Brandend verlangen: een risicomodel voor wensballonnen

Door Martijn Engelsman

Er is weinig zo sprookjesachtig als een zwerm traag zwevende wensballonnen. Vooral met de jaarwisseling zijn ze populair. Ook Michiel Schuurman heeft oog voor de romantiek van de wensballon. Maar als universitair docent bij de Structural Integrity and Composites Group en als docent van het vak Forensic Engineering, ziet hij ook risico’s. Schuurman: “Volgens onze metingen komen ze veel hoger dan toegestaan, op hoogtes waar vliegtuigen vliegen. Bovendien is er brandgevaar voor de omgeving.” Samen met collega Derek Gransden doet hij onderzoek om de risico’s te modelleren. Daarna is het aan de overheid om de wetgeving omtrent wensballonnen al dan niet aan te passen.

Niet bij een vliegveld  

Wensballonnen vallen als speelgoed onder de Nederlandse Voedsel en Waren Autoriteit (NVWA). Die heeft zeer beperkt onderzoek gedaan naar de veiligheid, waarbij volgens Schuurman vooral is gelet op risico’s voor de consument en diens directe omgeving. Volgens het advies van de NVWA mogen wensballonnen alleen opgelaten worden bij windkracht twee of minder, en niet binnen een straal van 15 km rond een (zweef)vliegveld. Schuurman: “In de praktijk betekent dit dat het gebruik van de wensballon tot maximaal 20 dagen per jaar en tot ongeveer één-derde van Nederland beperkt is. Maar ja, je bruiloft is nu eenmaal vandaag en ‘hier’.” De brandweer ziet graag een landelijk verbod vanwege brandgevaar voor bos, duin en huizen met rieten daken. Er zijn genoeg voorbeelden van incidenten, maar verkopers schermen ermee te voldoen aan de veiligheidseisen van de NVWA. “Wat deze discussie nodig heeft,” aldus Schuurman, “zijn heldere data omtrent de risico’s van wensballonnen voor de omgeving.” Met zijn collega Derek Gransden ging hij aan de slag.

Warme lucht  

Schuurman: “Ons onderzoek richt zich tot nu toe op het verticale vluchtprofiel van de wensballonnen. Wat is de maximaal haalbare hoogte en hoe lang zweven ze?” Volgens de wet van Archimedes ondervindt de ballon een opwaartse kracht gelijk aan het gewicht van de verplaatste lucht. De verticale versnelling van de ballon volgt dan, na correctie voor de zwaartekracht, uit de tweede wet van Newton: Kracht is massa maal versnelling (F = m×a). Daarnaast ondervindt de ballon tijdens het stijgen ook luchtweerstand. De drie parameters met de grootste invloed zijn vorm en volume van de ballon en het gewicht van de brander. De brander bepaalt hoeveel energie beschikbaar is om de lucht in de ballon te verwarmen. Het volume en de temperatuur van de opgewarmde lucht bepalen de liftkracht. “Ons uiteindelijke model is gebaseerd op formules voor heteluchtballon uit de jaren ’70. We hebben daarbij een paar vereenvoudigingen toegepast zoals de aanname dat de druk en temperatuur binnen de ballon uniform zijn.”

Piepschuimen bolletjes

Schuurman en Gransden voerden experimenten uit met vijf soorten wensballonnen. Eerst bepaalden ze het volume van de wensballonnen. Dat bleek niet eenvoudig omdat de ballonnen zeer kwetsbaar zijn en dus niet met water gevuld kunnen worden. “Vullen met piepschuimen bolletjes uit zitzakken bleek de oplossing.” Ook hebben wensballonnen een zeer geringe liftkracht die daardoor moeilijk te meten is. Schuurman: “We hebben een half jaar geëxperimenteerd voordat een eenvoudige aanpak de meest consistente resultaten bleek op te leveren. Uiteindelijk konden we de liftkracht het beste bepalen door de ballonnen met lichte draad vast te maken aan gewichtjes bovenop een digitale weegschaal. De reproduceerbaarheid van de experimenten bleef uiterst matig door variatie in de productie. Zo leidde het geringe extra gewicht van iets bredere lijmranden al tot een grote verandering in het vluchtprofiel.”

Schuurman en Gransden voerden hun experimenten uit in een brandveilig laboratorium vrij van horizontale luchtstromingen. Een infraroodcamera registreerde de temperatuur in de ballon en met een videocamera werden het moment van ontsteking, lancering en landing vastgelegd. “Landing in onze opstelling komt overeen met het hoogste punt in een buitenvlucht. Ons model berekent dit hoogste punt en simuleert vervolgens ook de benodigde tijd om te dalen.”

Piloten verrast  

Schuurman: “Ons model laat zien dat vrijwel alle ballonnen na tien minuten weer geland zijn. Maar waar de NVWA concludeerde dat de ballonnen slechts bij uitzondering tot 300 meter hoogte kwamen, geeft ons model juist aan dat dit de norm is. ”De maximale hoogte is gemiddeld 500 meter. Dat is een hoogte waarbij kleine vliegtuigen vliegen maar waar ze ook opstijgende en landende grote vliegtuigen in de weg kunnen zitten. “Van veel piloten weet ik dat ze weleens wensballonnen zien. Nu zal één wensballon waarschijnlijk weinig schade aan een vliegtuig veroorzaken, maar een hele zwerm kan tot een schrikreactie bij de piloot leiden op het moment dat alle aandacht juist naar de landing hoort te gaan.”

Brandgevaar

“Onze eerste resultaten geven aan dat de discussie omtrent wensballonen gebaat is bij vervolgonderzoek.” Het liefst willen Schuurman en Gransden hun model in de open lucht valideren. Hierbij denken ze aan het volgen van de wensballon met een drone, waarvoor speciale toestemming nodig is. Daarnaast willen Schuurman en Gransden de horizontaal afgelegde afstand gaan modelleren. Data wat betreft de windsnelheid en windrichting in Nederland hebben ze al. De laatste stap is het modelleren van de risico’s. Ondanks dat de ballonnen geïmpregneerd (moeten) zijn, is brand het belangrijkste risico. “Als ik de ballon op deze plek oplaat,” zegt Schuurman, “wil ik weten waar hij heen kan vliegen, wat voor vegetatie en gebouwen hij tegenkomt en of hij nog kan branden op het moment van landing” Dat laatste is inderdaad mogelijk, laten zijn experimenten en die van de NVWA zien. Deze onderzoeken gebruikten slechts enkele tientallen ballonnen terwijl in 2009 al een paar honderdduizend wensballonen verkocht werden. Sindsdien is de verkoop via (vuurwerk)winkels en onlineshops daar nog bij gekomen.

Wetenschappelijk èn ludiek

Schuurman presenteerde het onderzoek in de zomer van 2017 op de AIAA Balloon Systems Conference in Denver, Colorado. In een zaal gevuld met NASA-medewerkers en andere ballon-onderzoekers lichtten alle ogen op. “Je moet je voorstellen,” aldus Schuurman, “dat deze mensen ballonnen gebruiken voor onderzoek van de aarde en mogelijk andere planeten. Ons onderzoek naar wensballonnen lijkt ludiek, maar het is zeker niet minder wetenschappelijk. Zodra het model af is, kunnen overheden het gebruiken om het bestaande beleid rond wensballonnen te evalueren.”

Lees tips over het oplaten van wensballonnen: 

www.brandweer.nl/brandveiligheid/wensballonnen