Come hanno notato altre risposte, l'unico gas più leggero dell'elio è l'idrogeno, che ha alcuni problemi di infiammabilità che lo rendono più difficile da maneggiare in sicurezza dell'elio.
Inoltre, in pratica, l'idrogeno non è significativamente "più leggero" dell'elio. Mentre la massa molecolare (e quindi, secondo la legge dei gas ideali, la densità) dell'idrogeno gassoso è circa la metà di quella dell'elio, ciò che determina la galleggiabilità di un pallone è la differenza tra la densità del gas all'interno del pallone e l'aria esterna.
La densità dell'aria in STP è di circa $ \ rho _ {\ ce {air}} = \ pu {1.2754 kg m-3} $ , mentre le densità di idrogeno ed elio i gas sono $ \ rho _ {\ ce {H2}} = \ pu {0,08988 kg m-3} $ e $ \ rho _ {\ ce {He}} = \ pu {0,1786 kg m-3} $ rispettivamente. Le forze di galleggiamento di un pallone a idrogeno e di un pallone ad elio in aria (trascurando il peso della pelle e la differenza di pressione tra l'interno e l'esterno, che entrambi diminuiscono leggermente la galleggiabilità) sono proporzionali alle differenze di densità $ \ rho _ {\ ce {air}} - \ rho _ {\ ce {H2}} = \ pu {1.1855 kg m-3} $ e $ \ rho _ {\ ce {air}} - \ rho _ {\ ce {He}} = \ pu {1,0968 kg m-3} $ . Pertanto, l'elio è solo di $ 7,5 \% $ meno galleggiante nell'aria dell'idrogeno.
Ovviamente, se l'aria circostante fosse sostituita con un gas più leggero, la differenza di densità tra idrogeno ed elio diventerebbe più significativa. Ad esempio, se volessi andare in mongolfiera su Giove, che ha un'atmosfera composta principalmente da idrogeno e un po 'di elio, un pallone di elio semplicemente affonderebbe e persino un idrogeno puro il palloncino (a temperatura ambiente) non solleverebbe molto peso. Ovviamente, potresti sempre riempire il pallone con aria gioviana e riscaldarlo per produrre un pallone a idrogeno caldo (da non confondere con un pallone di Rozière, che vengono utilizzati sulla Terra e hanno camere separate per l'aria calda e l'idrogeno / elio).
Ps. Un modo rapido per ottenere approssimativamente questo risultato è da notare che una molecola di idrogeno è composta da due protoni (e alcuni elettroni, che hanno massa trascurabile), e quindi ha una massa molecolare di circa $ \ pu {2 Da} $ span>, mentre un atomo di elio ha due protoni e due neutroni, per una massa totale di circa $ \ pu {4 Da} $ .
L'aria, invece, è principalmente ossigeno e azoto: l'ossigeno ha una massa molecolare di circa $ \ pu {32 Da} $ (8 protoni + 8 neutroni per atomo , due atomi per molecola), mentre l'azoto è vicino a $ \ pu {28 Da} $ (un protone e un neutrone per atomo in meno dell'ossigeno). Pertanto, la massa molecolare media dell'aria dovrebbe essere compresa tra $ 28 $ e $ \ pu {32 Da} $ ; infatti, poiché l'aria è circa tre quarti di azoto, si tratta di circa $ \ pu {29 Da} $ , e quindi la galleggiabilità dell'idrogeno e dell'elio nell'aria è proporzionale a $ 29 - 2 = 27 $ e $ 29 - 4 = 25 $ rispettivamente. Pertanto, l'idrogeno dovrebbe essere circa $ \ frac {(27 - 25)} {25} = \ frac {2} {25} = \ frac {8} {100} = 8 \ % $ più galleggiante dell'elio o, in altre parole, l'elio dovrebbe essere circa $ \ frac {2} {27} \ approx 7.5 \% $ meno vivace dell'idrogeno.
Pps. Per riassumere alcuni dei commenti di seguito, ci sono anche altri possibili gas di sollevamento, ma nessuno di loro sembrano essere concorrenti particolarmente validi per l'elio, almeno non ai prezzi odierni dell'elio.
Ad esempio, metano (massa molecolare $ \ approx \ pu {16 Da} $ ) ha circa la metà della galleggiabilità dell'idrogeno o dell'elio nell'atmosfera terrestre ed è economico e facilmente reperibile dal gas naturale. Tuttavia, come l'idrogeno, è anche infiammabile e, sebbene sia un po 'meno pericoloso per alcune misure (velocità di combustione e intervallo di infiammabilità), è più pericoloso per altri (contenuto energetico totale per volume). In ogni caso, la ridotta galleggiabilità, insieme all'infiammabilità, è probabilmente sufficiente per affondare (gioco di parole non voluto) il metano come valida alternativa all'elio.
Una scelta molto meno infiammabile sarebbe il vapore acqueo che, con una massa molecolare di $ \ approx \ pu {18 Da} $ , è solo leggermente meno galleggiante del metano alla stessa temperatura e pressione. L'ovvio problema con l'acqua è che è un liquido a temperatura ambiente, il che significa che deve essere riscaldato per far sollevare qualsiasi cosa. Non sarebbe poi così male (dopotutto, si ottiene un sollevamento extra dall'espansione a causa del calore), tranne per il fatto che rende qualsiasi guasto nel sistema di riscaldamento un potenziale disastro, mentre una mongolfiera scivolerà dolcemente verso il basso se il bruciatore si guasta, un pallone a vapore caldo può subire una catastrofica perdita di galleggiamento se il vapore si condensa.
Nonostante questi inconvenienti, palloni a vapore caldo sono certamente suggerito, studiato e provato in passato, purtroppo non sempre particolarmente efficace (sebbene, a quanto pare, ci sono sono stati tentativi molto più riusciti). Esistono vari modi in cui il problema della condensa potrebbe essere potenzialmente ridotto, come l'aggiunta di ulteriori strati isolanti all'involucro del palloncino, o persino circondare il pallone a vapore con un involucro di aria calda più convenzionale. Finora, tuttavia, sembra che i palloncini a vapore rimangano saldamente nel regno di idee ingegnose ma poco pratiche.
Altri potenziali gas di sollevamento, con massa molecolare simile al metano e all'acqua, includono ammoniaca e neon. Il neon, essendo un gas nobile come l'elio, funzionerebbe sicuramente e sarebbe sicuro, ma purtroppo è sia meno galleggiante che più costoso dell'elio.
L'ammoniaca, d'altra parte, sebbene molto meno infiammabile del metano, è piuttosto tossica e corrosiva (per non parlare davvero puzzolente, che, date le sue altre proprietà, è probabilmente una cosa buona ). Non credo che mi piacerebbe volare in un pallone di ammoniaca, ma apparentemente, alcune persone lo fanno! Sembra che il suo principale vantaggio (oltre ad essere molto più economico dell'elio) è la sua pressione di vapore relativamente bassa, che lo rende più facile da immagazzinare e maneggiare in forma compressa.
Quindi, almeno per alcune applicazioni di nicchia (principalmente hobbisti e alcuni palloni meteorologici, AFAICT), l'ammoniaca potrebbe effettivamente essere l'alternativa più praticabile all'elio (e all'aria calda) oggi, con il metano / gas naturale forse al secondo posto. Se l'elio diventasse più scarso e costoso, questi gas di sollevamento a basso costo (e forse altre alternative, come il recupero dell'elio o persino i palloni a vapore) potrebbero diventare più pratici. Inoltre, lo stesso vale per l'idrogeno: i suoi problemi di sicurezza, sebbene ben noti, non sono insormontabili, soprattutto non per cose come i palloni meteorologici senza equipaggio in cui i rischi sono molto minori. ⠀⠀⠀⠀⠀⠀