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Brillant
Anmeldungsdatum: 12.02.2013
Beiträge: 1973
Wohnort: Hessen
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 Brillant Verfasst am: 10. Feb 2020 21:24 Titel: Gefäß wird mit Vakuum gefüllt. Steigt es auf? |
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Moin,
ein Thema geht mir immer wieder durch den Kopf. Wenn ein Konstrukt wie Ballon oder Zeppelin leichter wird als die verdrängte Luft, steigt es auf.
Die Füllungen haben Nachteile: Wasserstoff kann brennen, Helium ist teuer, Warmluft wegen der ständigen Wärmeabgabe und dem notwendigen Nachheizen auch.
Theoretisch müsste man doch Vakuum einfüllen können. Dieses NICHTS steht überall zur Verfügung, man braucht eine Pumpe.
Problem: Die Gefäßwand hält dem Außendruck nicht stand, Gefäß implodiert. Aber das dürfte doch nur eine Frage der Konstruktion und des Materials sein. Ich stelle mir ein kugel-ähnliches Gefäß beliebiger Größe vor (erstmal im Labor), durch das stabile, aber leichte Traversen gehen. Ähnlich dem Ausleger eines Krans. Am Ende der Traversen sind Fäden/Leinen/Taue angebracht, die die Hülle zugfest halten, wenn sie implodieren will.
Sind solche Versuche bekannt?
Interessiere mich für Aerogel: „Das derzeit leichteste Material der Welt stammt aus China: Carbon-Aerogel heißt ein neu entwickelter Stoff auf Carbon-Basis mit einer Dichte von 0,16 Milligramm pro Kubikzentimeter – ein Sechstel derer von Luft.“
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ML
Anmeldungsdatum: 17.04.2013
Beiträge: 3390
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| ML Verfasst am: 10. Feb 2020 23:42 Titel: Re: Gefäß wird mit Vakuum gefüllt. Steigt es auf? |
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Hallo,
| Brillant hat Folgendes geschrieben: |
Die Füllungen haben Nachteile: Wasserstoff kann brennen, Helium ist teuer, Warmluft wegen der ständigen Wärmeabgabe und dem notwendigen Nachheizen auch.
Theoretisch müsste man doch Vakuum einfüllen können. Dieses NICHTS steht überall zur Verfügung, man braucht eine Pumpe.
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Mit dem "Einfüllen" des Vakuums sehe ich semantische Probleme. Technisch kannst Du aber so Auftrieb erzeugen. So ähnlich tauchen ja auch U-Boote auf.
https://www.leifiphysik.de/waermelehre/allgemeines-gasgesetz/aufgabe/auftauchen-eines-u-boots
Viele Grüße
Michael
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Frankx
Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 982
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| Frankx Verfasst am: 11. Feb 2020 16:14 Titel: |
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| Zitat: | | Das derzeit leichteste Material der Welt stammt aus China: Carbon-Aerogel heißt ein neu entwickelter Stoff auf Carbon-Basis mit einer Dichte von 0,16 Milligramm pro Kubikzentimeter – ein Sechstel derer von Luft. |
Diese Dichteangabe ist irreführend, da dabei die Masse des Gels ohne Luft zum Volumen des Gels mit Luft ins Verhältnis gesetzt wird.
Das Gel bildet eine Art luftgefüllten Schwamm.
Das ist ungefähr so, als wenn man einen zusammengeklebten (luftgefüllten) Hohlquader mit Papierwänden auf die Waage legt und die angegebene Masse durch das gesamte Volumen des Quaders dividiert. Da kommt man auch schnell auf sehr niedrige Werte, da die Masse der eingeschlossenen Luft nicht berücksichtigt wird.
Wöllte man die Luft aus dem Gel entfernen, müsste man das Gel z.B. mit einer luftdichten Folie einschließen und die Luft abpumpen. Dabei würde aber der äußere Luftdruck das Gel wie einen Schwamm zusammenpressen und die "Dichte" würde entsprechen wieder steigen.
Die Lösung wäre ein entsprechend steifes Gel. Ich fürchte jedoch, soweit ist man noch nicht.
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Duke711
Anmeldungsdatum: 26.01.2017
Beiträge: 434
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| Duke711 Verfasst am: 12. Feb 2020 15:09 Titel: |
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| Frankx hat Folgendes geschrieben: | Die Lösung wäre ein entsprechend steifes Gel. Ich fürchte jedoch, soweit ist man noch nicht.
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Amüsante Aussage. Ein gasgefüllter Ballon wird letztendlich nur auf Zug belastet und benötigt keinerlei Drucksteifigkeit, ähnlich wie ein Seil, dünne Fasern genügen.
Bei einen Vakuum kommen aber noch Radialkräfte hinzu, was somit eine Drucksteifigkeit erfordert und diese ist ganz klassisch nun mal proportional mit der Wandstärke und somit Masse. Natürlich gibt es Fachwerke, und selbst hier geht es nicht ohne Drucksteifigkeit.
Somit ist letzendlich der Vakuum-Ballon in seiner Dichte immer deutlich höher als der gasgefüllte Ballon mit dünnen Fasern.
Die Lösung:
Wasserstoff als Gasfüllung, so einfach kann manchmal Physik sein....
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Frankx
Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 982
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| Frankx Verfasst am: 12. Feb 2020 16:27 Titel: |
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| Zitat: | Somit ist letzendlich der Vakuum-Ballon in seiner Dichte immer deutlich höher als der gasgefüllte Ballon mit dünnen Fasern.
Die Lösung:
Wasserstoff als Gasfüllung, so einfach kann manchmal Physik sein.... |
Amüsante Lösung, nur eben nicht die Antwort auf die eingangs genannte Fragestellung.
Die Frage war ja gerade, ob es möglich ist, ohne besondere Gase, dafür mit Vakuum ein Objekt "leichter als Luft" zu kreieren und ob das genannte Aerogel dafür geeignet wäre.
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PS: Bei einer Fachwerkkonstruktion eines Vakuumballons wäre nicht, wie von Duke behauptet, die Drucksteifigkeit der Elemente das Problem, sondern deren Knickverhalten.
Insofern ist der Gedanke mit dem Aerogel nicht ganz abwegig. Es ersetzt quasi den Innendruck, welcher gasgefüllte Ballons in Form hält.
Bei der genannten Dichte des Aerogels käme man bereits bei ca. 0,8 bar Innendruck in den Bereich "leichter als Luft", sofern das Gel durch den Außendruck nicht wesentlich komprimiert wird.
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Duke711
Anmeldungsdatum: 26.01.2017
Beiträge: 434
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| Duke711 Verfasst am: 12. Feb 2020 17:06 Titel: |
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Ohne Drucksteifigkeit spielt auch der Schlankheitsgrad bei einem Stab bezüglich dem Fachwerk keine Rolle. Ich habe bis heute noch kein Fachwerk mit fehlender Drucksteifigkeit z.B. nur ausschließlich aus Seilen gesehen. Irgendwie sind da immer so komische Stäbe und Balken verbaut....
Eine Aerogel was nichts anderes als festes Material ist, soll leichter als ein Gas sein, jetzt bin über eine Aufklärung gespannt.
Ein Aerogel ist, wie bereits hier schon beantwortet wurde, nichts anders als eine art feinporiger Schaumstoff mit einen sehr hohen Porosität. Da es sich aber um einen Feststoff handelt wird dieser Aufgrund seiner Molare Masse immer schwerer als ein Gas sein
Und bezüglich hoher Porosität oder anders bezeichnet -> Mirkofachwerk aus Seilen wären wir wieder beim Thema der fehlenden Drucksteifigkeit, denn diese kommt beim Schaumstoff über das eingeschlossene Gas. Mal einen Schaumstoff in die Vakuumkammer legen und staunen was passiert....
Wie bereits erwähnt, der Nobelpreis in Physik ist mir mit meiner genialen Lösung bezüglich Wasserstoff bereits sicher. Darum fande ich ja Deine Antwort so amüsant...
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Nils Hoppenstedt
Anmeldungsdatum: 08.01.2020
Beiträge: 2019
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| Nils Hoppenstedt Verfasst am: 12. Feb 2020 18:34 Titel: |
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| Duke711 hat Folgendes geschrieben: |
Wie bereits erwähnt, der Nobelpreis in Physik ist mir mit meiner genialen Lösung bezüglich Wasserstoff bereits sicher. |
Hatten die Nazis nicht schon die gleiche Idee....
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Frankx
Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 982
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| Frankx Verfasst am: 12. Feb 2020 20:39 Titel: |
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| Zitat: | | Ohne Drucksteifigkeit spielt auch der Schlankheitsgrad bei einem Stab bezüglich dem Fachwerk keine Rolle. Ich habe bis heute noch kein Fachwerk mit fehlender Drucksteifigkeit z.B. nur ausschließlich aus Seilen gesehen. Irgendwie sind da immer so komische Stäbe und Balken verbaut.... |
…und wenn du etwas Ahnung von Fachwerken hättest, dann wüsstest du, dass da die kritische Belastung bei Druckstäben fast immer die Knickbelastung ist.
| Zitat: | | wären wir wieder beim Thema der fehlenden Drucksteifigkeit, denn diese kommt beim Schaumstoff über das eingeschlossene Gas. Mal einen Schaumstoff in die Vakuumkammer legen und staunen was passiert.... |
Leg mal Aerogel in die Vakuumkammer und staune was passiert....
… nämlich rein gar nichts.
Aerogele sind offenporig. Da wird kein Gas eingeschlossen. Die Steifigkeit resultiert allein aus dem Feststoff. Das Gas spielt keine Rolle.
| Zitat: | | Wie bereits erwähnt, der Nobelpreis in Physik ist mir mit meiner genialen Lösung bezüglich Wasserstoff bereits sicher. |
Ganz gewiss. Und vorab hast du dir als größte Konifere im Forum schon mal den goldenen Aluhut der Woche verdient.
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Frankx
Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 982
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| Frankx Verfasst am: 12. Feb 2020 21:29 Titel: |
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| Zitat: | | Hatten die Nazis nicht schon die gleiche Idee.... |
Die Idee ist schon älter. Luftfahrzeuge mit H2-Füllung sind ebenso wenig eine Erfindung der Nazis, wie die Autobahnen.
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Duke711
Anmeldungsdatum: 26.01.2017
Beiträge: 434
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| Duke711 Verfasst am: 12. Feb 2020 21:49 Titel: |
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| Frankx hat Folgendes geschrieben: | | …und wenn du etwas Ahnung von Fachwerken hättest, dann wüsstest du, dass da die kritische Belastung bei Druckstäben fast immer die Knickbelastung ist. |
Vermutlich mehr Ahnung als Du vorgeben zu scheinst. Wie ist dann die kritische Knickbelastung definiert, und wie ist den die Knickbelastung bei dem Fall wo die Drucksteifigkeit mit 0 angenommen wird. Scherzkeks, also von Strukturmechanik scheinst Du relativ wenig Ahnung zu haben.
| Frankx hat Folgendes geschrieben: | | Aerogele sind offenporig. Da wird kein Gas eingeschlossen. Die Steifigkeit resultiert allein aus dem Feststoff. Das Gas spielt keine Rolle. |
Also willst Du behaupten diese sind Diffusionsdicht und innerhalb diesem nicht newtonischen Flüssigkeit ähnlichem Feststoff befindet sich kein Gas. Ich warte immer noch auf einen Quellennachweis.
Aerogele sind je nach Porosität Schaumstoff ähnlich bis zur Flüssigkeit. Die Typische Dichte bei Aerogele die dem einer Flüssigkeit mit einer hohen Viskosität ähnlich sind, haben übrigens eine Dichte die um den Faktor 20 mal höher ist als der von Luft. Die jeinigen die eine noch geringere Dichte haben sind Schaumstoff ähnlich und diese kann man ganz einfach mit der Hand zusammen drücken. Was auch in einer Vakuumkammer passieren wird, wenn das Aerogel in einer vakuumdichten Folie eingschlossen wird und Außerhalb der Umgebungsdruck wirkt.
Und dann fast vergessen, gibt es noch Aeorgele die sich wie ein Feststoff verhalten, ähnlich einem Kunststoff, und dessen Dichte liegt bei 300 kg/m³.
Aber natürlich sind Aerogele, die aus Polymer bestehen sicher leichter als eine dünne Polymerfolie die wenige Mikrometer dünn ist und nur die Oberfläche des Balloon umspannt, anstatt wie ein Aerogel Teile des Innenvolumens auszufüllen. Aber ich habe vegessen das ja Aerogele leichter als Luft sind.
| Frankx hat Folgendes geschrieben: | | Ganz gewiss. Und vorab hast du dir als größte Konifere im Forum schon mal den goldenen Aluhut der Woche verdient. |
Nein den Aluhut hast Du mit deiner Unwissenheit in Physik auf, die Du wieder einmal erneut unter Beweis stellst. Ansonsten würde man nicht so ein Nonsens bezüglich den Aerogelen behaupten.
Zuletzt bearbeitet von Duke711 am 12. Feb 2020 22:24, insgesamt einmal bearbeitet |
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jh8979
Moderator
Anmeldungsdatum: 10.07.2012
Beiträge: 8576
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| jh8979 Verfasst am: 12. Feb 2020 22:20 Titel: |
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Schafft ihr das hier vernünftig zu diskutieren? oder muss ich hier echt eingreifen wie im Kindergarten?
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Brillant
Anmeldungsdatum: 12.02.2013
Beiträge: 1973
Wohnort: Hessen
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| Brillant Verfasst am: 12. Feb 2020 22:24 Titel: Re: Gefäß wird mit Vakuum gefüllt. Steigt es auf? |
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| ML hat Folgendes geschrieben: | | Mit dem "Einfüllen" des Vakuums sehe ich semantische Probleme. |
Naja, Aerogel wird auch „frozen smoke” genannt, da erlaube auch ich mir, mit der Sprache etwas zu spielen.
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Frankx
Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 982
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| Frankx Verfasst am: 12. Feb 2020 22:26 Titel: |
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| Zitat: | | ie ist dann die kritische Knickbelastung definiert, und wie ist den Knickbelastung bei dem Fall wo die Drucksteifigkeit mit 0 angenommen wird. |
Der Begriff "Drucksteifigkeit" taucht weder bei der Definition noch bei der Berechnung der Knickbelastung auf.
| Zitat: | | Also willst Du behaupten diese sind Diffusionsdicht und innerhalb dieser nicht newtonischen Flüssigkeit ähnlichem Feststoff befindet sich kein Gas. Ich warte immer noch auf einen Quellennachweis. |
Nein, ich behaupte: Aerogele sind offenporig und damit spielt die darin befindliche Luft für deren Steifigkeit im Gegensatz zu geschlossenporigen Schaumstoffen keine Rolle.
Das Prinzip der Herstellung von Aerogel beruht auf der Offenporigkeit.
Und aus eben diesem Grund passiert nichts, wenn man Aerogel in eine Vakuumkammer gibt.
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Brillant
Anmeldungsdatum: 12.02.2013
Beiträge: 1973
Wohnort: Hessen
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| Brillant Verfasst am: 12. Feb 2020 22:58 Titel: |
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| Frankx hat Folgendes geschrieben: | | Wöllte man die Luft aus dem Gel entfernen, müsste man das Gel z.B. mit einer luftdichten Folie einschließen und die Luft abpumpen. Dabei würde aber der äußere Luftdruck das Gel wie einen Schwamm zusammenpressen und die "Dichte" würde entsprechen wieder steigen. |
Einem gewissen Druck hält Aerogel stand, siehe Bild. Quelle
Es muß doch eine Größe des vakuumierten Aerogel-Behälters vorstellbar sein, bei dem der Außendruck klein genug ist, das Aerogel nicht zu zerdrücken. Womöglich kleiner als ein Tischtennisball mit dünner, luftdichter Haut.
Der Text des Bildes ist sinnfrei. Würde ich die Dicke des Aerogels halbieren, halbiert sich auch dessen Gewicht und die Tragfähigkeit verdoppelt sich.
| Beschreibung: |
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2173 mal |
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Brillant
Anmeldungsdatum: 12.02.2013
Beiträge: 1973
Wohnort: Hessen
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| Brillant Verfasst am: 12. Feb 2020 23:12 Titel: |
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| Frankx hat Folgendes geschrieben: | | Und aus eben diesem Grund passiert nichts, wenn man Aerogel in eine Vakuumkammer gibt. |
Korrekt. Hier das Video zum Versuch: youtu.be/TDgBYO0piOY?t=80
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Duke711
Anmeldungsdatum: 26.01.2017
Beiträge: 434
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| Duke711 Verfasst am: 12. Feb 2020 23:14 Titel: |
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| Frankx hat Folgendes geschrieben: | Der Begriff "Drucksteifigkeit" taucht weder bei der Definition noch bei der Berechnung der Knickbelastung auf.
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Dein Ernst?
Wozu ist dann der E-Modul in der Gleichung definiert und was wird mit dem E
-Modul spezifiziert. Siehe Knicktheorien wie Euler, Engesser Shanley oder Ramberg Osgood.
Wie errechnet sich die Knickbelastung bei einem Seil?
| Frankx hat Folgendes geschrieben: | | Aerogele sind offenporig und damit spielt die darin befindliche Luft für deren Steifigkeit im Gegensatz zu geschlossenporigen Schaumstoffen keine Rolle. |
Ja richtig, aber was hat das nun mit der Drucksteifigkeit zu tun? Schaumstoffe sind, ob diese nun offenporig oder geschlossen sind, inkontinent. Aus diesem Grund kann man diese auch sehr einfach zusammen drücken.
| Frankx hat Folgendes geschrieben: | Das Prinzip der Herstellung von Aerogel beruht auf der Offenporigkeit.
Und aus eben diesem Grund passiert nichts, wenn man Aerogel in eine Vakuumkammer gibt. |
Wissenschaftliche Begründung? Schaumstoffe sind in der Regel offenporig und diese lassen sich sehr einfach komprieren sobald der Umgebungsdruck minimal höher ist. Das kann man auch in einer Druckkammer durchführen anstatt einen Vakuum. Mit Vakuumkammer ist eben nicht von einer drucksteifen Kammer vor dem Umgebungsdruck die Rede gewesen. Was soll da auch schon großartig passieren, außer das dass Gas im Schaumstoff abgesaugt wird. Die Rede war von einer Druckdifferenz. Entweder eine Druckkammer oder eben eine vakuumdichte Folie.
Dir scheint auch nicht klar zu sein dass es das Aerogel in vielen Ausführungen gibt. Zum anderen auch als Kunstoff ähnlicher Feststoff mit einer Dichte von rund 300 kg/m³ und einer entsprechenden Drucksteifigkeit.
Nachtrag
Und Dir scheint auch nicht klar zu sein wie denn die Materialdichte im Zusammenhang mit E-Modul ("Drucksteifigkeit") steht.
Warum hat Aluminium denn ca. nur 1/3 großen E Modul von Stahl oder Titanium nur 1/2 ?.....
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Brillant
Anmeldungsdatum: 12.02.2013
Beiträge: 1973
Wohnort: Hessen
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| Brillant Verfasst am: 12. Feb 2020 23:33 Titel: |
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| Duke711 hat Folgendes geschrieben: | | Schaumstoffe sind, ob diese nun offenporig oder geschlossen sind, inkontinent. Aus diesem Grund kann man diese auch sehr einfach zusammen drücken. |
Es gibt unterschiedliche Aerogele, darunter welche, die sich nicht zusammendrücken lassen wie ein Schwamm- Wird der Druck zu groß, zerbröseln sie wie Glas-Schaum. Auch in dem oben verlinkten Video zu sehen.
Edit: Gibt es überhaupt Aerogele, die bei Druckentlastung ihre ursprüngliche Form annehmen?
Wenn der Druck von allen Seiten gleichwertig kommt (Kugel), dürfte die Stabilität um ein Vielfaches höher sein. Leider habe ich nicht die Utensilien für einen Test.
Zuletzt bearbeitet von Brillant am 12. Feb 2020 23:38, insgesamt einmal bearbeitet |
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Frankx
Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 982
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| Frankx Verfasst am: 12. Feb 2020 23:34 Titel: |
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| Brillant hat Folgendes geschrieben: | | Einem gewissen Druck hält Aerogel stand, siehe Bild. Quelle |
Es ist das gleiche Bild wie aus Wiki
Wenn das ein üblicher Ziegelstein mit den Maßen 20cm x 10cm x7 cm ist und man die Längenverhältnisse betrachtet, ergeben sich für den Gelblock etwa 2,5 cm x 8cm x 6 cm.
Die Masse des Gelblocks ist mit 2 g angegeben. Daraus ergibt sich eine "Dichte" von ca. 0,017 g/cm³
Ich habe Dichte in "" gesetzt, da die Masse der enthaltenen Luft nicht berücksichtigt wird.
Die Dichte dieses Aerogelblocks ist also deutlich höher, als der von dir oben angegebene Wert. Selbst wenn man die darin enthaltene Luft komplett absaugen könnte und das Gel dabei nicht kollabiert, reicht es nicht zum abheben.
Angenommen, der dargestellte Gelblock hätte die von dir angegebene "Dichte", dann müsste man also etwas mehr ein Sechstel der Luft absaugen (Restdruck< 0,83 bar), um insgesamt leichter als Luft zu werden (Abdichtfolie nicht mit eingerechnet).
Die Last auf der Oberseite des gezeigten Gelblockes (8cm x 6cm) müsste demnach bei ca. 8kg liegen, um den Druckunterschied von 0,17 bar zu simulieren.
Wenn du also glaubhaft genau so ein Foto findest, bei dem der dargestellte Aerogelblock eine Dichte von 0,16 mg/cm³ hat und der 2,5kg schwere Ziegelstein zusätzlich mit 5,5kg belastet wird, dann wird das angestrebte Ziel langsam realistisch.
Ich habe das jetzt nur schnell durchgetippt und hoffe, ich habe mich nirgends vertan. Rechne es am besten selbst noch mal nach.
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Frankx
Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 982
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| Frankx Verfasst am: 12. Feb 2020 23:53 Titel: |
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| Zitat: | Wozu ist dann der E-Modul in der Gleichung definiert und was wird mit dem E
-Modul spezifiziert. Siehe Knicktheorien wie Euler, Engesser Shanley oder Ramberg Osgood. |
Du solltest dir erst mal über die Begrifflichkeiten klar werden. Eine Steifigkeit ist kein E-Modul. Das erkennt man schon an den Einheiten. Nur weil der E-Modul auch zur Berechnung mancher Steifigkeiten benötigt wird, ist er selbst noch keine Steifigkeit, sondern ein Materialwert.
| Zitat: | | Mit Vakuumkammer ist eben nicht von einer drucksteifen Kammer vor dem Umgebungsdruck die Rede gewesen. |
Jetzt wird es wieder peinlich. Selbstverständlich ist mit einer "Vakuumkammer" niemals eine "Vakuumkammer", sondern etwas ganz anderes gemeint.
Schreib doch künftig einfach was du meinst und benutze dabei die üblichen allgemeinverständlichen Begriffe, also "Steifigkeit" für "Steifigkeit" und "E-Modul" für "E-Modul" und "Vakuumkammer" für "Vakuumkammer" usw.
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Brillant
Anmeldungsdatum: 12.02.2013
Beiträge: 1973
Wohnort: Hessen
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| Brillant Verfasst am: 13. Feb 2020 00:05 Titel: |
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Bei der Recherche zum Thema „Implosion verhindern“ bin ich auf ein Thermo-Fenster gestoßen, in das Vakuum eingefüllt ist, sie nennen das „Vakuum eingebracht”:
deutschlandfunk.de
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