Heißluftballon

Grundidee und Abgrenzung

Ein Heißluftballon ist ein Luftfahrzeug, das den statischen Auftrieb heißer Luft nutzt. In der Ballonhülle wird eine große Luftmenge erwärmt. Dadurch dehnt sich die Luft aus, ihr spezifisches Gewicht sinkt, und der Ballon hebt ab, wenn der Auftrieb der erwärmten Luftmenge der Gewichtskraft von Hülle, Korb und Nutzlast entspricht. Der Heißluftballon hat keine Tragestruktur: Der Korb hängt über Seile an der Hülle oder die Hülle wird von Seilen umspannt, an denen der Korb hängt.

Bemannte Ballons werden üblicherweise mit Propan-Gasbrennern betrieben. Besonders leise Brenner werden „Kuhbrenner“ genannt.

Vom Gasballon unterscheidet sich der Heißluftballon dadurch, dass beim Gasballon nicht Luft verwendet wird, sondern ein anderes Gas, das schon bei Umgebungstemperatur leichter als Luft ist und normalerweise nicht erhitzt wird. Ein Solarballon erwärmt die Innenluft durch Sonneneinstrahlung. Ein Heißluft-Luftschiff besitzt wie alle Luftschiffe einen Antrieb; ein Ballon dagegen nicht.

Aufbau

Ein Heißluftballon besteht vor allem aus Ballonhülle, Korb, Brenner, Gasflaschen und Ausrüstung. Die Hülle ist das tragende Auftriebselement. Sie besteht typischerweise aus einem hochfesten Gewebe wie Polyamid (Nylon) oder Polyester (PET) in Ripstop-Webung. Diese Webart soll verhindern, dass sich ein Riss weiter ausbreitet. Das Gewebe wiegt meist 27–60 g/m² und ist einseitig mit Polyurethan (PU) oder Silikon beschichtet, damit es luftdicht ist und besser gegen UV-Strahlung sowie mechanischen Abrieb geschützt wird. Im Bereich des Brenners wird die Hülle häufig mit hitzebeständigem Aramidfasergewebe, zum Beispiel Nomex, verstärkt. Über Tragseile ist die Hülle mit dem Korb verbunden. Steuerseile betätigen das Ablassventil an der Hüllenspitze, damit heiße Luft gezielt entweichen kann.

Der Korb, auch Gondel genannt, trägt Passagiere und Ausrüstung. Er wird traditionell aus Weide geflochten, weil dieses Material bei Landestößen elastisch ist und Energie aufnehmen kann. Der Übergang zwischen Brennerrahmen und Korb besteht typischerweise aus Aluminium oder Edelstahl. Am Korb befinden sich Brenner mit Rahmen, Gasflaschen, meist Propan und selten Butan, Ventile und Schlauchverbindungen. Außerdem gehören Instrumente wie Variometer, GNSS sowie Funkgerät mit Transponder zur Ausrüstung. Zum Aufbau wird ein Ventilator benötigt. Die Teile werden meistens in einem Transport-Anhänger befördert, der vom Verfolger-Fahrzeug gezogen wird.

Physik und Flugverhalten

Die Funktionsweise beruht auf dem Dichteunterschied zwischen warmer Luft im Ballon und kälterer Außenluft. Unter Normalbedingungen bei 0 °C auf Meereshöhe hat ein Kubikmeter Luft eine Masse von etwa 1,3 kg. Bei konstantem Druck sinkt die Dichte von Gasen umgekehrt proportional zur steigenden Temperatur; das beschreibt das Gesetz von Gay-Lussac. Weil die erwärmte Luft im Ballon weniger dicht ist als die Außenluft, entsteht eine Auftriebskraft. Sie wirkt der Schwerkraft entgegen. Das Gewicht des Ballons besteht aus der Ballonhülle und der angehängten Nutzlast, also Korb, Brenner, Gasbehältern und Insassen.

Für eine grobe Abschätzung kann man den Ballon als Kugel betrachten. Das Volumen einer Kugel und damit der Auftrieb wachsen mit der dritten Potenz des Durchmessers, die Oberfläche und damit das Gewicht der Hülle nur mit der zweiten Potenz. Deshalb kann ein größerer Ballon eine größere Nutzlast tragen. Genauere Betrachtungen berücksichtigen aber auch, dass größere Ballons schwerere Brenner und festere Hüllen brauchen.

Gängige Größen liegen bei 3.000 bis 10.000 Kubikmetern. Die Temperatur im Innern eines Heißluftballons liegt während der Fahrt je nach Stoffart, Zuladung und Außentemperatur zwischen 70 und 125 °C. Der Auftrieb steigt mit dem Dichteunterschied zwischen Innenluft und Außenluft. Deshalb hat ein Heißluftballon in tieferen Luftschichten mit höherem Luftdruck und bei kälteren Außentemperaturen eine größere maximale Tragkraft.

Für die Höhe eines Ballons werden im Artikel Gleichgewichte und Formeln angegeben. Die Auftriebskraft steht im Gleichgewicht mit der Summe aus Gewichtskraft des Ballons und Gewicht der Luft im Ballon: F_Auf = F_Bal + F_innen. Daraus und aus der thermischen Zustandsgleichung idealer Gase sowie der barometrischen Höhenformel folgt eine Formel für die Ballonhöhe. Dabei ist g die Schwerebeschleunigung von rund 9,81 m/s² und R_L die spezifische Gaskonstante der Luft von rund 287 J/(kg·K).

Steuerung und Wetter

Ein Heißluftballon kann nicht direkt wie ein Flugzeug gesteuert werden. Richtung und Geschwindigkeit hängen vom Wind ab. Da Windrichtung und Windgeschwindigkeit in verschiedenen Höhen unterschiedlich sein können, nutzt der Pilot gezieltes Steigen oder Sinken, um eine passende Luftströmung zu erreichen und sich einem Ziel zu nähern.

Zum Steigen wird der Brenner betätigt, der die Luft in der Hülle erwärmt. Kühlt die Luft langsam ab, beginnt der Ballon zu sinken. Schnelles Sinken ist möglich, wenn der Pilot den „Parachute“ öffnet. Dieser besteht aus demselben Material wie die Hülle und sitzt an der Ballonspitze. Während der Fahrt bleibt er durch den Druck der warmen aufsteigenden Luft geschlossen. Durch Ziehen an einem Seil öffnet der Pilot ihn, warme Luft entweicht schnell, und durch Loslassen der Leine schließt er wieder. Zusätzlich kann ein Ballon durch tangentialen Luftaustritt aus Luftschlitzen nahe dem Ballonäquator um seine Hochachse gedreht werden. Diese Luftschlitze heißen auch Drehventile und werden per Seilzug aus dem Korb bedient.

Das Wetter ist für Ballonfahrten besonders wichtig. Start und Landung werden leicht durch Wind beeinträchtigt, weil die große Ballonhülle eine große Angriffsfläche bietet. Wenn der Ballon schon viel Auftrieb hat, aber noch nicht vollständig abhebt, kann die Gondel über den Boden geschleift werden. Deshalb startet man grundsätzlich nur bei Windstille oder schwachem Wind am Boden.

Starke Thermik ist gefährlich, weil die unten offene Hülle durch thermische Böen zusammengedrückt werden kann. Dabei wird Heißluft nach unten herausgepresst, der Ballon verliert Auftrieb und sinkt schnell. Der dadurch entstehende Fahrtwind von unten kann die Hülle weiter zusammendrücken und den Sinkflug verstärken. Seitliche Böen, etwa beim Durchgang einer meteorologischen Front, können die Hülle ebenfalls verformen und Heißluft herausdrücken. Auch schwächere Thermik bedeutet steigende und sinkende Luftmassen, wodurch mehr geheizt werden muss. Ohne Thermik kann ein Ballon mit gleicher Gasmenge länger in der Luft bleiben.

Haufenwolken gelten als sicheres Anzeichen für Thermik oder eine Kaltfront. Massive Nimbostratus-Wolken treten beim Durchgang einer Warmfront auf. Tiefliegende Schichtwolken bedeuten meist ruhige Luft, aber schlechte Sicht. Hoch liegende Cirrus-Wolken sind dagegen kein Anzeichen für unruhige Luft. Deshalb finden Ballonfahrten bevorzugt bei ruhiger Wetterlage und weitgehend wolkenlosem Himmel statt. Im Sommer sind Morgen- und Abendstunden häufig besonders geeignet, weil die Thermik tagsüber durch Sonnenerwärmung des Bodens zunimmt und später wieder nachlässt.

Geschichte

Nach den viel älteren, teilweise bemannten Fesseldrachen ist der Heißluftballon das älteste Luftfahrzeug. In China gab es bereits kleine unbemannte Heißluftballons, die Kong-Ming-Laternen. Die Beobachtung, dass Rauch und heiße Luft nach oben steigen, führte immer wieder zu Versuchen mit erwärmter Luft. Der Jesuitenpater Bartolomeu de Gusmão führte nach zeitgenössischen Berichten Ballonmodelle am portugiesischen Hof vor und erbat von König Johann V. ein Patent.

Als Erfinder des praktisch nutzbaren Heißluftballons gelten die Brüder Joseph Michel und Jacques Etienne Montgolfier. Ihre erste Ballonfahrt fand am 4. oder 5. Juni 1783 ohne Menschen an Bord statt. Am 19. September 1783 folgte in Versailles eine weitere Fahrt mit drei Tieren: einem Hahn, einer Ente und einem Hammel. Nach den Erfindern wurden Heißluftballons auch Montgolfièren genannt.

Die ersten Ballonfahrer der Menschheitsgeschichte waren Jean-François Pilâtre de Rozier und der Gardeoffizier François d’Arlandes. Sie stiegen am 21. November 1783 aus dem Garten des Schlosses La Muette bei Paris mit einem Heißluftballon auf. Die erste bekannte Ballonfahrt außerhalb Frankreichs unternahmen Paolo Andreani und die Brüder Agostino und Carlo Gerli am 25. Februar 1784 in der Nähe von Mailand. In Deutschland führte Ulrich Schiegg am 22. Januar 1784 im Kloster Ottobeuren den ersten unbemannten Ballonstart durch.

Ein bekanntes Ereignis der jüngeren Geschichte war die „Ballonflucht“ von 1979, bei der zwei thüringische Familien mit einem selbst gebauten Heißluftballon aus der DDR in die Bundesrepublik gelangten. Am 26. November 2005 erreichte Vijaypat Singhania mit einem Heißluftballon eine Höhe von 69.852 Fuß, also über 21 Kilometer. Er startete in Mumbai und landete in Sinnar im Bundesstaat Maharashtra.

Sport und Wettbewerbe

Ballonfahren ist Freizeitaktivität und Wettkampfsport. Es gibt Wettbewerbe bis hin zur Weltmeisterschaft. Bei Wettbewerben werden mehrere Ballonfahrten durchgeführt, bei denen pro Fahrt meist mehrere Aufgaben möglichst gut gelöst werden müssen. Ein bekannter Ballonwettbewerb ist die Montgolfiade.

Bei vielen Aufgaben geht es darum, mit einem kleinen Markierungsbeutel, dem Beanbag oder Marker, ein Ziel möglichst genau zu treffen. Das Ziel kann schon vor der Fahrt bekannt sein, dann heißt die Aufgabe „Vorgegebenes Ziel“. Es kann auch vom Piloten vor der Fahrt als „Selbstgewähltes Ziel“ oder während der Fahrt bestimmt werden; bei „Fly on“ wird es auf den Marker einer vorherigen Aufgabe geschrieben.

Weitere Aufgaben sind zum Beispiel „Maximum Distance“, also eine möglichst weite Fahrt innerhalb eines begrenzten Wertungsgebietes, oder „Minimum Distance“ mit „Zeitvorgabe“. Dabei gewinnt der Pilot, der nach einer vorgegebenen Mindestfahrtzeit die kürzeste Strecke zurückgelegt hat. Bei der „Fuchsjagd“ startet ein Ballon mit Zeitvorsprung, meist mit einer Flagge gekennzeichnet, und legt am Landeort ein Zielkreuz aus. Die nachfolgenden Ballonfahrer sollen möglichst nah daran landen.

Die Wettbewerbsleitung wird von Schiedsrichtern unterstützt, die „Observer“ heißen. Jedem Piloten und seinem Team wird pro Fahrt ein Observer zugeteilt. Die Observer messen die Marker ein und prüfen, ob während der Fahrt alles nach den FAI-Regeln abgelaufen ist.

Spezielle Wettbewerbsballons heißen Racer. Sie haben ein Volumen von 1600–2600 m³ und sind damit kleiner als übliche Ballons, mit denen man ebenfalls an Wettbewerben teilnehmen kann. Racer sind außerdem deutlich schlanker und können sehr viel schneller steigen oder sinken, ohne dass ein Fallschirmeffekt durch die Hülle entsteht. Zu Unfällen verweist der Artikel auf eine Liste von Zwischenfällen mit Ballonen.