Warum Ballons höher, weiter und länger fliegen können als Flugzeuge

Im Mai 2002 brach ein vom Sanriku Balloon Center (SBC) im Norden Japans gestarteter Ballon still und leise jeden absoluten Höhenrekord, den die Menschheit jemals aufgestellt hatte.

Es schwebte schnell über die Höhe hinaus, die beim ersten erfolgreichen Ballonaufstieg im Jahr 1783 erreicht wurde – es kroch an der Ballonfahrt von 1901 vorbei, die 10,8 km (35.433 Fuß) erreichte und zur Entdeckung der Stratosphäre führte. Es übertraf jeden Höhenrekord, der jemals von einem Flugzeug aufgestellt wurde, sei es ein Hubschrauber, ein Propellerflugzeug oder ein Jet.

Der Ballon übertraf sogar die Rekordhöhe, die der ehemalige Google-Manager Alan Eustace im Jahr 2014 erreichte, als er mit dem Ballon auf 135.899 Fuß (41,4 km) aufstieg, bevor er aus der Kapsel stieg und mit dem Fallschirm zur Erde sprang.

Es stieg weiter auf, durch die oberen Bereiche der Stratosphäre in die Mesosphäre, die den kältesten Teil der Atmosphäre umfasst. Hier können die Temperaturen auf etwa -143 °C (-225 °F) sinken – kälter als jede Temperatur, die jemals auf der Erdoberfläche gemessen wurde.

Das könnte Ihnen auch gefallen:

Der Ballon erreichte schließlich eine Höhe von 53 km (173.900 Fuß) über der Oberfläche. Nur Objekte, die mit Raketen oder Kanonen abgefeuert wurden, stiegen höher. Es sind eher Ballons als Flugzeuge, die Menschen und ihre wissenschaftlichen Instrumente an die Grenzen des Weltraums gebracht haben.

Diese scheinbar simplen Luftfahrtgeräte können Instrumente und Ausrüstung an Orte bringen, die kein anderes Flugzeug erreichen kann, und dort länger bleiben.

In den Tagen nach dem Abschuss eines mutmaßlichen chinesischen Überwachungsballons, der fast 18 km (60.000 Fuß) über den Vereinigten Staaten schwebte, untersucht BBC Future, warum Ballons oft die erste Wahl von Wissenschaftlern, Internetunternehmen, Wettervorhersagern und anderen sind möglicherweise staatliche Spionageagenturen.

Wie hoch dürfen Ballons fliegen?

Diese Ballons, die große Höhen erreichen – wie der Rekordballon von 2002 oder der chinesische Ballon, der diesen Monat den diplomatischen Zwischenfall mit den USA verursachte – sind offensichtlich eine andere Art als die Heißluftballons, die für Spritztouren verwendet werden. Was braucht es, um ein Fahrzeug in die Lage zu versetzen, so hoch zu kommen – und dort oben zu bleiben?

Ein chinesischer Ballon, der diesen Monat über den USA schwebte, verursachte einen diplomatischen Zwischenfall, obwohl China bestritt, dass es sich um Spionage handelte (Quelle: Reuters)

Russ Van Der Werff vom US-amerikanischen Hersteller von Höhenballons Aerostar hat eine bessere Idee als die meisten anderen. Van Der Werff, Vizepräsident des Unternehmens für Stratosphärenlösungen, ist ein Ingenieur, der das Team leitet, das Ballons entwickelt, die kilometerweit über dem Bereich von Verkehrsflugzeugen eingesetzt werden sollen. Raven Aerostar hat sowohl im Verteidigungs- als auch im kommerziellen Sektor gearbeitet und die Ballons für Googles Notfall-Internetprojekt Loon entworfen. (Lesen Sie mehr darüber, wie die Ballons von Google ihre Entwickler überraschten.)

In den letzten 10 Jahren hat der Aerostar mehr als 3.000 Ballons gestartet und dabei die Art und Weise, wie er sie baut, verfeinert. „Wir haben unterschiedliche Formulierungen von Kunststoffen entwickelt. Und wir haben ein paar proprietäre Dinge, die wir jetzt verwenden und die deutlich besser sind als das, was wir vor 10 Jahren verwendet haben. Die andere Sache ist, wie dieser Kunststoff gesäumt oder geschweißt wird.“ Together ist ein besonderer Prozess, in den wir viele Iterationen gesteckt haben.“

Diese Verbesserungen tragen nicht nur dazu bei, dass die Ballons höher fliegen, sondern auch, dass sie länger in der Luft bleiben. „Um Ihnen eine Vorstellung zu geben, Thunderhead, das ist unser aktuelles kommerzielles Produktangebot: Wir haben mittlerweile Flüge mit einer Dauer von mehr als 150 Tagen mit einem einzigen Ballon durchgeführt. Und mit Loon lag unser Rekord am Ende bei 320 Tagen.“ Das sind also Zahlen, die wir vor 30 Jahren definitiv nicht hatten, und die Materialien und Herstellungstechniken haben einen großen Unterschied in dieser Lebensdauer gemacht.“ Das Loon-Projekt wurde 2021 abgebrochen, aber Van Der Werff geht davon aus, dass sein Unternehmen bald einen Ballon starten kann, der ein ganzes Kalenderjahr lang in der Luft bleibt.

Der chinesische Ballon schoss diese Woche ab, nachdem er Tausende von Kilometern über den Pazifik und die kontinentalen USA zurückgelegt hatte, und zeigt, welch enorme Entfernungen solche Ballons zurücklegen können. Wie hoch sie fliegen können, hängt auch von der Qualität des Ballons ab, der die Nutzlast trägt.

Sehen Sie sich das Video oben an, um zu erfahren, warum Spionageballons im Zeitalter von Drohnen und Satelliten immer noch nützlich sind

Loons Ballonflotte, die mit Kommunikationstechnologie ausgestattet ist, die eine mobile Abdeckung in abgelegenen oder von Katastrophen betroffenen Gebieten ermöglichen würde, war für den Betrieb in einer Höhe von 19 bis 25 km (62.700 bis 82.500 Fuß) ausgelegt. Das ist doppelt so viel wie bei den meisten Verkehrsflugzeugen und deutlich höher als bei fast allen außer den hochspezialisierten Militärjets.

Was tragen Höhenballons?

Abhängig von ihrer Mission tragen diese Ballons alles von wissenschaftlichen Messgeräten bis hin zu Kommunikationsgeräten oder – wenn Spionage ihre Aufgabe ist – Sensoren oder Kameras zur Beobachtung des Bodens unter ihnen. „Es ist eine herausfordernde Umgebung, für die man Geräte entwickeln muss“, sagt Van Der Werff. „Die Entwicklung von Elektronik für einen Ballon ähnelt stark der Entwicklung von Elektronik für ein Raumschiff. Die Atmosphäre in nur 90.000 Fuß (27,2 km) Höhe hat hier eine Dichte von etwa 1 %.“

„Dort oben wird es sehr kalt, wir werden bis zu minus 80 Grad Celsius haben“, sagt er. „Aber was amüsant und interessant ist, ist, dass Menschen, die Elektronik für die Stratosphäre entwerfen, normalerweise mehr Schwierigkeiten haben, sie kühl als warm zu halten, weil es dort oben [so gut wie] keine Luft gibt. Das kann man also nicht.“ Einen Lüfter über den Kühlkörper blasen, um die Thermik herauszubewegen. Die Kehrseite dieser Herausforderung ist, dass das ganze Zeug hochfährt und auf dem Boden läuft. Man muss also in dieser Umgebung arbeiten und dann in die andere Umgebung [bei 90.000 Fuß] wechseln ], was eine Herausforderung ist.“

Aerostar hat in den letzten Jahren mehr als 3.000 Höhenballons gestartet (Quelle: Aerostar)

Es ist auch nicht einfach, diese elektrischen Instrumente mehr als 20 km über der Erdoberfläche am Laufen zu halten. „Der größte Teil der Luftfahrt wird heute noch mit fossilen Brennstoffen betrieben“, sagt Van Der Werff. „Wenn man Kerosin verbrennt, hat man viel Strom. Die meisten elektronischen Sensoren und Kommunikationsgeräte, die für Flugzeuge entwickelt wurden, verbrauchen viel Strom, weil der Strom bei den meisten Flugzeugen einfach keine große Einschränkung darstellt.“

Ballongetragene Instrumente erfordern eine andere Lösung.

„Tagsüber beziehen wir unsere gesamte Energie aus der Sonne, laden die Batterien auf und treiben dann mit den Batterien durch die Nacht“, sagt Van Der Werff. „Und wenn wir den Ballon dann auf und ab manövrieren, verwenden wir einen elektrisch betriebenen Kompressor, der bis zu 800 W ziehen kann. Es gibt eine echte Designbeschränkung hinsichtlich des Energieverbrauchs für die Sensoren für das Kit, das Kommunikationskit.“

Wie steuert man so einen Ballon?

Auch die Kursänderung eines Ballons in solchen Höhen ist schwierig. Van Der Werff sagt, dass der beste Weg darin besteht, den Ballon auf und ab zu bewegen, wo er die einzigartigen Eigenschaften der Stratosphäre nutzen kann. „Es heißt Stratosphäre, weil es dort verschiedene Schichten mit unterschiedlichen atmosphärischen Eigenschaften gibt. Beim Fliegen all dieser Ballons haben wir herausgefunden, dass es in diesen unterschiedlichen Höhen tatsächlich eine große Vielfalt an Windgeschwindigkeit und -richtung gibt. Es gibt diese verschiedenen Schichten, wo.“ Der Wind weht aus verschiedenen Richtungen.

Vieles davon war bis vor einigen Jahrzehnten unbekannt, und Wissenschaftler und Ingenieure verwenden Algorithmen, um die Windmuster in der Stratosphäre vorherzusagen.

Das bedeutet, dass ein Ballon zwar nicht wie ein Flugzeug „herumlungern“ kann, indem es in einer Rennbahnform um einen festen Punkt fliegt, aber die unterschiedlichen Windmuster zwischen diesen Schichten ausnutzen kann.

Einige von Steve Randalls Ballons sind bis zu 800 km weit gereist (Quelle: Steve Randall)

„Wenn ich die Windvielfalt in diesen verschiedenen Schichten der Stratosphäre genau modellieren und vorhersagen kann, kann ich Höhen ändern und über ein Gebiet hinweg sozusagen bestehen bleiben“, sagt Van Der Werff. „Und solange ich nahe genug an dem bin, was ich zu messen, zu beobachten und zu kommunizieren versuche – selbst wenn ich halbwegs ziellos um diesen Zielpunkt herumwandere – sorge ich für einen nützlichen Effekt.“

Die Kosten

Ballons sind viel billiger als ein Satellit, der mit einer Rakete in die Luft geschickt wird – was sie nicht nur kommerziell rentabel macht, sondern auch für engagierte Amateur-Enthusiasten interessant macht.

Steve Randall ist einer von ihnen. In den letzten 15 Jahren hat er mehr als 200 Ballons in der Nähe seiner Heimat im Osten Englands aufsteigen lassen und hilft bei der Leitung des Höhenballonunternehmens Random Engineering. Der pensionierte Ingenieur, der zuvor selbstgemachte Raketen gebaut hat, sagt, ein Teil des Reizes liege darin, dass es für einen normalen Bürger so nah wie möglich an den Weltraum herankomme.

„Ein typischer Latexballon erreicht wahrscheinlich eine Höhe von etwa 100.000 Fuß (30,48 km)“, sagt er. „Mein höchster Flug war 45 km (147.638 Fuß). Das gibt Ihnen eine Vorstellung davon, was erreichbar ist.“ Höhere Flüge sind möglich – wie die Japaner 2002 bewiesen haben –, aber das ist mit einem höheren Preis verbunden.

„Eine typische Latexballonfliege steigt einfach auf und der Ballon wird größer, weil die Atmosphäre immer dünner wird und der Druck sinkt“, sagt Randall. „Und so geht es einfach immer höher und höher, bis es den Punkt erreicht, an dem es platzt. Dann stürzt es mit dem Fallschirm auf den Boden.“

Die Distanz, die sie in der Luft zurücklegen können, macht sie attraktiv. Ballons sind nicht wie Drohnen oder Flugzeuge durch Treibstoff oder Batterieleistung begrenzt. Dies kann bedeuten, dass selbst sehr einfache Ballons bei den richtigen Windverhältnissen weite Strecken zurücklegen können.

„Wissen Sie, das könnte in den Sommermonaten vielleicht 10 Meilen (16 km) sein“, sagt Randall. „Im Winter könnten es 500 Meilen (800 km) sein. Ich persönlich habe Ballons außerhalb des Vereinigten Königreichs landen lassen.“

Höhenballonfahrten machen selten so viel Schlagzeilen wie in letzter Zeit, aber es werden jeden Tag mindestens 1.800 Wetterballons von Wetterstationen auf der ganzen Welt gestartet. Viele haben Notizzettel, in denen sie die Entdecker auffordern, sie an die entsprechende Einrichtung zurückzugeben – manche bieten sogar eine Belohnung an.

„Ich selbst habe nie meine Nutzlast verloren, ich habe jede einzelne, die ich gestartet habe, zurückbekommen“, sagt Randall. „Ein Ballonflug steigt auf und wieder herunter, vielleicht 80 km entfernt, und man holt ihn irgendwo auf dem Feld eines Bauern ab. Manchmal landet er auf einem Baum, und man muss die Stangen herausholen und ihn ziehen, um ihn zu ziehen.“ runter."

Nur einer der mehr als 200 von ihm gestarteten Ballons konnte nicht geborgen werden, weil er zu weit oben auf einem Baum gelandet war – „auf einen 15 Meter hohen Baum zu klettern, um ihn zurückzubekommen, war einfach zu viel.“ – aber zumindest wusste er, wo es gelandet war.

--

Schließen Sie sich einer Million Future-Fans an, indem Sie uns likenFacebook, oder folgen Sie uns weiterTwitteroderInstagram.

Wenn Ihnen diese Geschichte gefallen hat,Melden Sie sich für den wöchentlichen Feature-Newsletter von bbc.com an, genannt „The Essential List“ – eine handverlesene Auswahl von Geschichten der BBCZukunft,Kultur,Arbeitsleben,ReisenUndSpulejeden Freitag in Ihren Posteingang geliefert.