van de Sint Pieter (42 m), dan zou die geconstrueerd kunnen worden met 4 mm dik silica?

[Michel Uphoff]

Mijn gevoel zegt van niet; het gaat om een overspanning van 1 m bij een dikte van 0.1 mm

 
Ongeveer de dikte van een frisdrank blikje. Ook gemaakt van het veel minder sterke aluminium moet dit m.i. heel goed kunnen bij een perfecte halve bol, vermits deze bij de basis onwrikbaar is bevestigd. Ik denk dat ik er nog wel voorzichtig een boek op durf te leggen.
 

Nemen we de koepel van de Sint Pieter (42 m), dan zou die geconstrueerd kunnen worden met 4 mm dik silica?

 
Al die vervelende praktijkdingen (vormverstoringen, wind, trillingen, beierende klokken ) buiten beschouwing gelaten moet dat dan m.i. de onvermijdelijke conclusie zijn. Ook hier weer een perfecte bevestiging van de basis als noodzaak.

[Marko]

Dat voorbeeld van het blikje is best overtuigend, dus ik kan erin mee dat je zo'n structuur kan maken die niet onder zijn eigen druk bezwijkt. Ik ging in eerste uit van iets dat gevuld zou zijn met helium, lijkt me makkelijker dan een dergelijke structuur vacuum zuigen en houden
Als je vult met helium heb je niet te maken met druk van de omgeving, dus dan telt alleen het eigen gewicht.
 
Na er nog eens naar te kijken, zou je dus ook iets kunnen maken wat nog een stukje dunner is, te dun om zichzelf overeind te houden, maar wat de rest van zijn stevigheid haalt uit een kleine inwendige overdruk. Misschien is dat nog wel het beste van twee werelden?
 
 
Als je kiest voor een vacuum gezogen structuur, dan vraag ik me wel af of de druk-berekening klopt. Hij komt vreemd op mij over, maar zoals ik al aangaf: ik zou echt niet weten hoe het dan wel zou moeten.
 
 
Overigens zouden de glazen zeepbellen nog best te maken zijn - waarbij de term zeepbel ook nog best treffend is. Met de moleculen van surfactanten (zeep) kun je allerlei structuren opbouwen. Een voorbeeld daarvan zijn vesicles, bolvormige structuren vergelijkbaar met de opbouw van het celmembraan.
 
Deze vesicles en ook de hele variëteit aan andere structuren worden al gebruikt als raamwerk om allerlei mesoporeuze silica-structuren te bouwen, zie bijvoorbeeld hier voor een fraai voorbeeld:
 
http://www.nature.com/nmat/journal/v11/n9/full/nmat3414.html?WT.ec_id=NMAT-201209
 
De microfluïdica-benadering die ik noemde kun je gebruiken om vesicles te maken. Dan heb je een heel zwik aan bolletjes, allemaal even groot, die je daarna nog best makkelijk in een goeie pakking kunt krijgen, en daarna calcineren waarmee je gestapelde bolletjes een silica mantel krijgen. Je kunt ook bolletjes van 2 verschillende diameters maken zodat je een dichtere en stevigere pakking krijgt.
 
Volgende stap is dan om dit te combineren met de gangbare procedure om een aerogel te maken - vriesdrogen om je oplosmiddel te verwijderen - en je bent er wel!
 
Zo'n structuur is, zoals ik al aangaf, waarschijnlijk hartstikke lek. Of je het nu vult met helium of vacuum zuigt, dat blijft een probleem dat nog een oplossing vergt. Maar voor de rest...ik durf zelfs te beweren dat bovenstaand verhaal, met hier en daar wat stevigere onderbouwing, voorzien van afdoende referenties en een sappig verhaal, zomaar kan slagen als proposal voor een PhD-traject.

[Michel Uphoff]

maar wat de rest van zijn stevigheid haalt uit een kleine inwendige overdruk. Misschien is dat nog wel het beste van twee werelden?

 
Dacht ik ook aan. Een opgeblazen ballon, dat idee.
Die drukberekening klopt volgens mij wel, maar geldt natuurlijk alleen voor een perfect gelijkmatig belaste bol. Dan is het m.i. simpel Newton en twee Maagdenburger halve bollen. Een bolcirkel moet eenvoudig de druk- of trekkrachten kunnen weerstaan, en de krachten worden mooi verdeeld over de bolschil.
 

bol 753 keer bekeken

 
Als je dit super aerogel in een triplex-achtige structuur zou kunnen maken (boven en onder wat dichter om indeuken te minimaliseren en extra trek- en drukkrachten op te vangen), dan zou je een tof stuk 'vaste' stof hebben dat zweeft. Nu een paar zeer zinnige toepassingen bedenken en we worden na wat 'kleine' productieproblemen wereldberoemd en erg rijk (kuch).