In English? Click Here!

Skriven i 9e klass, del av Science Fair

 

En kort film om projektet, se ovan eller klicka här

 

Introduktion:

Varje år på marknadsafton ser man ballongförsäljare som har sina heliumballonger fastknutna i en cementklump. Jag har alltid funderat över om min lillasyster Sara skulle flyga iväg om hon håller i alla ballongerna.

Det fanns en man på 80-talet, Larry Walters, som flög med heliumballonger. Han hade planerat att i en stol kunna sväva omkring på 10m höjd. Men han gjorde några felberäkningar. Snabbt steg han upp till 4 600m höjd.

I början av 1900-talet användes luftskepp, så kallade zeppelinare, som transportmedel. Det gick reguljära flyglinjer mellan Europa och både Nord- och Sydamerika. Fördelen med dem var att man kunde flyga långa sträckor och man kunde transportera relativt tunga transporter och jämfört med fartyg gick det snabbare.

Tyskland som under mellankrigstiden stod för dessa linjer använde sig av vätgas. De använde sig av vätgas eftersom de största tillgångarna av helium fanns i USA och Tyskland fick ej ta del av den. Nackdelen med vätgas är att den är väldigt explosiv. När den kommer i kontakt med en kombination av eld och syre, t.ex. en gnista, då kan den explodera. Reaktionen blir då 2H2 (g) + O2 (g) + gnista 2H2O (g) + 576 kJ, dvs vatten och en stor mängd energi. (I jämförelse ger 1 g kolhyhydrat 17 kJ, och här ger 4 väte atomer 576 kJ). Vilken enorm mängd energi dessa små atomer har!

Explosion är precis vad som hände 1937 utanför New York. Då exploderade det tyska luftskeppet Hindenburg. Efter den välkända katastrofen, skars användandet av vätgasballonger ner och efterfrågan av zeppelinare minskade.

Nu har vinden vänt igen. Företaget Aeros Corporation i Kalifornien planerar att fram till 2016 bygga 24 st heliumfyllda zeppelinare. Deras zeppelinare som heter Aeroscraft Cargo ska användas för godstransporter. Fördelen är att de är miljövänliga, de släpper ut mycket mindre avgaser jämfört med vanliga fraktflygplan, och de kan dessutom lyfta jättemycket. Företaget Aeros Corporation, använder zeppelinare som kan frakta uppemot 200 ton, som tex vindkraftverk. En annan stor fördel är att farkosterna landar vertikalt, så det behövs inga stora landningsbanor. Fördelarna jämfört med tåg och lastbil är att de inte är bundna till vägar eller järnvägar och hindras inte av vatten och man kan därför transportera gods som t.ex. vindkraftverk till annars otillgängliga platser.

I detta arbete kommer jag undersöka om det går att lyfta min syster Sara. Jag kommer göra ett praktiskt försök att lyfta min lillasyster med väte och/eller helium. Jag kommer även att fördjupa mig i ämnet hur små atomer kan ge stora krafter att lyfta.

Kemin bakom väte och helium:

Väte är den vanligaste ämnet i universum, 90% av alla ämnen är väte. Helium är det näst vanligaste ämnet. Det vill säga att båda ämnena finns i enorma mängder.

Helium kan tillverkas från naturgas genom fraktionerad destilation. Fraktionerad destilation innebär att en mängd olika gaser kyls ned till flytande. Olika ämnen har olika kokpunkter. När man höjer temperaturen, förångas ämnena i tur och ordning efter sina kokpunkter, exempelvis har helium sin kokpunkt vid -263 Celcius. Man får vid denna temperatur ren helium.  

Vätgas kan tillverkas genom elektrolys eller kemiskt.

När man först tittar på väte och helium, ser de väldigt lika ut. Väte (H) har nr 1 i periodiska systemet och helium (He) har nr 2. Väte har endast en elektron i sitt skal och är därför reaktiv. Helium har däremot fullt skal och är därför en så kallad ädelgas, och är inte så reaktiv.

Hur kommer det sig att en ballong fylld med helium eller vätgas lyfter?

Runt omkring oss finns det luft. Vätgas och helium har en lägre densitet än luft, det vill säga att de väger mindre. Därför stiger helium och vätgas, och har lyftkraft i luft. Helium har en något lägre lyftkraft än vätgas.

Ren vätgas har en bärkraft, dvs kan lyfta 1,2 kg/m³.

Ren helium har en bärkraft på 1,1 kg/m³.

För att räkna ut densiteten (p) använder man sig av formeln  p = m/V, massan (m) mäts i kg och volymen (V) i m3.

Vätgas har densiteten 0,089kg/m3, luft 1,204kg/m3 och helium 0,18kg/m3.

 

Frågeställning:

1. Kommer min lillasyster Sara med ekipage flyga iväg om hon får alla ballonger (30 st) av en ballongförsäljare? (försök 1)

2. Om det ej går att lyfta Sara med ekipage, hur många ballonger krävs för att lyfta henne? (matematisk uträkning)

3. Hur mycket kan 30 ballonger lyfta? (matematisk uträkning)

4. Kan Saras docka, dockans hund och en GoPro-kamera lyftas av 30 ballonger? (försök 2)

5. Hur många ballonger krävs för att lyfta docka, dockans hund och GoPro kamera? (matematisk uträkning)

Material:

Plan A med egentillverkad vätgas:

Till experimentet där jag försökte lyfta min syster med vätgasballonger, använde jag mig av: 30 latex ballonger (á 3,0g och volym 12liter), lillasyster Sara med kläder (28,0kg), campingstol i barn storlek (1,1kg), farmors hund Tezzi (5,4kg), paraply (0,50kg), docka med plast hund (31g), luftgevär, GoPro-kamera (155g), snöre 10 m (vikt), present snöre ca 40m (vikt/m), fiskespö med lång lina - ca 200m (vikt), och egentillverkad vätgas.

Till framställningen av vätgas använde jag mig av: Natriumhydroxid (NaHO), aluminium kross (Al), vatten och hemmagjord “vätgastillverkare”.

Till tillverkning av “vätgastillverkaren” använde jag mig av: 2 stora tomma proteinburkar med lock, topp av petflaska med kork, petflaska med stor öppning, ca 2,5 meter plastslang - ca 3 cm i diameter, tvåkomponent lim, silikon, plastfolie och silvertejp. Se bild brevid.

 

Plan B med inköpt helium:

Till experimentet där jag försökte lyfta min syster med heliumballonger, använde jag mig av samma material som i plan A. Men istället för vätgas hade jag helium i tuber, inköpt på Teknikmagasinet.

 

Metod:

För att hitta fakta och matematiska formler googlade jag och läste i vetenskapliga tidskrifter. Jag räknade fram volymen av en ballong genom formeln för volymen av en ellipsoid (se matematiska uträkningar I ).
Jag räknade fram hur mycket lyftkraft både vätgasballonger och heliumballonger har (se matematiska uträkningar II ).

Försök 1, att lyfta Sara:  

  1. Jag fyllde 25 ballonger med helium, därefter tog gasen slut, gjorde knut och knöt ihop dem med lina.

  2. Jag knöt fast campingstolen i förankringen.

  3. Jag knöt fast snöret med ballongerna i campingstolen.

  4. Sara satte sig i stolen beväpnad med paraply med spik på toppen och höll i sig hårt i stolen.

  5. Hunden satte sig i Saras knä.

  6. Jag kapade snöret mellan stolen och ankaret och observerade vad som hände.

Försök 2, med docka: 

  1. Jag knöt fast snörena med ballongerna i dockan med hunden.

  2. Jag fäste GoPro kameran till snöret med ballongerna

  3. Jag knöt fast början på fiskelinan, som satt på fiskespöt, i dockan. Fiskespö med fiskelina hade jag för att kunna veva in kameran och dockan om de flög iväg.

  4. Jag släppte förankringslinan till ballongerna och observerade vad som hände.

Resultat:

Jag försökte enligt plan A framställa vätgas själv. Efter jag tillverkat vätgas och fyllt två ballonger (för formel vid tillverkning, se matematiska uträkningar och formler VI), avbröt jag plan A pågrund av att trycket var för högt i reaktionskärlet så gas pyste ut. Jag övergick då till plan B, och fyllde ballongerna med helium från tub istället. Heliumet räckte ej till 30 ballonger, utan bara till 25 ballonger.

Resultat på mina frågeställningar:

1. Min lillasyster Sara flög inte iväg av ballongerna. (försök 1 och plan B)

2. För att lyfta Sara + farmors hund + paraply + stol, skulle det behövas drygt 3400 heliumballonger eller nästan 3100 vätgasballonger. Detta betyder att det krävs mer än 100 gånger flera ballonger än planerat. För uträkningar, se matematiska uträkningar III.

3. De 30 heliumballonger som ballongförsäljaren håller i kan lyfta ca 306g, och om det vore 30 vätgasballonger skulle det kunna lyfta 342g. För uträkningar, se matematiska uträkningar IV.

4. Dockan, dockans hund och GoPro-kameran flög snabbt iväg när vi släppte förankringslinan. Detta trots att vi endast hade 25 ballonger. Detta eftersom 25 heliumballonger har en lyftkraft på 255g och ekipaget vägde 186g.

5. Det hade endast behövts ca 19 heliumballonger för att lyfta dockan, dockans hund och GoPro kameran med en totalvikt på 186g. För uträkningar, se matematiska uträkningar V.

 

Riskbedömning:

Vid tillverkning av vätgas: När natriumhydroxiden blandas med vatten, bildas det farliga gaser och frätande vätska, lut. Gaserna är farliga att andas in och vätskan är frätande om man får den på huden, ögonen eller på kläderna. Sedan är vätgas explosiv, den kan explodera om den kommer i kontakt med syre och eld. Därför hade jag glasögon, handskar, hörselkåpor och tjocka kläder som skydd. Jag var utomhus dels för att inte andas in farliga ångor, men också för att inte ge skador på huset.

Vid påfyllning av helium var min enda uppskattade risk att ballongerna skulle explodera och att jag skulle få ont i öronen. Därför använde jag hörselkåpor. Vid hantering av gas i tryckkärl finns det risk för explosion vid höga temperaturer, men denna risk fanns inte här.

För att förhindra att Sara skulle flyga iväg okontrollerat, hade hon ett paraply med en spik på toppen, för att picka hål på ballongerna med när hon vill komma ner. Om det ej hade gått att picka hål i ballongerna pågrund av att hennes armar var för korta, kunde hon använda paraplyet som fallskärm. Om hon skulle tappa paraplyet eller ej vågat hoppa,var jag beredd att skjuta ner ballongerna en i taget med luftgevär.

Diskussion:

Innan jag började projektet, visste jag inte om det skulle gå att lyfta Sara. Men snabbt efter matematiska uträkningar, insåg jag att det ej skulle gå. Jag genomförde experimentet ändå, för att fullfölja projektet.

Tanken var att fylla 30 ballonger med egentillverkad vätgas. Men trycket i reaktionskärlet blev för högt och gasläckagen blev för stor. Efter två fyllda ballonger, avbröts vätgastillverkningen. Därefter gick jag över med plan B, att fylla ballongerna med helium från tankar istället.

Om jag skulle göra ett nytt försök, skulle jag inte tillverka egen vätgas, dels för att det finns risker med detta och dels för att det var komplicerat och jag la mycket tid på detta. Jag skulle börja med helium på en gång. Jag skulle häller inte ha en hund i experimentet eftersom det är svårt att få hundar att göra som man vill. Hunden verkade inte ha så stort intresse för eventuell ballongfärd.

Enligt beräkningarna skulle heliumet ha räckt till 30 ballonger. Jag råkade tappa några ballonger så de flög iväg och några gick sönder. Om jag skulle göra om försöket, skulle jag ha försäkrat mig om att heliumtankarna skulle ha helium för mer än gas till 30 ballonger vid försökstillfället.

Innan försöket hade jag inte en tanke att kontrollera renheten på heliumet. Jag utgick ifrån att det var 100% helium. Men har nu efteråt förstått att heliumet som säljs som ballonggas ej är 100% helium. Så flera beräkningar stämmer inte eftersom jag räknat med ren helium.

Innan försöket tänkte jag ej på att vid ballongfärder hålla koll på väderleksförhållanden. Det optimala är om det är vindstilla och klart väder. Pågrund av tidsbrist behövde jag genomföra experimentet även fast det var mulet och lite blåsigt.

Vanligtvis använder man ett formellt språk i labrapporter och vetenskapliga uppsatser. Men jag har medvetet valt att skriva på ett vardagligt språk, T.ex skriver jag lillasyster Sara istället för “testperson 1” och farmorshund istället för “testhund 1”.

 

Sammanfattning:

Detta projekt gick ut på att undersöka om jag kunde skicka iväg min syster med 30 ballonger. Om detta ej fungerade skulle jag räkna ut hur många ballonger som krävs för detta. Vidare ville jag undersöka om om man kan lyfta en docka, dockans hund och en GoPro kamera (dockekipaget) med 30 ballonger. Jag har också fördjupat mig i teorin bakom ballongfärder.

Jag kom fram till att det ej går att skicka iväg min syster med 30 ballonger, men därimot gick det att skicka upp dockekipaget. Det krävs 3500 heliumballonger för att lyfta min syster och endast 19 ballonger för dockekipaget.

 

Slutsats:

Man behöver inte vara rädd för att barn eller hundar ska flyga iväg med ballonger av den mängd en ballongförsäljare har.

Små atomer som vätgas och helium har enorma mängder energi genom deras lyftförmåga i form av lägesenergi, pågrund av densitensskillnad jämfört med omgivande luft. Därför kan man säga att små atomer har stora krafter. Dessutom har väte en stor kemisk energi, till och med så stor energi så att rymdraketer drivs av den.

Matematiska uträkningar och formler:

I. Jag utgår ifrån att ballongerna är formade som en ellipsoid. Formulan för volymen av en ellipsoid är V= 4/3 pi x abc.
a1,5dmb =c 1,4dm Så volymen  12dm3.

II. För att räkna ut bärkraften av en vätgas ballong, kollade jag först upp att 1m3 vätgas har en bärkraft på 1,2kg, det vill säga att 1liter har en bärkraft på 1,2g. En ballong har volymen 12liter, så jag multiplicerade 1,2g med 12liter och fick produkten 14,4g. Eftersom ballongen har en vikt av 3g, subtraherade jag 3g från 14,4g och fick differensen 11,4g, som är bärkraften av en vätgasballong på 12 liter.
Jag kom fram till att formulan för hur mycket vätgasballonger kan lyfta är 11,4g x n, där n = antal ballonger.

För att räkna ut bärkraften av en heliumballong, kollade jag först upp att 1m3 helium har en bärkraft på 1,1kg, det vill säga att 1liter har en bärkraft på 1,1g. En ballong har volymen 12liter, så jag multiplicerade 1,1g med 12liter och fick produkten 13,2g. Eftersom ballongen har en vikt av 3g, subtraherade jag 3g från 13,2g och differensen blev 10,2g, och är bärkraften av en heliumballong.

Jag kom fram till att formulan för hur mycket heliumballonger kan lyfta är 10,2g x n.

III. Antal ballonger för att lyfta Sara och ekipage. Total vikt är 35kg eller 35 000g. Lyftkraft för en heliumballong är 10,2g. Detta ger 35 000g / 10,2g = 3431 dvs det drygt 3400 heliumballonger av denna storlek. Lyftkraft för en vätgasballong är 11,4g. Detta ger 35 000g / 11,4g = 3070, dvs knappt 3100 vätgasballonger.

IV. För att räkna ut hur mycket 30 vätgasballonger kan lyfta använder jag mig av formeln 11,4g x n. 11,4 x 30 = 342g dvs, 30 vätgasballonger kan lyfta ca 340g.
För att räkna ut hur mycket 30 heliumballonger kan lyfta använder jag mig av formeln 10,2g x n. 10,2 x 30 = 306g dvs, 30 heliumballonger kan lyfta drygt 300g.

V. Uträkning av hur många heliumballonger som hade krävts för att lyfta dockekipaget, totalvikt 186g: 186g / 10,2g = ca 19 heliumballonger.

VI. Kemiska formeln för min vätgasproducering är 6H2O + 2Al + 2NaOH -> 3H2 + 2NaAl(OH)4  

 

Tack till..

Jag vill tacka min familj och min kusin Daniel som hjälpte mig vid experimentet.

Jag vill också tacka min sponsor Hörntanden, som har sponsrat projektet med material och utrustning.