Comme d'autres réponses l'ont noté, le seul gaz plus léger que l'hélium est l'hydrogène, qui présente quelques problèmes d'inflammabilité qui le rendent plus difficile à manipuler en toute sécurité que l'hélium.
De plus, en pratique, l'hydrogène n'est pas significativement "plus léger" que l'hélium. Alors que la masse moléculaire (et donc, selon la loi des gaz parfaits, la densité) de l'hydrogène gazeux est environ la moitié de celle de l'hélium, ce qui détermine la flottabilité d'un ballon est la différence entre la densité du gaz à l'intérieur du ballon et celle de l'air à l'extérieur.
La densité de l'air à STP est d'environ $ \ rho _ {\ ce {air}} = \ pu {1,2754 kg m-3} $ , tandis que les densités de hydrogène et hélium gas sont $ \ rho _ {\ ce {H2}} = \ pu {0,08988 kg m-3} $ et $ \ rho _ {\ ce {He}} = \ pu {0,1786 kg m-3} $ respectivement. Les forces de flottabilité d'un ballon à hydrogène et d'un ballon à hélium dans l'air (en négligeant le poids de la peau et la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur, qui diminuent quelque peu la flottabilité) sont proportionnelles aux différences de densité $ \ rho _ {\ ce {air}} - \ rho _ {\ ce {H2}} = \ pu {1,1855 kg m-3} $ et $ \ rho _ {\ ce {air}} - \ rho _ {\ ce {He}} = \ pu {1,0968 kg m-3} $ . Ainsi, l'hélium est environ $ 7,5 \% $ moins flottant dans l'air que l'hydrogène.
Bien sûr, si l'air ambiant était remplacé par un gaz plus léger, la différence de densité entre l'hydrogène et l'hélium deviendrait plus importante. Par exemple, si vous souhaitez aller en ballon sur Jupiter, qui a une atmosphère principalement composée d'hydrogène et d'hélium, un ballon d'hélium coulerait , et même un hydrogène pur. ballon (à température ambiante) ne soulèverait pas beaucoup de poids. Bien sûr, vous pouvez toujours simplement remplir le ballon d’air ambiant jovien et le chauffer pour produire un ballon à hydrogène chaud (à ne pas confondre avec un ballon Rozière, qui sont utilisés sur Terre et ont des chambres séparées pour l'air chaud et l'hydrogène / l'hélium).
Ps. Un moyen rapide d'obtenir approximativement ce résultat est à noter qu'une molécule d'hydrogène est constituée de deux protons (et de quelques électrons, qui ont une masse négligeable), et a donc une masse moléculaire d'environ $ \ pu {2 Da} $ span>, alors qu'un atome d'hélium a deux protons et deux neutrons, pour une masse totale d'environ $ \ pu {4 Da} $ .
L'air, quant à lui, est principalement composé d'oxygène et d'azote: l'oxygène a une masse moléculaire d'environ $ \ pu {32 Da} $ (8 protons + 8 neutrons par atome , deux atomes par molécule), tandis que l'azote est proche de $ \ pu {28 Da} $ (un proton et un neutron par atome de moins que l'oxygène). Ainsi, la masse moléculaire moyenne de l’air doit être comprise entre 28 $ et $ \ pu {32 Da} $ ; en fait, comme l'air contient environ trois quarts d'azote, il s'agit d'environ $ \ pu {29 Da} $ , et donc les flottabilité de l'hydrogène et de l'hélium dans l'air sont proportionnelles à 29 $ - 2 = 27 $ et 29 $ - 4 = 25 $ respectivement. Ainsi, l'hydrogène devrait être environ $ \ frac {(27 - 25)} {25} = \ frac {2} {25} = \ frac {8} {100} = 8 \ % $ plus flottant que l'hélium, ou, en d'autres termes, l'hélium devrait être d'environ $ \ frac {2} {27} \ approx 7,5 \% $ moins flottant que l'hydrogène.
Pps. Pour résumer certains des commentaires ci-dessous, il existe d'autres gaz de levage possibles, mais aucun d’entre eux semblent être des concurrents particulièrement viables pour l’hélium, du moins pas aux prix actuels de l’hélium.
Par exemple, méthane (masse moléculaire $ \ approx \ pu {16 Da} $ ) a environ la moitié de la flottabilité de l'hydrogène ou de l'hélium dans l'atmosphère terrestre, et est bon marché et facilement disponible à partir du gaz naturel. Cependant, comme l'hydrogène, il est également inflammable, et s'il est un peu moins dangereux par certaines mesures (vitesse de combustion et plage d'inflammabilité), il est plus dangereux par d'autres (contenu énergétique total par volume). Dans tous les cas, la flottabilité réduite, associée à l'inflammabilité, est probablement suffisante pour faire couler (jeu de mots non prévu) le méthane comme alternative viable à l'hélium.
Un choix beaucoup moins inflammable serait la vapeur d'eau qui, avec une masse moléculaire de $ \ approx \ pu {18 Da} $ , n'est que légèrement moins flottante que le méthane à la même température et pression. Le problème évident avec l'eau est qu'il s'agit d'un liquide à température ambiante, ce qui signifie qu'elle doit être chauffée pour qu'elle soulève quoi que ce soit. Ce ne serait pas si grave (après tout, vous obtenez une augmentation supplémentaire de la dilatation en raison de la chaleur), à l'exception du fait que toute défaillance du système de chauffage est un désastre potentiel - alors qu'une montgolfière dérivera doucement vers le bas si le brûleur tombe en panne, un ballon à vapeur chaude peut subir une perte de flottabilité catastrophique si la vapeur se condense.
Malgré ces inconvénients, les ballons à vapeur chaude ont certainement été suggéré, étudié et essayé dans le passé - hélas, pas toujours particulièrement réussi (même si, apparemment, il y a tentatives beaucoup plus réussies également). Il existe différentes manières de réduire le problème de condensation, par exemple en ajoutant des couches d'isolation supplémentaires à l'enveloppe du ballon, ou même en entourant le ballon à vapeur d'une enveloppe d'air chaud plus conventionnelle. Jusqu'à présent, cependant, il semble que les ballons à vapeur restent fermement dans le domaine des idées astucieuses mais peu pratiques.
D'autres gaz de levage potentiels, avec une masse moléculaire similaire à celle du méthane et de l'eau, incluent l'ammoniac et néon. Le néon, étant un gaz rare comme l'hélium, fonctionnerait certainement et serait sûr, mais hélas, il est à la fois moins flottant et plus cher que l'hélium.
L'ammoniac, en revanche, bien que beaucoup moins inflammable que le méthane, est plutôt toxique et corrosif (sans parler vraiment puant, qui, compte tenu de ses autres propriétés, est probablement une bonne chose). Je ne pense pas que je voudrais voler dans un ballon d’ammoniac, mais apparemment, certaines personnes le font! Il semble que son principal avantage (en plus d'être beaucoup moins cher que l'hélium) est sa pression de vapeur relativement faible, ce qui le rend plus facile à stocker et à manipuler sous forme compressée.
Ainsi, au moins pour certaines applications de niche (principalement les amateurs et certains ballons météorologiques, AFAICT), l'ammoniac pourrait en fait être l'alternative la plus viable à l'hélium (et à l'air chaud) aujourd'hui, le méthane / gaz naturel venant peut-être en deuxième position. Si l'hélium devenait plus rare et plus cher, ces gaz de levage à faible coût (et éventuellement d'autres alternatives, comme la récupération d'hélium ou même les ballons à vapeur) pourraient devenir plus pratiques. Là encore, l'hydrogène aussi - ses problèmes de sécurité, bien que bien connus, ne sont pas insurmontables, surtout pas pour des choses comme les ballons météorologiques sans pilote où les risques sont bien moindres. ⠀⠀⠀⠀⠀⠀