안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
헬륨풍선이 뜨는 원리는 물에서 공이 떠오르는 것과 같은 부력이에요.
공기 중에서도 부력이 작용해요. 아르키메데스의 원리에 따르면 어떤 물체가 유체 속에 있을 때 그 물체가 밀어낸 유체의 무게만큼 위로 밀어올리는 힘을 받아요. 헬륨의 밀도는 공기의 약 7분의 1 수준이에요. 풍선이 차지하는 부피만큼의 공기 무게가 풍선 자체의 무게보다 크기 때문에, 그 차이만큼 위로 밀어올리는 힘이 생겨서 풍선이 떠오르는 거예요. 중력을 거스르는 게 아니라 주변 무거운 공기가 풍선 아래로 파고들면서 가벼운 풍선을 밀어올리는 구조예요.
우주까지 갈 수 있느냐는 질문에는 결론부터 말하면 불가능해요. 풍선이 올라갈수록 주변 기압이 낮아지면서 풍선 안의 헬륨이 팽창해요. 보일의 법칙에 따라 외부 압력이 줄면 기체 부피가 늘어나는 거예요. 고도가 높아질수록 풍선이 점점 부풀다가 고무가 한계를 넘으면 터져버려요. 보통 고도 8에서 10킬로미터, 비행기가 다니는 높이 정도에서 대부분 터지는 것으로 알려져 있어요. :)