うっかり飛ばしちゃった風船、宇宙まで行けるのか?

コジマです。

子供の頃、誰しも貰ったことのある風船。ひとりでに宙に浮き、手を放すとどんどん飛んでいってしまう。

せっかく貰った風船が木に引っかかって泣く子供、それを見かけた優しい人が頑張って取ろうとする……これまで幾度となく見てきた定番のシーンだろう。

さて、ここで湧くひとつの疑問。
手放した風船が木に引っかからなかったとしたら風船はどこまで行くのか。

ひとりでに飛んでいく風船のことだから、空高く、果ては宇宙にまで行ってしまうのかもしれない。何でもない風船が未知の宇宙まで旅立っているのだとしたら、それは夢のある話だ。

果たして、子供の手を離れた風船の末路はいかに?


まず、風船がなぜ浮き上がるのか考えてみる。
浮く風船には軽い気体(普通はヘリウム)が入っており、上向きに浮力がはたらく。

空気が入ったボールが水の中で浮くように、空気より軽いヘリウムが入った風船は空気の中で浮く

浮力は風船が大きいほど大きくなる(押しのける周りの流体の質量だけ浮力がはたらくため)。では、風船の大きさはどのように決まるのだろう。

風船の膨らみには、「風船の反発力」「外の大気からの圧力」「風船内の気体による圧力」の3つが関わっている。

図では矢印が1箇所のみに書かれているが、気体による圧力は面全体にはたらく(風船の至るところに図のような力がかかっている)。

風船そのものにはたらく力の図。風船を膨らませる力(内側のヘリウム圧)としぼませる力(ゴムの反発力、外側の大気圧)が釣り合う

ゴムは伸びれば伸びるほど反発力が大きくなる
つまり、風船に多くの空気を入れると内側からの圧力が大きくなるから、風船はより膨らんで空気を押さえ込もうとする。空気を入れれば入れるほど風船が膨らむのはこのため。

また、外側の大気圧が低いと相対的に内圧が強まり、同様に風船が膨らむ。


これを踏まえて、風船が高く飛んだときに何が起きるのか考える。

高度が上がると大気圧が下がり、その分風船が膨らむ
仮に風船が割れないとすれば、風船が上昇するに従い風船は膨らむが、大気が薄くなって押しのける空気の比重も小さくなるから、全体として浮力は小さくなるはず。
最終的に浮力と風船の重さが釣り合って上昇が止まると考えられる。

しかし、膨らみすぎた風船はもちろん割れるので、実際はもっと手前で旅は終わる。

厄介なのは気温で、上空にいけばいくほど低温になり、ゴムが劣化してしまうのだ。
ゴム風船によく使われる天然ゴムは-30℃~-50℃で弾性を失うそうだから、
ふつうの風船は対流圏(大気組成で最も地表側に位置する領域で、地表から0~11km)を脱出する前に割れてしまう(上空8kmの気温が約-30℃、11kmの気温が約-50℃)。

宇宙と大気圏の境界であるカーマン・ラインは高度100km。宇宙は遠い……。


子供に配られるような普通の風船では宇宙まで飛べないが、いろいろな工夫によってより高く飛ばせる風船が、気象観測や映像撮影に用いられている。

調べると、灯油に浸すなどして強度を増した専用の風船を用いると高度20~30kmまで飛ばせるようだ。完全な宇宙までとはいかないが、ロケットなどを用いなくてもこのくらいまでは行けるのである。

このような取り組みは「スペースバルーン」などと呼ばれ、中には個人で挑戦する人もいる。

航空法を遵守し、安全を確保して取り組む必要があるが、自らの手で宇宙を感じられるというのはすごいロマンだ。


ちなみに、高度30kmというのは材質的な限界らしい。もし割れなければさらに高みを目指せるということ。

低温に耐え、より大きく膨らむ新素材が見つかれば、あるいは本当に地球から抜け出す風船が作れるかもしれない。抜け出たらもう回収できないけど……。

参考文献

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京都大学工学部情報学科4回、コジマです。出す側として・答える側として、「エンターテインメントとしてのクイズ」を目指しています。