Balony i rodzina Piccardów

Opublikowałem niedawno w Gazecie Krakowskiej felieton zatytułowany "Niedaleko pada jabłko (naukowe) od jabłoni" (jest on dostępny w internecie). Opisałem w nim niezwykłą „dynastię” uczonych, którzy badali najwyższe i najgłębsze miejsca na Ziemi. Każdy z nich zapisał się w historii rozwoju nauki i techniki. Każdy ustanowił jakiś rekord. I – co ciekawe – każdy dokonał tego przy pomocy balonu!

Felieton zaciekawił wielu czytelników, ale odczuwali oni wyraźny niedobór informacji. Niedobór uzasadniony, bo moja próba opisania dokonań trzech pokoleń Piccardów: Augusta (dziadka), Jacquesa (ojca) i Bertranda (syna) w 2570 znakach (bo tyle tylko mi wolno zapisać w Gazecie) - była przedsięwzięciem karkołomnym. Zebrałem kierowane do mnie pytania i postanowiłem na nie odpowiedzieć właśnie tu, w moim blogu, gdzie nie ma limitu objętości tekstu oraz można posłużyć się obrazkami, które w tym przypadku są bardzo ważne.

Balonowe osiągnięcia rodziny Piccardów zapoczątkował August, który zbudował w 1930 roku balon stratosferyczny. August Piccard był interesującą postacią (także z wyglądu)

do tego stopnia, że na jego powierzchowności wzorowano potem postaci profesorów w kreskówkach i w komiksach. Balon stratosferyczny Piccarda był nie lada osiągnięciem techniki XX wieku. W czasach, gdy samoloty osiągały wysokości nieprzekraczające 10 tysięcy metrów, August Picard wzbił się swoim balonem ponad dwukrotnie wyżej (na 23 tysiące metrów), bijąc wszelkie ówczesne rekordy, przeprowadzając pionierskie badania najwyższych warstw atmosfery (a właściwie stratosfery) i odkrywając promieniowanie kosmiczne. Balon Piccarda, nazwany FRNS na cześć głównego sponsora tych badań, Belgijskiego Narodowego Funduszu Badań Naukowych, był ogromny (skoro miał się wzbić na tak ogromną wysokość) i miał niezwykły kształt

Wyglądał jak niedopompowany! Ale to celowo, bo na ogromnych wysokościach, do których chciał dotrzeć Piccard, panuje bardzo niskie ciśnienie. Balon w pełni napełniony lżejszym od powietrza gazem (helem) w tych warunkach albo by uległ rozerwaniu (gdy ustalone ciśnienie w jego wnętrzu stałoby się znacznie wyższe niż ciśnienie otaczającego powietrza) albo by przestał się wznosić, bo nawet lżejszy od powietrza hel wpompowany do balonu na powierzchni ziemi byłby cięższy od rozrzedzonego powietrza w stratosferze. Piccard to przewidział i dlatego jego balon był właśnie napełniony taką ilością helu, że im wyżej się wznosił, tym bardziej hel się rozprężał i balon stawał się kulisty, aż wreszcie maksymalną objętość (i maksymalny wypór) osiągał właśnie w stratosferze.

Start takiego "niedopompowanego" balonu wiązał się z niebezpieczeństwem, że wiatr nim może poniewierać (ogromna powierzchnia powłoki i stosunkowo niska siła nośna niewielkiej ilości helu), więc jako miejsce startu wybrano osłoniętą od wiatrów dolinę górską.

Start nastąpił 27 maja 1931 (jutro będzie rocznica!) z Augsburga, ale rozważana była także Dolina Chochołowska. Balon wzniósł się aż do stratosfery, co pozwoliło na przeprowadzenie pierwszych badań naukowych w niedostępnym wcześniej dla człowieka pograniczu naszej atmosfery i przestrzeni kosmicznej. Piccard zamiast tradycyjnego pasażerskiego kosza podwieszonego do balonu

w którym pierwsi badacze górnych warstw atmosfery po prostu się dusili - użył szczelnej, kulistej metalowej kapsuły (aluminiowej, bo każdy gram się liczył!) z iluminatorami.

Pracowało się w tej gondoli raczej marnie

ale bezpieczeństwo badaczy było zapewnione! Warto dodać, że gondola wysokościowa Piccarda była potem wzorem dla pojazdu kosmicznego Wostok, w którym człowiek po raz pierwszy wyruszył w Kosmos

Warto wspomnieć, że August Piccard chciał w przyszłości wykorzystać polskie osiągnięcia techniczne: powłokę jego kolejnego balonu miała wytworzyć fabryka gumy w Sanoku, a sam balon miał być zbudowany w Legionowie. Niestety, plany te przerwała II wojna światowa.

Po wojnie do stratosfery zaczęły latać odrzutowce i rakiety, więc August Piccard wymyślił, że balon może również posłużyć do ... eksploracji głębin morskich.

Do tej części mojej gazetowej opowieści zgłaszano najwięcej wątpliwości, dlatego w tym wpisie muszę przedstawić sporo wyjaśnień. Pierwsza wątpliwość wynikała z faktu, że balon wznosi się przecież do góry, a wyprawa na dno morza wymaga udania się w dół!

Otóż wszystko się zgadza. Żeby zbadać dno oceanu trzeba się opuścić w dół. Tylko jak potem wrócić? Droga w dół, na dno morza, jest łatwa. Odbyło ją (niestety!) wielu pasażerów tonących statków. Tylko nikt z nich potem z tej otchłani nie powrócił!

Piccard zamierzał wrócić, więc wymyślił taki system:

Zanurzającym się obiektem będzie podwodny balon w postaci dużej blaszanej puszki. Oczywiście nie balon napełniony gazem lżejszym od powietrza, więc wynoszonym w górę przez atmosferę, ale balon napełniony cieczą lżejszą od wody – benzyną. Dzięki temu, że wewnątrz puszki jest ciecz - podwodny balon nie ulega zgnieceniu nawet na bardzo dużych głębokościach, bo ogromnemu ciśnieniu wody od zewnątrz przeciwstawia się równie duże ciśnienie powstające w nieściśliwej cieczy wypełniającej balon. Podwodny balon Piccarda nazwany FNRS2 (wiadomo, dlaczego) był puszką zbudowaną z niezbyt grubej blachy, co widać na historycznych zdjęciach

a jednak był w stanie penetrować głębiny niedostępne dla największych łodzi podwodnych, z których niejedną ciśnienie wody zmiażdżyło. Dno wszystkich mórz i oceanów jest pełne wraków okrętów podwodnych zbudowanych z grubej stali, od których jednak miażdżące ciśnienie morskich głębin okazało się silniejsze.

A tymczasem zbudowana z cienkiej blachy puszka z benzyną Piccarda docierała całkowicie bezpiecznie znacznie głębiej.

Żeby się ten podwodny balon mógł zanurzyć - w puszce umieszczono obciążniki. Puszka z obciążnikami tonie, puszka bez obciążników wypływa na powierzchnię. Tak jak balon, w którym rolę obciążników pełnią worki z piaskiem. Wysypywanie piasku powoduje unoszenie się balonu wyżej.

Oczywiście, przy budowie podwodnego balonu kluczowym pytaniem było:

A co będzie, gdyby obciążników nie dało się odrzucić?!

Aby mieć 100% gwarancji, że tak się nie stanie - Piccard wymyślił obciążniki w postaci śrutu żelaznego, utrzymywane we wnętrzu zbiornika przez silne elektromagnesy. Pojemniki z tym żelaznym śrutem nie miały dna, więc gdy tylko elektromagnes puszczał - śrut wylatywał i balon zaczynał się wznosić. Zasilanie elektromagnesu miało wyłącznik, którym sterował badacz w kapsule, ale na wszelki wypadek kable przebiegały we wnętrzu tak, że można je było przeciąć nożem, gdyby wyłącznik się zepsuł. Zwróćmy uwagę, że ewentualna awaria mogła spowodować przedwczesne wynurzenie się podwodnego balonu (zdarzało się to podczas niektórych prób!), natomiast żadna awaria nie mogła uwięzić balonu na dnie morza.

Pod balonem z benzyną podwieszono kulistą (znowu!) kapsułę, tym razem chroniącą przed ciśnieniem wody - i pojazd ten (nazwany batyskafem) był w stanie penetrować morskie otchłanie. Wyprawy batyskafem były ryzykowne, bo ogromne ciśnienie wody na wielkich głębokościach mogło zmiażdżyć kapsułę. Szczególne obawy budziły okna. Trzeba było mieć możliwość oglądania odwiedzanych podwodnych krain, a jednocześnie było jasne, że takie okno to najsłabszy punkt pancernej kapsuły, w której krył się badacz zwiedzający podmorskie głębiny. Piccard wymyślił okna w postaci stożkowej

Taka gruba pancerna szyba była przez ciśnienie wody wpychana coraz mocniej w również stożkowy otwór w stalowym pancerzu kapsuły, więc im większy był napór wody, tym szczelniej okno wciskało się w "futrynę". Jednak trzeba przyznać, że było to rozwiązanie pionierskie, a przez to ryzykowne (łodzie podwodne nie mają okien!). Ryzyko jednak się opłaciło i syn Augusta Piccarda, Jacques, ustanowił (w 1960 roku w batyskafie Trieste) absolutny rekord głębokości zanurzenia, schodząc na dno Rowu Mariańskiego – najgłębszego miejsca na Ziemi. Budowę "zwycięskiego" batyskafu przedstawia rysunek.

Mam nadzieję, że mimo angielskich opisów na rysunku Czytelnicy łatwo zidentyfikują wszystkie omówione wyżej elementy batyskafu. Na zakończenie tego wątku warto jeszcze obejrzeć zdjęcie Augusta Piccarda i jego syna Jacquesa na pokładzie batyskafu.

Wydawać by się mogło, że trzeci członek „dynastii”, syn Jacquesa Bertrand, nie miał już szans na kolejny balonowy rekord.

Nic bardziej mylnego! Bertrand Piccard w 1999 zbudował balon Breitling Orbiter 3

i z jego pomocą ustanowił kolejny rekord - pierwszy okrążając Ziemię balonem bez lądowania! Był to nie lada wyczyn, bo balon nie miał własnego napędu i Bertrand musiał tak wybierać wysokość lotu, żeby mieć stale sprzyjające wiatry. Na rysunku widać trasę balonu i (u dołu) wysokość jego lotu.

Ciekawe, co wymyśli syn Bertranda?