Die Welt der Technik Jules Vernes: Ballone

In seinen Voyages Extraordinaires, oder Reiseromanen wie sie früher auch im deutschsprachigen Raum genannt wurden, geht es natürlich oft um die Fragen der Fortbewegung. Konsequent nutzen die Helden Vernes alle damalig verfügbaren Möglichkeiten, wobei Verne in seiner Kreativität noch ergänzende Varianten „erfand“. Unter der Rubrik FAHRZEUGE darf natürlich eines nicht fehlen: Der Ballon. Eine besondere Variante die der Phantasie Vernes entsprang, ist der „lenkbare“ Ballon VICTORIA (Vehicles: The „manoeuvrable“ balloon >Victoria<)

Es ist nicht einfach das Thema „Verne und Ballonfahren“ niederzuschreiben. Denn wo soll man beginnen? Die Faszination des Gedankens die Erde zu verlassen und sich in das Luftmeer zu begeben, hatte Verne schon früh erfasst. So griff er in einer Kurzgeschichte 1851 eine wahre Begebenheit aus der damaligen Luftfahrt auf, die er zu der Geschichte

Ein Drama in den Lüften (original: Un voyage en ballon) wie sie später genannt wurde, umschrieb.

Das Thema wird realer, als Vernes Freund Nadar mit seinen Ideen und Projekten zur Thematik Fliegen ihn zu einem Roman inspiriert, der die Überquerung Afrikas zum Thema hatte. Diese Zusammenhänge, einschließlich Details zu Nadars Ballonvorhaben, habe ich versucht auf meiner Seite

Fünf Wochen im Ballon im Unterpunkt Zur Entstehung des Romans darzustellen.

Aber Nadars Ballon war nur Inspiration – als technisches Vorbild im Roman konnte er nicht dienen, denn die Grundidee war zu verschieden. Am 4. Oktober 1863 konnte Nadars Gigant seine erste Fahrt unternehmen. Die Dimensionen des Gefährts waren gewaltig: Die Riesenhülle konnte 6000 Kubikmeter fassen und weiter ist in /2/ zu lesen: „Nadar startete mit seinem Ballon, dessen Gondel 1,2 Tonnen wog und 12 Passagiere aufnehmen konnte – nebst einer kleinen Druckerei zur Anfertigung von Flugblättern.“ Trotz des großen Publikumsinteresses war das Projekt nach seiner zweiten Fahrt, die haarscharf an einer Katastrophe vorbeischrammte, zu Ende. Kommerziell trug sich das Vorhaben nicht. Gigantismus allein schien nicht der überzeugendste Lösungsansatz zu sein ... (Bild links: Aufstieg des Nadarschen Ballons in Brüssel am 26. September 1864. Quelle: /5/ Seite 129 und Bild unten: Aufstieg des Ballons in Paris 1867 /9/)

Allgemein wird das Thema Jules Verne und Ballone / Luftschiffe gern als kausale Einheit gesehen. Richtigerweise taucht das „Objekt“ Ballon in mehreren Romanen Vernes, und meist mit viel Detailkenntnis geschildert, auf. Ist er deshalb auch ein Ballonspezialist oder gar ein erfahrener Ballonfahrer? In der Praxis hat man Verne nur einmal in der Luft gesehen. Diese denkwürdige Luftreise fand am 29. September 1873 mit dem Ballon Météore, zusammen mit dem berühmten Aéronauten Eugéne Godard über Amiens statt. Vernetypisch wurde das Ereignis in der Kurzgeschichte Vierundzwanzig Minuten im Ballon festgehalten (Fakten aus /3/).

Wir erinnern uns: Der Roman sollte alle Puzzlesteine erforschter Regionen der Expeditionen Nord- und Mittelafrikas, besonders auch die Mühen um die Erforschung der Nilquellen, ideal vereinen. Als geeignetes Verkehrsmittel dazu, natürlich auch als Sinnbild des technischen Fortschritts, bot sich der Ballon an. Dabei musste aber im Roman eine für damalige Verhältnisse riesige Distanz bei der Überquerung des Kontinents überwunden werden. Neben der Entfernung musste sich Verne natürlich auch eines der Grundprobleme der Ballonfahrt annehmen: Der völligen Abhängigkeit des Ballons von vorhandenen Luftströmungen. Unterstützt wurde das Unternehmen durch die ständig von Ost nach West über Afrika wehenden Passatwinde. Aber Luftströmungen lassen sich nur effektiv nutzen, wenn man diese wahlweise auch in den unterschiedlichsten Höhen suchen kann. Gleichzeitig ist durch die Länge der geplanten Expedition auch zwangsweise das Landen und Starten des Ballons mehrmals vorzusehen.

Wie stellten sich die Helden des Romans diesen Problemen? Es wurde nicht auf einen Heißluftballon a la Mongolfier gesetzt, sondern auf einen Gasballon. Bereits seit 1766 war das leichteste aller tragenden Medien bekannt: Der Brite Henry Cavendish (siehe Bild und Erläuterungen links) entdeckte das Wasserstoffgas. Aber der Einsatz eines Wasserstoffballons bedeutet für längere Fahrten, dass der Ballon über enorme Gasreserven verfügen muss. Dies machte der Freund Dr. Fergussons, der wackere Dick Kennedy noch vor der Fahrt diesem klar: „wenn du vor hast, dir das Land anzusehen, wenn du darauf rechnest, nach Lust und Gefallen auf und niederzusteigen, so wird sich das nicht machen lassen ohne Gasverlust! Andere Mittel, vorwärts zu kommen, hat es bis jetzt noch nicht gegeben, und gerade der Gasverlust ist doch ein Hindernis für lange Luftschiffahrten gewesen!“ /7/. (Bild: Füllung eines Wasserstoffballons um 1795 (?). HINWEIS: Dies ist das gleiche Prinzip welches von Verne beschrieben wurde, als unsere Ballonfahrer am 17. April auf Sansibar den Ballon füllten. Fergusson benötigte 30 mit Eisen gefüllteTonnen, die dann mit Schwefelsäure und Wasser versehen wurden. Quelle des Bildes: /5/ Seite 121)

Doch genau diesem Prinzip des Gasfüllens und Gasablassens wollte Verne nicht folgen. Innovativ setzte er auf ein anderes physikalisches Prinzip. Der Ausgangspunkt der Idee Fergussons (Vernes) ist es gewesen, dass der Gasvorrat im Ballon konstant bleibt: „Meine Auf- und Abstiegsmittel bestehen einzig und allein in der Ausdehnung oder Verdichtung des im Innern des Luftschiffes eingeschlossenen Gases durch Anwendung verschiedener Temperaturen.“ /8/. Im Klartext: Durch Erwärmung des Gasvorrates sollte ein Aufsteigen erwirkt werden. Eine Ballonfahrt ohne Gasverlust kann man idealisiert im Roman gelten lassen. Das dieses Wunschdenken nicht völlig unmöglich ist, zeigt die folgende Qualitätseinschätzung der damaligen Ballone in einer zeitgenössischen Auswertung des Einsatzes französischer Fluggeräte: „Man erfährt, dass die französischen Militärballone nur relativ selten und dann auch nur wenig nachgefüllt werden mussten, was für die Qualität des verwendeten Hüllenmaterials spricht.“ (So beschrieben 1851, gefunden in /4/).

Ein weiteres Element der Konstruktion des Ballons Victoria war die doppelten Ballonhülle, auch Ballonet genannt. Diese Lösung wurde bereits von Ballonpionier Jean Baptiste Meusnier im Jahre 1793 vorgeschlagen. Später kam dieser Erfindung besonders bei Prallluftschiffen ein große Bedeutung zu, denn sie diente zum Volumenausgleich und damit zur Formerhaltung des Ballons / Luftschiffes bei unterschiedlichen Höhen und Drücken. Bei der Beschreibung des Ballons unserer Akteure, wird die Idee allerdings dem Erfindungsreichtum Fergussons zugeschrieben: „Doktor Fergusson war es nun nach langem Studium gelungen, durch eine sinnreiche Anordnung die Vorteile von zwei Ballons zu vereinigen, ohne ihre Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Er baute zwei Ballons von ungleicher Größe und schloss den einen in den anderen ein.“/9/

Auch die von Verne gewählte Kombination von Gasballon und Aufheizung war nicht so neu und es gab dazu sogar tragische Beispiele: Nach der erfolgreichen Kanalüberquerung mit dem Ballon von England nach Frankreich am 7. Januar 1785 durch Blanchard, gab es kurz darauf einen Nachahmer der Aktion, dies war Pilâtre de Rozier (siehe Bild und Erläuterungen links): „Dieser hatte weiterhin den Ehrgeiz, mit seinem Kombinationsballon aus Wasserstoff und Aufheizvorrichtung den Kanal in umgekehrter Himmelsrichtung zu meistern. ... Er stürzte schon kurz nach dem Start, nachdem seine Konstruktion in der Luft explodiert war, ab und starb an der Unglücksstelle.“/5/.

Der Italiener Francesco Zambeccari (siehe Bild und Erläuterungen links) wartete 1803 mit einer verbesserten Roziere auf: „Er baute tatsächlich den kombinierten Typ von Wasserstoffballon und einem darunter befindlichen heizbaren Aggregat in Form eines Spiritusbrenners. Die beiden gefährlichen Elemente Feuer und Wasserstoff trennte er durch eine Eisenplatte. Ihn ereilte zwar nicht wie Rozier das Schicksal einer Explosion, doch wurde ihm der mitgeführte Spiritus zum Verhängnis. (der Spiritusvorrat entzündete sich bei der Landung – Anmerkung A.F.) ... Sein Resümee: Der Heizapparat funktioniert gefahrlos, seine Wirkung war aber schlecht kontrollierbar.“ /6/ Zambeccari schätzte ein, dass sich die Heißluftröhre im Wasserstoffballon bewährt hatte. Bei weiteren Versuchen und erneuten Bränden im Ballon stürzte er 1812 tödlich ab, was für erneute Schlagzeilen sorgte. Blaues Bild links: So stellte sich der Illustrator Klaus Ensikat in der Ausgabe Fünf Wochen im Ballon des Verlages Neues Leben Berlin 1975 den Ballon Victoria vor.

Wie man an diesen Fakten erkennt, mussten die vorhandenen Puzzlesteine nur zusammengesetzt werden und nach einer technischen Optimierung gab es die Lösung a la Fergusson. Da man den Schwachpunkt der Lösung Zambeccaris schnell erkannte, es waren die leicht entflammbaren Spiritusvorräte, konnte man dies in Publikationen bestimmt nachlesen. So versuchte Verne eine sichere Lösung zur Aufheizung seines Traggases einzusetzen. Es sollte ein gut steuerbarer Brenner sein, der wohldosiert den Wärmehaushalt regulieren konnte. Wie müssen wir uns nun die Realisierung vorstellen?

Zur technischen Umsetzung gibt es die berühmten 5 Kästen auf dem Ballon Victoria, die folgende Funktion innehaben:

Noch ohne Aufzählung der Kästen: Das Herzstück der Anlage, eine Bunsenbatterie, der Lieblingsspannungsquelle Jules Vernes. Siehe dazu auch meine Beiträge:

Die Ruhmkorfflampe - dort ist auch die Funktionsweise erläutert - oder die diversen Anwendungen in Fahrzeugen:

Antriebskraft. Jetzt folgt der sogenannte erste Kasten:

Kasten 1: Ein Wassertank für 25 Gallonen Wasser, unter ihm angebracht ein offensichtlich „Hoffman'scher Zersetzungsapparat“, in dem durch die Bunsenbatterie die elektrolytische Trennung des Wassers vorgenommen wird. Funktionsweise: In einem Wasserzersetzungsapparat wird an den Platinelektroden Gleichstrom angelegt. Es bildet sich am negativen Pol (Kathode) Wasserstoff und am positiven Pol (Anode) Sauerstoff. Aus zwei Wasser-Molekülen entstehen zwei Wasserstoff-Moleküle und ein Sauerstoff-Molekül. Das Prinzip ist im Bild links dargestellt.

Kasten 3: Der doppelt so große Wasserstoffbehälter, ebenfalls verbunden mit Kasten 1

Kasten 4: Der aus Kasten 2 und 3 eingespeiste und mit allerlei Stellventilen versehene, 21 Kubikfuß große Mischkasten, in dem das Knallgasgemisch herstellt wird. Am oberen Ende befindet sich ein Platinrohr mit einem Hahn. Diese Konstruktion wird von Verne als Knallgasgebläse bezeichnet, welches eine Hitze eines Schmiedefeuers erreichen soll. Auch heute gibt es dafür praktische Anwendungen: Im Schneidbrenner oder als erste Treibstufe im Space-Shuttle.

Kasten 5: Von Kasten 4 führen bedingt biegsame Rohre in den sogenannten Heizkasten. Hier verbrennt das Knallgas und es erhitzt eine Spirale, die vom Wasserstoff des Ballons mit dem Prinzip einer Schwerkraftheizung druchflossen wird. Dadurch kann eine Erwärmung des Traggases erreicht werden – der Ballon steigt.

Kapazitive Berechnungen der Bunsenbatterie nach Angaben Jules Vernes, vom Physiker und Vernian Garmt de Vries (von mir aus dem Englischen Übersetzt und ergänzt)

Am Ende des 10. Kapitels sagt Dr. Fergusson: „Meine 25 Gallonen Wasser bedeuten demnach für mich 636 Stunden Luftfahrt oder ein weniges über 26 Tage.“ Dies bedeutet, dass in 636 Stunden der Wasserstoff und der Sauerstoff von 25 Gallonen Wasser verbrannt wird. Für eine vorsichtige Schätzung der Batterieleistung nehmen wir an, dass die 25 Gallonen Wasser in den gleichen 636 Stunden durch Elektrolyse gespalten werden müssen. 25 Gallonen Wasser sind ungefähr 94,6 Liter mit einer Masse von 94,5 kg. Wasser hat eine molare Masse von 18,02 g/mol, also enthalten Fergussons 25 Gallonen 5236 mol Wasser. Für die Elektrolyse von 1 mol Wasser muss eine Energie von 237,1 kJ von einer Batterie geliefert werden. Für die Elektrolyse von 25 Gallonen Wasser benötigt man also 1,24 GJ (1.240.000.000 Joule!). Wenn die Batterie diese Menge Energie gleichbleibend über den Verlauf von 636 Stunden (das sind 2.289.600 Sekunden) liefern soll, dann muss sie kontinuierlich über diesen Zeitraum eine Leistung von 542 Watt abgeben. Bei der Elektrolyse von 5236 mol Wasser werden 10.472 mol von Elektronen durch den Stromkreis bewegt. Zusammen haben diese eine Ladung von 1,01 GC (1.010.000.000 Coulomb). Wenn diese Ladung mit einem gleichbleibend Wert während der 636 Stunden anliegen soll, dann fließt ein Strom von 441 Ampere! Die benötigte Spannung können wir nach der Formel P=V*I finden. Mit den oben genannten Werten ergibt sich eine Spannung von 1,2 Volt. Obwohl die Spannung von 1,2 Volt ziemlich angemessen ist, ist der Strom von 441 Ampere doch ziemlich unwahrscheinlich.

Doch die ursprüngliche Frage lautete: Wie lange könnte die Batteriekapazität reichen? Nehmen wir die Leistung der oben errechneten 542 Watt an. Nun müssen wir ermitteln, wie viel Energie die Batterie speichern kann. In Kapitel 7 wird gesagt, dass „dieser Apparat so sinnreich kombiniert wurde, dass er nicht mehr als 700 Pfund wog, inklusive der 25 Gallonen Wasser die ein besonderer Kasten enthielt“. So kann die eigentliche Batterie nicht schwerer als 200 Kg gewesen sein. Eine moderne NiCd (Nickelkadmium) Batterie hat eine Energiedichte von ungefähr 50 Wh/kg (180 kJ/kg). Dies gibt uns ein sehr großzügiges oberes Limit für die Energiespeicherung in Fergussons Bunsenbatterie, die 36 MJ (Megajoule) lieferte. Wenn diese Batterie kontinuierlich 542 W liefern müsste, dann würde sie nach rund 66.000 Sekunden, oder etwas mehr als 18 Stunden erschöpft sein. Zusammenfassend: Wo auf der Erde fand Fergusson solch eine bemerkenswerte Bunsenbatterie?

Soweit die Ausführungen von Garmt de Vries. Vernes Trugschluss lag also in der Energiebilanz seiner Lösung. Nur zusätzliches Wasser allein bringt noch keine Energiereserven hervor. Eigentlich schade: Ein wesentliches Problem unserer Zeit währe ideal gelöst. Aber können wir das technische Dilemma einer möglichen Eins-zu-Eins-Umsetzung Verne zum Vorwurf machen? Um einen völlig anderen Vergleich im SciFi-Genre zu bemühen: Ist denn die technische Undurchführbarkeit des Beamens im SciFi-Epos Raumschiff Enterprise ein Makel an der Story?

Warum sollte man nur nüchterne Zahlen oder eine 100 prozentig machbare Umsetzung gelten lassen? – Die Phantasie verleiht doch unseren Gedanken Flügel ... und so gelangen Generationen von Lesern mit Dr. Fergusson und seinen Freunden immer an das Ziel der Afrikaüberquerung.