Was sind die technischen oder mechanischen Einschränkungen dafür?

Es ist kein Material bekannt, das eine ausreichende Kombination aus Leichtigkeit und Festigkeit aufweist ein Vakuum unterstützen, das das Gewicht des Containers auf der Erde auf Meereshöhe tragen würde.

Es gab eine ähnliche Frage mit einer guten Antwort auf Physics.se

Ist es möglich, aus Beryllium oder anderen Elementen oder Legierungen einen festen, starren, evakuierten "Ballon" herzustellen?

Die derzeit erste Antwort läuft durch die Mathematik

berechnete es über eine Datenbank mit fast 3700 Materialien, einschließlich aller gängigen Verbundwerkstoffe, Metalle und Legierungen für die Luft- und Raumfahrt.

und schließt

Kurz gesagt, die besten Materialien verfehlen unser Ziel um einen Faktor von etwas mehr als 2. Es ist denkbar, dass wir Druck machen Erhöhen Sie das Verhältnis von Steifheit zu Dichte, indem Sie möglicherweise eine Art Berylliumschaum entwickeln. Zum Beispiel würde ein geschlossenzelliger Schaum dieses Berylliums mit einer relativen Dichte von 0,041 einen Wert von ungefähr 920 ergeben, auf Kosten einer Verringerung des Elastizitätsmoduls auf ungefähr 600 MPa - ich habe jedoch keine Ahnung, ob ein solcher Schaum überhaupt möglich ist. Alternativ könnte es möglich sein, eine clevere Konstruktion der Hüllkurvengeometrie zu entwickeln, um die Knickbeschränkung zu überwinden. Ich vermute jedoch, dass sich der Aufwand wahrscheinlich nicht mit einer besseren Boyancy Ratio auszahlt, als dies mit herkömmlichen Ballons bereits möglich ist.

Andere verwandte Fragen

Die anderen Antworten weisen korrekt auf die extremen (unmöglichen) Anforderungen an die Materialfestigkeit und -steifigkeit eines Vakuumballons hin. Ein weiterer bemerkenswerter Punkt ist, dass der Vorteil der Tragfähigkeit gering ist; Bei Standardtemperatur und -druck betragen die Auftriebswerte von Helium, Wasserstoff und Vakuum 1,096, 1,185 bzw. 1,275 kg / m 3. Selbst wenn Sie hypothetisch einen Vakuumballon mit der gleichen Hüllmasse wie ein Wasserstoff- oder Heliumballon bauen könnten, wäre er nicht in der Lage, viel mehr Nutzlast zu heben.

Unter dem Argument, dass es unmöglich ist, eine Struktur zu bauen, die dem äußeren Druck standhält, wies Pericynthion auf ein anderes Argument hin: Der Auftrieb von Gas und Vakuum ist ähnlich und die höhere Masse eines Vakuum-Luftschiffs hebt den Vorteil auf.

Aber es gibt noch mehr:

Luftschiffe enthalten normalerweise einen mit Luft gefüllten Ballon. Wenn das Schiff aufsteigt, dehnt sich das Gas aus und die Luft wird herausgedrückt. (Siehe http://www.americanblimp.com/fly.htm) Auf diese Weise sind der innere und der äußere Druck gleich und der Rumpf wird durch Überdruck nicht zusätzlich belastet.

Auch der Auftrieb nimmt nicht ab: In einer Höhe von etwa 5,8 km wird der Luftdruck auf 50% reduziert, ebenso wie der Auftrieb für ein festes Volumen . Wenn Sie das Gas expandieren lassen, wird es sich auf das Doppelte seines Volumens ausdehnen. Durch zweimaliges Volumen mal 50% Auftrieb erhalten Sie wieder 100% Auftrieb.

Aber ein festes Vakuumvolumen dehnt sich nicht aus und hat nur 50% seines Auftriebs auf Meereshöhe.

Natürlich ist eine Höhe von 5,8 km sehr groß viel für ein Luftschiff, aber die Zahlen sind schön, um den Effekt zu zeigen. Und aufgrund der exponentiellen Natur des Luftdrucks hat ein gasgefülltes Luftschiff, mit dem sich das Gas ausdehnen kann, einen höheren Auftrieb als ein Vakuumluftschiff mit einem festen Volumen von über 600 m für mit Wasserstoff gefüllte und 1200 m für mit Helium gefüllte Schiffe . Hier ist ein Diagramm, in dem der Auftrieb von 1 m³ Vakuum mit 1 m³ Gas auf Meereshöhe verglichen wird:

(Übrigens: Dies ist der Grund, warum Wetterballons einen flexiblen Rumpf haben oder nur teilweise gefüllt zu sein scheinen auf Meereshöhe)

Alle Links, die ich gesehen habe, verweisen auf Websites, bei denen implizit oder explizit davon ausgegangen wird, dass das Luftschiff eine homogene Kugel ist. Dieser Ansatz hat einige Vorteile - jeder Fehler muss irgendwann entstehen, und wenn die Kugel absolut einheitlich ist, gibt es keinen offensichtlichen Punkt für den ersten Fehler. und in der analogen Situation der Tiefseeforschung hat sich gezeigt, dass sphärische Konstruktionen ihre Verwendung haben. In der Praxis ist jedoch keine Materialkonstruktion jemals vollständig einheitlich, und selbst wenn dies der Fall wäre, würde es bis zum Hochfahren des Luftschiffs einen Unterschied zwischen den Punkten geben, die mit dem Boden oder den tragenden Strukturen in Kontakt standen, und denen, die dies nicht waren.

Es scheint mir, dass ein viel besserer Ansatz darin besteht, etwas zu haben, das ungefähr kugelförmig ist, das aber intern von einem komplexen System von Rippen und Strebepfeilern getragen wird, ähnlich wie es in einer gotischen Kathedrale zu finden ist.

Schauen Sie sich als Ausgangspunkt z http://www.cutoutfoldup.com/905-spherical-model---cube.php. Stellen Sie sich vor, diese Struktur wurde mit den stärksten verfügbaren Materialien skaliert und mit extrem hoher Präzision hergestellt und von einem dünnen Film abgedeckt, so dass der Innenraum ist vollständig geschlossen. Was Sie haben würden, ist im Wesentlichen eine Kugel, die an bestimmten Stellen (d. H. An den Stellen, an denen sich die Rippen befinden) sehr dick, an anderen jedoch sehr dünn ist. Die Rippen könnten enormen Drücken standhalten. Die anderen Punkte - nicht so sehr. So wie es aussieht, würde es an einem der nicht gerippten Punkte versagen. Also kein großer Fortschritt. Aber stellen Sie sich jetzt vor, dass das Material der Gesichter ziemlich stark gekrümmt ist; dass jede Fläche ein Teil einer Kugel ist, der viel kleiner und daher stärker gekrümmt ist als die gesamte Kugel. Diese kleineren kugelförmigen Segmente sollten einem viel größeren Außendruck standhalten können als eine große Kugel gleicher Dicke

Stellen Sie sich nun vor, jede dieser Blasen ist selbst gerippt, wobei die Facetten zwischen den Rippen von noch kleineren Rippen und Blasen besetzt sind. Die Konstruktion ist effektiv fraktal, wobei die Wiederholung in kleineren Maßstäben so oft auftritt, wie es erforderlich ist. Die kleinsten Blasen wären sehr stark gekrümmt und daher sehr stark. Der auf sie ausgeübte äußere Druck würde auf kleine Rippen gerichtet sein, die wiederum auf größere Rippen gerichtet wären, und so weiter. Ich kenne keine Versuche, ein Vakuum zu bauen, das in diese Richtung lenkbar ist, aber ich verstehe nicht, warum es nicht funktionieren sollte.

BEARBEITEN: Wenn wir verstehen, dass ein Vakuum erreichbar ist auf der Erde ist die Verwendung einer mechanischen Pumpe in der Tat nur ein Teilvakuum, und wir verwenden daher das Wort "Vakuum" als Abkürzung für "Teilvakuum". Daraus folgt, dass sich "Vakuum lenkbar" und "Hebegas lenkbar" nicht gegenseitig ausschließen . Es sollte möglich sein, ein Luftschiff mit Wasserstoff oder Helium bei deutlich reduziertem Druck anstelle des normalen leichten Überdrucks zu konstruieren. Die Steifigkeit müsste dann von der strukturellen Steifigkeit der Schale anstelle des Innendrucks herrühren.

Der große Vorteil bei einem Helium-Luftschiff mit reduziertem Druck besteht darin, dass unter normalen Umständen der Verlust von Helium in die Atmosphäre sollte vernachlässigbar sein, im Gegensatz zu einem normalen Ballon, bei dem die Verluste erheblich sind und kontinuierlich nachgefüllt werden müssen. Die Hauptgasversickerung würde vom Außenbereich mit höherem Druck zum Innenraum mit niedrigerem Druck erfolgen, und jedes möglicherweise austretende Helium würde tatsächlich gegen diesen Strom schwimmen. Es würde auch durch ein starres Material sickern, das für die Strömung wahrscheinlich undurchlässiger ist als ein flexibleres Material. Dieser Vorteil wird immer bedeutender, da der Preis für immer selteneres Helium weiter in die Höhe schnellen wird.

Nicht, dass es notwendig sein sollte, Helium mit vermindertem Druck zu verwenden, sondern nur, dass dies die Konstruktion erleichtern würde, indem der Druckunterschied zwischen Innen und Außen auf etwas verringert wird, das leichter zu handhaben ist. Aber ich bin mir ziemlich sicher, dass es mit einer intelligent gestalteten Schale möglich wäre, ein funktionierendes Luftschiff zu schaffen, selbst wenn der Innenraum einem harten Vakuum nahe kommt. Der von RedGrittyBrick in seiner Antwort zitierte Artikel besagt, dass "die besten Materialien unser Ziel um einen Faktor von etwas mehr als 2 nicht erreichen", und ich bin sicher, dass ein besseres strukturelles Design zu VIEL mehr als der doppelten Steifigkeit eines einfachen Homogenen führen würde Kugel für die gleiche Materialmasse. Die Anekdote von Supercat unten veranschaulicht dies.

Gemäß unserer Finite-Elemente-Analyse (US-Patentanmeldung 11/517915 (Akhmeteli, Gavrilin, Layered Shell Vacuum Balloons) finden Sie diese auf der USPTO-Website oder unter http://akhmeteli.org/wp-content/ uploads / 2011/08 / vakuum_ballons_cip.pdf) ist es möglich, einen Vakuumballon aus handelsüblichen Materialien und Sandwichstrukturen zu konstruieren. In seinem Kommentar bezieht sich @Hugh auf einen Wikipedia-Artikel, der unsere Berechnung hervorhebt und beweist, dass dies nicht möglich ist Machen Sie einen Vakuumballon als homogene Kugelschale aus derzeit verfügbaren Materialien, zitieren Sie jedoch nicht eindeutig unsere Schlussfolgerung zur Möglichkeit eines inhomogenen (Sandwichstruktur) Kugelschalen-Vakuumballons.