غاز الرفع

يُستخدم الهواء الجوي المُسخّن بكثرة في رحلات المناطيد الترفيهية . ووفقًا لقانون الغازات المثالية ، فإن كمية من الغاز (بما في ذلك مخاليط الغازات، مثل الهواء) عند ضغط ثابت تتمدد عند تسخينها؛ أي أن كثافتها تقل مع ارتفاع درجة حرارتها. وتختلف درجة حرارة الهواء الساخن داخل المنطاد تبعًا لدرجة الحرارة المحيطة، ولكن أقصى درجة حرارة تشغيل مستمرة لمعظم المناطيد هي 120 درجة مئوية (250 درجة فهرنهايت) . ^{[ 2 ]}  

يُعدّ الهيدروجين ، كونه أخفّ الغازات الموجودة (0.08988 غ/لتر، أي ما يعادل 7% من كثافة الهواء في الظروف القياسية)، الغاز الأنسب للرفع. ويمكن إنتاجه بسهولة بكميات كبيرة، على سبيل المثال من خلال تفاعل تحويل الماء إلى غاز أو التحليل الكهربائي ، إلا أن للهيدروجين عدة عيوب:

• الهيدروجين شديد الاشتعال. حظرت بعض الدول استخدامه كغاز رفع للمركبات التجارية، بينما يُسمح باستخدامه في رحلات المناطيد الترفيهية في الولايات المتحدة والمملكة المتحدة وألمانيا. وتُعدّ كارثة هيندنبورغ مثالًا متكررًا على مخاطر السلامة التي يُشكّلها الهيدروجين. وقد دفعت التكلفة الباهظة للهيليوم (مقارنةً بالهيدروجين) الباحثين إلى إعادة دراسة مسائل السلامة المتعلقة باستخدام الهيدروجين كغاز رفع، لا سيما في المركبات التي لا تقلّ ركابًا والتي تُستخدم بعيدًا عن المناطق المأهولة. ويمكن الحدّ من هذه المخاطر بشكل كبير من خلال هندسة جيدة وممارسات مناولة سليمة.
• نظرًا لصغر حجم جزيء الهيدروجين ثنائي الذرة ، فإنه يستطيع الانتشار بسهولة عبر العديد من المواد، مثل اللاتكس، مما يؤدي إلى انكماش البالون بسرعة. وهذا أحد الأسباب التي تجعل العديد من البالونات المملوءة بالهيدروجين والهيليوم تُصنع من مادة المايلر (بولي إيثيلين تيريفثالات). ^{[ 3 ]}

يُعدّ الهيليوم ثاني أخف الغازات (0.1786 غ/لتر، أي ما يعادل 14% من كثافة الهواء، في الظروف القياسية). ولذلك، فهو غاز جذاب للرفع أيضاً.

تتمثل إحدى المزايا الرئيسية في أن هذا الغاز غير قابل للاشتعال. ولكن استخدام الهيليوم له بعض العيوب أيضاً:

• مشكلة الانتشار مشتركة مع الهيدروجين (على الرغم من أن نصف قطر جزيء الهيليوم، 138  بيكومتر، أصغر، فإنه ينتشر عبر مواد أكثر من الهيدروجين ^{[ 4 ]} ).
• الهيليوم مكلف.
• على الرغم من وفرة الهيليوم في الكون، إلا أنه نادر جدًا على الأرض. وتتمثل الاحتياطيات الوحيدة ذات الجدوى التجارية في عدد قليل من آبار الغاز الطبيعي، معظمها في الولايات المتحدة، والتي حُبس فيها الهيليوم نتيجة التحلل الإشعاعي البطيء للمواد المشعة داخل الأرض. وبالمعايير البشرية، يُعد الهيليوم موردًا غير متجدد، ولا يمكن تصنيعه عمليًا من مواد أخرى. فعندما يتسرب إلى الغلاف الجوي، مثلاً عند تسرب أو انفجار بالون مملوء بالهيليوم، فإنه يتسرب في النهاية إلى الفضاء ويضيع.

في الماضي، كان يُستخدم غاز الفحم ، وهو خليط من الهيدروجين وأول أكسيد الكربون وغازات أخرى مثل غاز بلاو ، في صناعة المناطيد. ^{[ 5 ]} كان متوفرًا بكثرة ورخيص الثمن. تشمل عيوبه كثافته العالية (مما يقلل من قوة الرفع)، وقابليته للاشتعال ^{[ 6 ]} ، والسمية العالية ^{[ 7 ]} لمحتواه من أول أكسيد الكربون.

تم استخدام الأمونيا كغاز رافع في البالونات، ^{[ 8 ]} ولكن على الرغم من أنها غير مكلفة، إلا أنها ثقيلة نسبيًا (كثافة 0.769  جم/لتر في الظروف القياسية، متوسط ​​الكتلة الجزيئية 17.03  جم/مول)، وهي مادة مهيجة سامة، ويمكن أن تتلف بعض المعادن والبلاستيك.

يُستخدم غاز الميثان (كثافته 0.716  غ/لتر في الظروف القياسية، ومتوسط ​​كتلته الجزيئية 16.04  غ/مول)، وهو المكون الرئيسي للغاز الطبيعي ، أحيانًا كغاز رافع عند عدم توفر الهيدروجين والهيليوم. يتميز الميثان بميزة عدم تسربه عبر جدران البالونات بنفس سرعة تسرب جزيئات الهيدروجين والهيليوم الأصغر حجمًا. تُصنع العديد من البالونات الأخف من الهواء من بلاستيك مُطلي بالألومنيوم، مما يحد من هذا التسرب؛ بينما يتسرب الهيدروجين والهيليوم بسرعة عبر بالونات اللاتكس. مع ذلك، يُعد الميثان شديد الاشتعال، ومثل الهيدروجين، لا يُناسب استخدامه في المناطيد التي تحمل الركاب. كما أنه كثيف نسبيًا ويُعتبر من غازات الدفيئة القوية .

من الممكن أيضاً الجمع بين بعض الحلول المذكورة أعلاه. ومن الأمثلة المعروفة بالون روزيير ، الذي يجمع بين لب من الهيليوم وغلاف خارجي من الهواء الساخن.

يُعدّ الماء في حالته الغازية أخفّ من الهواء (كثافته 0.804  غ/لتر في الظروف القياسية، ومتوسط ​​كتلته الجزيئية 18.015  غ/مول) نظرًا لانخفاض كتلته المولية مقارنةً بالغازات الجوية الشائعة مثل غاز النيتروجين (N₂ ₎ . وهو غير قابل للاشتعال وأرخص بكثير من الهيليوم. يعود مفهوم استخدام البخار للرفع إلى 200 عام. لطالما تمثّل التحدي الأكبر في ابتكار مادة قادرة على مقاومته. في عام 2003، نجح فريق جامعي في برلين، ألمانيا، في صنع بالون يُرفع بالبخار عند درجة حرارة 150 درجة مئوية. ^{[ 9 ]} مع ذلك، يُعتبر هذا التصميم غير عملي عمومًا بسبب ارتفاع درجة غليان البخار وظاهرة التكثيف. 

يُعدّ فلوريد الهيدروجين أخف من الهواء، ويمكن نظرياً استخدامه كغاز رافع. إلا أنه شديد التآكل، وسام للغاية، ومكلف، وأثقل من غازات الرفع الأخرى، كما أن درجة غليانه مرتفعة (19.5  درجة مئوية). لذا، فإن استخدامه غير عملي.

يُعدّ الأسيتيلين أخفّ من الهواء بنسبة 10%، ويمكن استخدامه كغاز رافع. إلا أن قابليته الشديدة للاشتعال وقدرته المنخفضة على الرفع تجعله خياراً غير مرغوب فيه.

يُعدّ سيانيد الهيدروجين ، الأخف من الهواء بنسبة 7%، قابلاً للاستخدام تقنياً كغاز رافع عند درجات حرارة أعلى من نقطة غليانه البالغة 25.6  درجة مئوية. إلا أن سميته الشديدة، وانخفاض طفوه، وانخفاض نقطة غليانه حالت دون استخدامه في مثل هذه الظروف.

يُعدّ النيون أخفّ من الهواء (كثافته 0.900  غ/لتر في الظروف القياسية، ومتوسط ​​كتلته الذرية 20.17  غ/مول)، ويمكنه رفع بالون ببطء. ^{[ 10 ]} ومثل الهيليوم، فهو غير قابل للاشتعال. مع ذلك، فهو نادر على الأرض وباهظ الثمن، ويُصنّف ضمن الغازات الأثقل التي ترفع الأشياء.

يتميز النيتروجين النقي بخموله ووفرته، كونه المكون الرئيسي للهواء. مع ذلك، ولأن النيتروجين (على هيئة N₂ ) أخف من الهواء _بنسبة 3% فقط، فهو ليس خيارًا مناسبًا كغاز رافع.

الإيثيلين هيدروكربون غير مشبع، كثافته أقل بنسبة 3% من كثافة الهواء. وعلى عكس النيتروجين، فإن الإيثيلين شديد الاشتعال وأغلى ثمناً بكثير، مما يجعل استخدامه كغاز رافع غير عملي على الإطلاق.

ثنائي البوران أخف قليلاً من النيتروجين الجزيئي، حيث تبلغ كتلته الجزيئية 27.7. ومع ذلك، كونه قابلاً للاشتعال التلقائي ، فإنه يشكل خطراً كبيراً على السلامة، على نطاق أكبر من الهيدروجين.

نظرياً، يمكن صنع مركبة هوائية ثابتة باستخدام فراغ أو فراغ جزئي. في وقت مبكر من عام 1670، أي قبل أكثر من قرن من أول رحلة مأهولة بمنطاد الهواء الساخن، ^{[ 11 ]} تخيل الراهب الإيطالي فرانشيسكو لانا دي تيرزي سفينة بأربع كرات مفرغة من الهواء.

في حالة مثالية نظرياً، حيث تكون الكرات عديمة الوزن، يمتلك "البالون المفرغ" قوة رفع صافية تزيد بنسبة 7% عن قوة رفع البالون المملوء بالهيدروجين، و16% عن قوة رفع البالون المملوء بالهيليوم. مع ذلك، ونظراً لضرورة بقاء جدران البالون صلبة دون أن تنفجر، فإن تصنيعه بأي مادة معروفة أمر غير عملي. على الرغم من ذلك، يُثار النقاش حول هذا الموضوع أحياناً. ^{[ 12 ]}

على الرغم من أن الهلام ليس غازًا، فمن الممكن تصنيع هلام هوائي فائق الخفة بكثافة أقل من كثافة الهواء، وقد سُجِّل أخف هلام هوائي حتى الآن بكثافة تُقارب سدس كثافة الهواء. ^{[ 13 ]} مع ذلك، لا يطفو الهلام الهوائي في الظروف المحيطة، لأن الهواء يملأ مسام بنيته المجهرية، وبالتالي فإن الكثافة الظاهرية للهلام الهوائي هي مجموع كثافة مادة الهلام والهواء الموجود بداخلها. في عام 2021، نجح فريق من الباحثين في رفع سلسلة من الهلامات الهوائية الكربونية عن طريق تسخينها بمصباح هالوجين، مما أدى إلى خفض كثافة الهواء المحصور في البنية المجهرية المسامية للهلام، وبالتالي السماح له بالطفو. ^{[ 14 ]}