Prinzip

Warum erhebt sich ein Ballon in die Luft? Natürlich weil heiße Luft leichter ist als kalte Luft, werden viele darauf antworten. Das ist zwar der Natur nach richtig, aber die physikalischen Zusammenhänge sind doch noch etwas komplizierter, als es den Anschein macht.

Der Heißluftballon ist ein Luftfahrzeug ohne eigenen Antrieb für die Vorwärtsbewegung, das nach dem Prinzip „leichter als Luft“ den statischen Auftrieb ausnützt. Unter Auftrieb versteht man die Kraft, die ein Körper in Flüssigkeiten oder Gasen entgegen der Erdanziehung erfährt (wie z.B.: ein Korken im Wasser). Sie ist gleich dem Gewicht der durch den Körper verdrängten Flüssigkeits- oder Gasmenge; d.h.: das Gewicht des im Wasser schwimmend Korkens ist gleich groß dem Gewicht des durch den Korken verdrängten Wasservolumens. Taucht man den Korken mit einer Kraft von außen im Wasser unter und läßt in anschließend wieder los, so wird er an die Wasseröberfläche treiben. Dies läßt sich dadurch erklären, daß das Gewicht des Korkens, der sich unter der Wasseroberfläche befindet, viel kleiner ist als das Gewicht durch den Korken verdrängten Wasservolumens. Diese physikalischen Zusammenhänge entdeckte der Grieche Archimedes (287 bis 212 v. Chr.). Man nennt dies den statischen Auftrieb oder eben das archimedische Prinzip.

Als Füllung der Ballonhülle dient durch den Brenner erhitzte Luft, also ein Gas mit einer geringeren Dichte als die Umgebungsluft. Der statische Auftrieb eines Ballons entspricht der Hubkraft der Luftmenge, die von der mit Heißluft prall gefüllten Ballonhülle verdrängt wird. Solange das Gewicht von Hülle, Brenner, Korb, Instrumente und Zuladung (Passagiere) geringer ist als die Auftriebskraft, steigt der Ballon. Dies erreicht man dadurch, daß durch das Betätigen des Brenners die Luft in der Hülle erhitzt wird. Die Innenluft dehnt sich dadurch aus, die Dichte und damit das Gewicht der Innenluft sinkt, was eine Steigerung der Auftriebskraft zur Folge hat. Durch Nichtbrennen erreicht man ein Abkühlen der in der Ballonhülle eingeschlossene Heißluft. Durch die Abkühlung zieht sich die Innenluft zusammen, die Dichte und somit auch das Gewicht vergrößert sich, der Auftrieb nimmt daher ab; was ein Sinken des Ballons zur Folge hat. Eine schnellere Abkühlung der Innenluft kann dadurch erreicht werden, daß ein Ventil am obersten Punkt der Ballonhülle geöffnet wird und dadurch Heißluft entweichen kann. Durch in zeitlichen Abständen regelmäßige Brennerstöße erreicht man, daß Auftrib und Gewicht gleich groß sind, der Ballon schwebt.

Eine horizontale Richtungsbestimmung ist so gut wie unmöglich, da der Wind die Fahrtrichtung ‚diktiert‘; man ‚fährt‘ wie ein Schiff vor dem Wind. Nur durch Einholen und studieren von Wetterinformation kann man in die Fahrtrichtung bedingt Einfluß nehmen, z.B.: indem man in verschiedenen Höhen die Winde mit unterschiedlicher Richtung und Stärke ausnützt.

Die vertikale Richtungsänderung kann, wie bereits oben erwähnt, durch Brennerbetätigung gesteuert werden. Bei einer maximalen Steigegeschwindigkeit von 5 m/sek. kann man Höhen von 6.000m und mehr erreichen.

Hülle

Als Hüllenmaterial wird die sogenannte Ballonseide (Polyamid-‚Nylon‘ oder Polyester) – ein sehr leichter Spezialstoff, der kaum Luft durchläßt – verwendet. Die Produktion der zwischen 1.000 und 10.000 m³ Luft fassenden Hüllen erfolgt über computergesteuerte Nähprogramme. Dank der Computerisierung ist heute das Anbringen kompliziertester Aufschriften oder Zeichnungen auf der Hülle kein technisches Problem mehr. Üblicherweise werden Hüllengrößen von 2.500 bis 3.500 m³ Luftinhalt verwendet. Der Computer erlaubt auch die Konstruktion (fast) beliebiger Spezialformen (z.B.: Bierkrug, Flaschen, Turnschuh, Schloß, Klopapierrolle, Eistüte u.v.a. ). Eine moderne Hülle kann bei sorgfältiger Behandlung 800 Stunden und mehr (ca. 5 Jahre) verwendet werden. Die Normalbetriebstemperatur im Inneren der Hülle beträgt ca. 90 bis 100°C. Das Gesamt-Startgewicht ist von der Größe des Ballons abhängig; bei einem 3.000 m³ großen Ballon beträgt sie nicht ganz 1.000 kg bei einem Eigengewicht von ca. 500 kg. Da die Tragkraft eines Ballons fast ausschließlich von der Differenz zwischen der Temperatur im inneren der Hülle und der Temperatur der Außenluft bestimmt wird, ist kaltes Wetter (Winter, im Sommer morgens und abends) ideal zum Ballonfahren, bzw. erlaubt es höhere Zulasten und größere Höhen. Die Hüllen weisen oben ein „Parachute Top“ auf. Der Pilot zieht dieses große, fallschirmähnliche Stück Stoff („Parachute“, auf deutsch Fallschirm) mit einer Leine vom Korb aus nach unten. Dadurch entweicht heiße Luft nach oben aus der Hülle und der Ballon beginnt mit einer zeitlichen Verzögerung zu sinken. Durch die restliche Warmluft in der Hülle wird der ‚Parachute‘ nach dem Loslassen der Leine wieder nach oben gedrückt und die Öffnung verschlossen, womit der Ballon wieder dicht ist.

Brenner

Für übliche Ballongrößen werden Doppelbrenner mit Piezo-Zünder verwendet. Durch öffnen des Fahrventiles gelangt das flüssige Propangas mit einem Eigendruck von 5 bis 10 bar in Spiralen, in denen das flüssige Propangas durch die eigene Flamme erhitzt wird. Am unteren Teil innerhalb der Spiralen gelangt dann das Propangas zu den Brennerdüsen. Durch eine kleine ständig brennende Flamme, die Pilotflamme, entzündet sich das Propangas mit einer blauen Farbe. Die Luft innerhalb der Hülle wird dadurch erhitzt und treibt dadurch den Ballon in die Höhe.

Korb

Die Körbe werden auch heute noch aus Weidenruten geflochten. Dieser sieht dadurch nicht nur schöner aus, sondern er erhält jene Flexibilität, die er im Falle einer etwas rauheren Landung benötigt. Körbe aus moderneren Materialien (wie z.B.: Kunststoff, Blech, Fieberglas usw.) haben sich als eher ungeeignet erwiesen. Der Korb ist mittels Drahtseilen mit der Hülle verbunden. Die Korbgröße ist von der verwendeten Hüllengröße abhängig. Erhältlich sind Korbgrößen für 1 bis 20 Personen; im Normalfall wird für eine 3.000 m³ große Ballonhülle ein Korb für 4 bis 5 Personen verwendet.