Wiederholung – Ballon beim Start

Wetterballons und das Heliumproblem

Zweimal täglich, überall auf der Welt zur selben Zeit, lassen etwa 900 Wetterstationen einen Ballon steigen. Jeder trägt eine kleine Instrumentenbox, eine Radiosonde, die während ihres Aufstiegs Temperatur, Druck und Luftfeuchtigkeit zurückfunkt. Diese Zahlen fließen in jede Wettervorhersage ein, die du liest.

Ein Wetterballon besteht aus dünnem Gummi. Am Boden ist er mit etwa 2,500 L Gas gefüllt und bildet eine Kugel mit ungefähr 1.7 m Durchmesser. Während er aufsteigt, wird die Luft um ihn herum dünner und der Druck außerhalb des Ballons sinkt, sodass sich das Gas darin ausdehnt und der Ballon anschwillt. In großer Höhe ist es außerdem sehr kalt, wodurch sich das Gas etwas zusammenzieht, aber der Druckabfall überwiegt bei Weitem. Etwa 30 km über dem Boden ist der Ballon auf sechs oder sieben Meter Durchmesser angewachsen, das Gummi reißt, und die Radiosonde fällt an einem kleinen Fallschirm zurück zur Erde.

Dasselbe Helium am Boden und in großer Höhe: weniger Zusammenstöße außerhalb, daher schwillt der Ballon an

Das Gas im Inneren muss leichter als Luft sein. Wasserstoff ist das leichteste Gas überhaupt und außerdem billig: Einige Stationen stellen ihn vor Ort her, indem sie Wasser mit Strom spalten, 2H₂O → 2H₂ + O₂. Wasserstoff ist jedoch brennbar, und ein Leck in der Nähe eines Funkens kann einen Brand auslösen. Deshalb verwenden die meisten Stationen Helium, ein Edelgas, das überhaupt nicht reagiert.

Helium hat ein eigenes Problem. Das Helium der Erde entstand langsam, über Millionen von Jahren, durch den α-Zerfall von Uran und Thorium in Gesteinen, und wird aus Erdgasquellen gewonnen. Sobald es in die Luft entweicht, steigt es auf und ist so leicht, dass es langsam ins All entweicht. Krankenhäuser benötigen es, um die Magnete von MRT-Scannern zu kühlen, und in Jahren der Knappheit ist sein Preis stark gestiegen. Wetterdienste in mehreren Ländern sind bei einigen Starts bereits wieder zu Wasserstoff übergegangen und verwenden automatische Startvorrichtungen, die Menschen vom Gas fernhalten.

Berechne die Masse des Heliums, $m$, in einem Ballon, der unter Raumbedingungen mit 2,500 L Helium gefüllt ist (He, 4 g/mol). Nimm an, dass 1 mol Gas unter Raumbedingungen 25 L einnimmt.