Opgeblazen

Weer zullen morgen woekerprijzen gevraagd worden voor luchtballonnen die met een paar liter helium gevuld zijn.

Helium is niet zo goedkoop als waterstof, dat erg brandbaar is, maar dat betekent niet dat het duur is. Hoe weinig duur wilde een woordvoerder van de firma Hoek Loos in Amsterdam trouwens niet zeggen. Het ballonnen-helium komt uit de VS waar het in zulke grote hoeveelheden in aardgas voorkomt dat het lonend is het eruit te halen. Daar bleef het bij.

Opeens kwam de vraag op of er geen alternatief was voor waterstof en helium. Al te makkelijk blijft uit de droevige Zeppelin-geschiedenis de overtuiging hangen dat er geen andere keuze is dan juist die twee. Toen de met waterstof gevulde Hindenburg in 1937 in vlammen opging en de VS niettemin weigerde Duitsland voortaan het onbrandbare helium te leveren was dat het einde van de Zeppelin-tijd. Waterstof of helium, over alternatieven lees je nooit.

In principe komen voor de vulling van luchtballonnen alle gassen in aanmerking die, onder identieke omstandigheden, een lagere dichtheid hebben dan lucht. Het Polytechnisch Zakboekje wijst de weg: dat geeft de dichtheden (bij 0 graad en 1 bar) voor een hele reeks gassen kant en klaar.

Lucht zelf heeft 1,29 kg/m. waterstof en helium blijven daar ver onder, maar ook voor methaan, ammoniak en aardgas (een mengsel van methaan, kooldioxide , stikstof en ammoniak) worden lage waarden opgegeven. Aan aardgas is in Nederland geen gebrek.

Onmisbaar voor de analyse is natuurlijk enig inzicht in de einddruk in een luchtballon van gemiddeld postuur (zeg: een ballon met een diameter van 25 centimeter, dus 8 liter inhoud).

De amateur-onderzoeker komt daar niet makkelijk achter, maar leidt uit het aantal ademstoten waarmee hij de ballon vult af dat het bescheiden is. Blazend in een met water gevulde slang (een open manometer) komt hij tot de slotsom dat de maximum overdruk die longen kunnen ontwikkelen hooguit anderhalve meter waterdruk is: 0,15 bar. Met zo'n druk brengt men een ballon makkelijk tot exploderen. Het lijkt verstandig de ballondruk op 1,1 bar te stellen.

Met een kleine aanpassing voor de reële druk en temperatuur was snel uitgerekend dat de beschreven ballon dan zo'n 6,8 gram aardgas kan bevatten. De te gebruiken proefballon (van de firma Globos) woog zelf 3,5 gram: samen 10,3 gram. Dat moet volgens de wet van Archimedes, die immers ook voor gassen geldt, worden gecompenseerd door de massa van de "verdrongen' hoeveelheid lucht. Daarvoor leverde de berekening 9,6 gram en de kans was dus groot dat dat net niet lukken zou. Het beste waarop viel te hopen was dat de ballon ging zweven.

Welnu: een zwevende ballon is altijd nog aardiger dan een ballon die als een natte zeepbel naar de grond zakt. Dus snel het gasfornuis losgekoppeld, ballon over de tuit van de gaskraan geschoven en de kraan geopend. Pas toen werd duidelijk hoe laag de druk is in de particuliere gasleiding. Van enige zwelling was geen sprake. ""Wij handhaven een overdruk van 25 millibar'', meldt een kalme woordvoerder van de verzamelde distributiebedrijven. Een absolute druk van 1,025 bar is dat: te weinig om een luchtballon op te blazen.

Daarmee verviel de mogelijkheid om rechtstreeks te bewijzen dat het Hollandse aardgas ook als ballonvulling een aardige rol zou spelen. Er restte slechts de herinnering aan een artikel waarin werd beschreven hoe Shell in 1972 overwoog aardgas per luchtschip uit Algerije over te brengen.

Wie geen helium in zijn ballon wil stuit op lucht als enig redelijk alternatief. Niet dat daarmee geen boeiende experimenten zijn te doen. Hierboven vindt men een fotografische opname van een klassiek experiment dat, in al zijn eenvoud, het AW-team in grote verwarring heeft achtergelaten. Het gaat zo: neem twee identieke ballonnen en steek in een van de twee een pijpje waarop later ook de andere ballon is aan te sluiten. Blaas de met pijp uitgeruste ballon flink hard op en laat uw assistente even het pijpje dichthouden. Blaas dan de andere ballon slap op en sluit hem aan op de pijp. Daarna gebeurt er (meestal) iets dat in de literatuur als contra-intutief wordt beschreven: de kleine ballon leegt zich in de grote en neemt zijn kleinste volume aan.

Zó maakt de literatuur (in casu: het hier vaker geciteerde "flying circus') zich er vanaf: in de kleinste ballon bestaat, anders dan men denken zou, een hogere druk dan in de grote ballon. Dat zit hem in de sterkere kromming van dat balonnetje waardoor de tangentiale elastische krachten een grotere netto component in de richting van het centrum hebben dan bij een grote ballon. In een ballon die men opblaast neemt de druk af en niet toe (tot de maximale rek is bereikt natuurlijk). Dat stemt overeen met de ervaring dat ballonnen eigenlijk alleen in het begin veel tegendruk bieden tegen het opblazen.

Voor zeepbellen, waarmee de ballonnen in deze kwestie bijna altijd vergeleken worden, geldt de omgekeerde evenredigheid tussen diameter en druk ongetwijfeld, want daarin manifesteert zich immers een constante elastische kracht: de oppervlaktespanning. Dat het bij rubber anders zit is met hetzelfde stel ballonnen aan te tonen. Wie een beetje in het rubber durft te knijpen kan bijna alle soorten evenwicht tussen de twee ballonnen tot stand te brgen: A barstensvol en B leeg, A driekwart vol en B voor een kwart gevuld, enzovoort. En in alle gevallen is de druk in beide ballonnen even hoog (omdat ze immers met elkaar in verbinding staan).

Wie er gevoel voor heeft ziet in dat de sterk lokale zwelling die vaak aanvankelijk optreedt bij het opblazen van langwerpige (buisvormige) balonnen een andere uiting van het zelfde fenomeen is. Met wat knijpen is de zwelling te verplaatsen. J.E. Gordon's schrijft in "Structures or Why things don't fall down' (een Penguin uit 1978, door Aramith in 1987 in vertaling uitgegeven) het geheel toe aan de typische elastische eigenschappen van synthetische rubbers. ""Bij een rek van meer dan vijftig procent ontstaat een instabiele situatie: de buis zal op één plaats gaan uitstulpen.'' Dat is geen verklaring maar een beschrijving.