Beryllium

Beryllium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Be und der Ordnungszahl 4. Es ist ein relativ seltenes Element im Universum, das normalerweise als Produkt der Spallation größerer Atomkerne auftritt, die mit der kosmischen Strahlung zusammengestoßen sind. Im Inneren der Sternkerne wird Beryllium beim Verschmelzen zu schwereren Elementen verarmt. Es ist ein zweiwertiges Element, das in der Natur nur in Kombination mit anderen Elementen in Mineralien vorkommt. Zu den bemerkenswerten Edelsteinen, die Beryllium enthalten, gehören Beryll (Aquamarin, Smaragd) und Chrysoberyll. Als freies Element ist es ein stahlgraues, festes, leichtes und sprödes Erdalkalimetall.

In strukturellen Anwendungen macht die Kombination aus hoher Biegesteifigkeit, thermischer Stabilität, Wärmeleitfähigkeit und geringer Dichte (1,85 Mal so hoch wie die von Wasser) Beryllium-Metall zu einem begehrten Werkstoff für Flugzeugkomponenten, Raketen, Raumfahrzeuge und Satelliten. Aufgrund seiner geringen Dichte und Atommasse ist Beryllium relativ transparent für Röntgenstrahlen und andere Formen ionisierender Strahlung; daher ist es das am häufigsten verwendete Fenstermaterial für Röntgengeräte und Komponenten von Teilchendetektoren. Die hohen Wärmeleitfähigkeiten von Beryllium und Berylliumoxid haben zu ihrer Verwendung in Wärmemanagement-Anwendungen geführt. Wenn Kupfer (insbesondere die Legierung Beryllium-Kupfer), Eisen oder Nickel-Beryllium als Legierungselement zu Aluminium hinzugefügt wird, verbessert es viele physikalische Eigenschaften. Werkzeuge aus Beryllium-Kupfer-Legierungen sind stark und hart und erzeugen keine Funken, wenn sie auf eine Stahloberfläche treffen. Beryllium bildet keine Oxide, bis es sehr hohe Temperaturen erreicht.

Die kommerzielle Nutzung von Beryllium erfordert die Verwendung geeigneter Staubkontrollgeräte und industrieller Kontrollen zu jeder Zeit, da die Toxizität von eingeatmeten berylliumhaltigen Stäuben bei einigen Menschen eine chronische lebensbedrohliche allergische Krankheit, Berylliose genannt, auslösen kann.

Geschichte

Das berylliumhaltige Mineral Beryll wird mindestens seit der ptolemäischen Dynastie Ägyptens verwendet. Im ersten Jahrhundert n. Chr. erwähnte der römische Naturforscher Plinius der Ältere in seiner Enzyklopädie Naturgeschichte, dass Beryll und Smaragd (“Smaragd”) ähnlich sind. Der Papyrus Graecus Holmiensis, der im dritten oder vierten Jahrhundert n. Chr. geschrieben wurde, enthält Hinweise zur Herstellung von künstlichem Smaragd und Beryll.

Frühe Analysen von Smaragden und Beryllen von Martin Heinrich Klaproth, Torbern Olof Bergman, Franz Karl Achard und Johann Jakob Bindheim ergaben immer ähnliche Elemente, was zu dem trügerischen Schluss führt, dass beide Substanzen Aluminiumsilikate sind. Der Mineraloge René Just Haüy entdeckte, dass beide Kristalle geometrisch identisch sind, und bat den Chemiker Louis-Nicolas Vauquelin um eine chemische Analyse.

In einer 1798 vor dem Institut de France gelesenen Arbeit berichtete Vauquelin, dass er eine neue “Erde” fand, indem er Aluminiumhydroxid aus Smaragd und Beryll in einem zusätzlichen Alkali löste. Die Herausgeber der Zeitschrift Annales de Chimie et de Physique nannten die neue Erde “Glucin” wegen des süßen Geschmacks einiger ihrer Verbindungen. Klaproth bevorzugte den Namen “Beryllina”, da Yttrium auch süße Salze bildete. Der Name “Beryllium” wurde erstmals 1828 von Wöhler verwendet.

Friedrich Wöhler und Antoine Bussy isolierten 1828 unabhängig voneinander Beryllium durch die chemische Reaktion von metallischem Kalium mit Berylliumchlorid, wie folgt:

BeCl2 + 2 K → 2 KCl + Be

Mit einer Alkohollampe erhitzte Wöhler in einem drahtgebundenen Platintiegel abwechselnd Berylliumchlorid- und Kaliumschichten. Die obige Reaktion fand sofort statt und bewirkte, dass der Tiegel weißglühend heiß wurde. Beim Abkühlen und Waschen des entstandenen grau-schwarzen Pulvers sah er, dass es aus feinen Partikeln mit einem dunklen Metallglanz bestand. Das hochreaktive Kalium war durch die Elektrolyse seiner Verbindungen hergestellt worden, ein Prozess, der 21 Jahre zuvor entdeckt worden war. Die chemische Methode mit Kalium ergab nur kleine Berylliumkörner, aus denen kein Metallbarren gegossen oder gehämmert werden konnte.

Die direkte Elektrolyse einer geschmolzenen Mischung aus Berylliumfluorid und Natriumfluorid durch Paul Lebeau im Jahr 1898 ergab die ersten reinen (99,5 bis 99,8%) Berylliumproben. Die industrielle Produktion begann jedoch erst nach dem Ersten Weltkrieg. Die ursprüngliche industrielle Beteiligung umfasste Tochtergesellschaften und Wissenschaftler, die mit der Union Carbide and Carbon Corporation in Cleveland OH und der Siemens & Halske AG in Berlin verbunden waren. In den USA wurde das Verfahren von Hugh S. Cooper, dem Direktor von The Kemet Laboratories Company, geleitet. In Deutschland wurde das erste kommerziell erfolgreiche Verfahren zur Herstellung von Beryllium 1921 von Alfred Stock und Hans Goldschmidt entwickelt.

Eine Berylliumprobe wurde 1932 in einem Experiment von James Chadwick, das die Existenz des Neutrons aufdeckte, mit Alphastrahlen aus dem Zerfall des Radiums bombardiert. Dieselbe Methode wird in einer Klasse von Laborneutronenquellen auf Radioisotopenbasis verwendet, die 30 Neutronen pro Million α Teilchen erzeugen.

Die Berylliumproduktion stieg während des Zweiten Weltkrieges aufgrund der steigenden Nachfrage nach harten Beryllium-Kupfer-Legierungen und Leuchtstoffen für Leuchtstofflampen rapide an. Die meisten frühen Leuchtstofflampen verwendeten Zinkorthosilikat mit unterschiedlichem Berylliumgehalt, um grünliches Licht zu emittieren. Kleine Zusätze von Magnesiumwolframat verbesserten den blauen Teil des Spektrums, um ein akzeptables weißes Licht zu erzeugen. Phosphor auf Halophosphatbasis ersetzte Phosphor auf Berylliumbasis, nachdem sich Beryllium als giftig erwiesen hatte.

Die Elektrolyse einer Mischung aus Berylliumfluorid und Natriumfluorid wurde im 19. Jahrhundert zur Isolierung von Beryllium verwendet. Aufgrund des hohen Schmelzpunkts des Metalls ist dieses Verfahren energieaufwendiger als entsprechende Verfahren, die für die Alkalimetalle verwendet werden. Anfang des 20. Jahrhunderts wurde die Herstellung von Beryllium durch thermische Zersetzung von Berylliumjodid untersucht, nachdem ein ähnliches Verfahren zur Herstellung von Zirkonium erfolgreich war, sich aber für die Massenproduktion als unwirtschaftlich erwies.

Reines Beryllium-Metall war erst 1957 leicht verfügbar, obwohl es schon viel früher als Legierungsmetall zum Härten und Zementieren von Kupfer verwendet worden war. Beryllium konnte durch Reduktion von Berylliumverbindungen wie Berylliumchlorid mit metallischem Kalium oder Natrium hergestellt werden. Gegenwärtig wird der größte Teil des Berylliums durch Reduktion von Berylliumfluorid mit Magnesium hergestellt. Der Preis auf dem amerikanischen Markt für vakuumgegossene Berylliumblöcke lag 2001 bei etwa 338 Dollar pro Pfund (745 Dollar pro Kilogramm).

Zwischen 1998 und 2008 war die Weltproduktion von Beryllium von 343 auf etwa 200 Tonnen gesunken. Bis 2018 stieg sie dann auf 230 Tonnen, wovon 170 Tonnen aus den Vereinigten Staaten kamen.

Etymologie

Frühe Vorläufer des Wortes Beryllium lassen sich in vielen Sprachen nachweisen, darunter lateinisch beryllus; französisch béry; altgriechisch βήρυλλος, bērullos, ‘beryl’; Prakrit वॆरुलिय (veruliya); Pāli वेलिय (veḷuriya), भेलिरु (veḷiru) oder भिलर् (viḷar) - “blass werden”, in Anlehnung an den blassen Halbedelstein Beryll. Die ursprüngliche Quelle ist wahrscheinlich das Sanskrit-Wort वैडूर्य (vaidurya), das südindischen Ursprungs ist und mit dem Namen der modernen Stadt Belur in Verbindung gebracht werden könnte. Bis ca. 1900 war Beryllium auch als Glucinum oder Glucinium (mit dem begleitenden chemischen Symbol “Gl” oder “G”) bekannt, wobei der Name vom altgriechischen Wort für süß abstammt: γλυκύς, aufgrund des süßen Geschmacks der Berylliumsalze.

Natürliches Vorkommen

Die Sonne hat eine Konzentration von 0,1 parts per billion (ppb) Beryllium. Beryllium hat eine Konzentration von 2 bis 6 parts per million (ppm) in der Erdkruste. Am stärksten konzentriert es sich in den Böden, nämlich 6 ppm. Spuren von 9Be werden in der Erdatmosphäre gefunden. Die Konzentration von Beryllium im Meerwasser beträgt 0,2-0,6 Teile pro Billion. In Fließgewässern ist Beryllium mit einer Konzentration von 0,1 ppb jedoch häufiger vorhanden.

Beryllium kommt in über 100 Mineralien vor, aber die meisten sind selten bis selten. Zu den häufigeren berylliumhaltigen Mineralien gehören: Bertrandit (Be4Si2O7(OH)2), Beryl (Al2Be3Si6O18), Chrysoberyl (Al2BeO4) und Phenakit (Be2SiO4). Kostbare Formen des Beryls sind Aquamarin, Roter Beryll und Smaragd. Die grüne Farbe in den Edelsteinformen des Berylls kommt von unterschiedlichen Mengen an Chrom (ca. 2% bei Smaragd).

Die beiden wichtigsten Erze des Berylliums, Beryll und Bertrandit, kommen in Argentinien, Brasilien, Indien, Madagaskar, Russland und den Vereinigten Staaten vor. Die weltweiten Gesamtreserven an Berylliumerz betragen mehr als 400.000 Tonnen.

Produktion

Die Extraktion von Beryllium aus seinen Verbindungen ist aufgrund seiner hohen Affinität zu Sauerstoff bei erhöhten Temperaturen und seiner Fähigkeit, Wasser zu reduzieren, wenn seine Oxidschicht entfernt wird, ein schwieriger Prozess. Gegenwärtig sind die Vereinigten Staaten, China und Kasachstan die einzigen drei Länder, die an der industriellen Gewinnung von Beryllium beteiligt sind. Kasachstan produziert Be aus einem Konzentrat, das vor dem Zerfall der Sowjetunion um 1991 gelagert wurde. Diese Ressource ist bis Mitte der 2010er Jahre fast erschöpft.

Die Produktion von Beryllium in Russland wurde 1997 eingestellt und soll in den 2020er Jahren wieder aufgenommen werden.

Beryllium wird am häufigsten aus dem Mineral Beryll gewonnen, das entweder mit Hilfe eines Extraktionsmittels gesintert oder zu einem löslichen Gemisch geschmolzen wird. Beim Sinterprozess wird Beryllium mit Natriumfluorsilikat und Soda bei 770 °C (1.420 °F) gemischt, um Natriumfluoroberyllat, Aluminiumoxid und Siliziumdioxid zu bilden. Berylliumhydroxid wird aus einer Lösung von Natriumfluoroberyllat und Natriumhydroxid in Wasser ausgefällt. Bei der Extraktion von Beryllium mit der Schmelzmethode wird Beryllium zu einem Pulver vermahlen und auf 1.650 °C (3.000 °F) erhitzt. Die Schmelze wird schnell mit Wasser abgekühlt und dann in konzentrierter Schwefelsäure auf 250 bis 300 °C (482 bis 572 °F) wieder erhitzt, wobei meist Berylliumsulfat und Aluminiumsulfat entstehen. Wässriges Ammoniak wird dann verwendet, um das Aluminium und den Schwefel zu entfernen, wobei Berylliumhydroxid zurückbleibt.

Berylliumhydroxid, das entweder durch die Sinter- oder Schmelzmethode erzeugt wurde, wird dann in Berylliumfluorid oder Berylliumchlorid umgewandelt. Zur Bildung des Fluorids wird Berylliumhydroxid mit wässrigem Ammoniumhydrogenfluorid versetzt, um einen Niederschlag aus Ammoniumtetrafluoroberyllat zu erhalten, der auf 1.000 °C (1.830 °F) erhitzt wird, um Berylliumfluorid zu bilden. Die Erwärmung des Fluorids auf 900 °C (1.650 °F) mit Magnesium bildet fein verteiltes Beryllium, und durch zusätzliche Erwärmung auf 1.300 °C (2.370 °F) entsteht das kompakte Metall. Durch Erhitzen von Berylliumhydroxid wird das Oxid gebildet, das in Verbindung mit Kohlenstoff und Chlor zu Berylliumchlorid wird. Durch Elektrolyse von geschmolzenem Berylliumchlorid wird dann das Metall gewonnen.

Wirtschaftliche Nutzung

Strahlungsfenster

Wegen seiner niedrigen Atomzahl und der sehr geringen Absorption für Röntgenstrahlen ist die älteste und immer noch eine der wichtigsten Anwendungen von Beryllium in Strahlungsfenstern für Röntgenröhren. Um Artefakte in den Röntgenbildern zu vermeiden, werden extreme Anforderungen an die Reinheit und Sauberkeit des Berylliums gestellt. Dünne Berylliumfolien werden als Strahlungsfenster für Röntgendetektoren verwendet, und die extrem niedrige Absorption minimiert die Erwärmungseffekte, die durch die für Synchrotronstrahlung typische Röntgenstrahlung hoher Intensität und niedriger Energie verursacht werden. Vakuumdichte Fenster und Strahlrohre für Strahlungsexperimente an Synchrotrons werden ausschließlich aus Beryllium hergestellt. In wissenschaftlichen Aufbauten für verschiedene Röntgenemissionsstudien (z.B. energiedispersive Röntgenspektroskopie) wird der Probenhalter normalerweise aus Beryllium hergestellt, da die von ihm emittierte Röntgenstrahlung viel geringere Energien (≈100 eV) hat als die Röntgenstrahlung der meisten untersuchten Materialien.

Eine niedrige Atomzahl macht Beryllium auch relativ transparent für energiereiche Teilchen. Daher wird es in der Teilchenphysik zum Aufbau des Strahlrohrs um die Kollisionsregion herum verwendet, wie z.B. bei allen vier Hauptdetektorexperimenten am Large Hadron Collider (ALICE, ATLAS, CMS, LHCb), dem Tevatron und dem SLAC. Die geringe Dichte von Beryllium ermöglicht es, dass Kollisionsprodukte die umgebenden Detektoren ohne signifikante Wechselwirkung erreichen, seine Steifigkeit erlaubt es, ein starkes Vakuum innerhalb der Leitung zu erzeugen, um die Wechselwirkung mit Gasen zu minimieren, seine thermische Stabilität erlaubt es, dass es bei Temperaturen von nur wenigen Grad über dem absoluten Nullpunkt korrekt funktioniert, und seine diamagnetische Natur verhindert, dass es mit den komplexen Multipol-Magnetsystemen interferiert, die zur Steuerung und Fokussierung der Teilchenstrahlen verwendet werden.

Mechanische Anwendungen

Aufgrund seiner Steifigkeit, seines geringen Gewichts und seiner Dimensionsstabilität über einen weiten Temperaturbereich wird Beryllium-Metall für leichte Strukturkomponenten in der Verteidigungs- und Raumfahrtindustrie in Hochgeschwindigkeitsflugzeugen, Lenkflugkörpern, Raumfahrzeugen und Satelliten, einschließlich des James Webb-Teleskops, verwendet. Mehrere Flüssigbrennstoffraketen haben Raketendüsen aus reinem Beryllium verwendet. Berylliumpulver wurde selbst als Raketentreibstoff untersucht, aber diese Verwendung hat sich nie verwirklicht. Eine kleine Anzahl extrem hochwertiger Fahrradrahmen wurde mit Beryllium gebaut. Von 1998 bis 2000 verwendete das McLaren-Formel-1-Team Mercedes-Benz-Motoren mit Kolben aus Beryllium-Aluminium-Legierung. Die Verwendung von Beryllium-Motorkomponenten wurde nach einem Protest der Scuderia Ferrari verboten.

Durch das Einmischen von etwa 2,0% Beryllium in Kupfer entsteht eine Legierung namens Beryllium-Kupfer, die sechsmal stärker ist als Kupfer allein. Berylliumlegierungen werden aufgrund ihrer Kombination aus Elastizität, hoher elektrischer Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit, hoher Festigkeit und Härte, nichtmagnetischen Eigenschaften sowie guter Korrosions- und Ermüdungsbeständigkeit in vielen Anwendungen eingesetzt. Zu diesen Anwendungen gehören funkenfreie Werkzeuge, die in der Nähe von brennbaren Gasen (Beryllium-Nickel), in Federn und Membranen (Beryllium-Nickel und Beryllium-Eisen), die in chirurgischen Instrumenten und Hochtemperaturgeräten verwendet werden, eingesetzt werden. Schon 50 ppm Beryllium, das mit flüssigem Magnesium legiert ist, führt zu einer signifikanten Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit und einer Verringerung der Entflammbarkeit.

Die hohe elastische Steifigkeit von Beryllium hat zu seiner umfangreichen Verwendung in Präzisionsinstrumenten geführt, z.B. in Trägheitsführungssystemen und in den Stützmechanismen für optische Systeme. Beryllium-Kupfer-Legierungen wurden auch als Aushärtemittel in “Jason-Pistolen” verwendet, die zum Abstreifen der Farbe von Schiffsrümpfen eingesetzt wurden.

Beryllium wurde auch für Ausleger in den Taststiften von Hochleistungs-Phonographen-Kassetten verwendet, wo die extreme Steifigkeit und die geringe Dichte es ermöglichten, die Nachführgewichte auf 1 Gramm zu reduzieren und dennoch hochfrequente Passagen mit minimaler Verzerrung zu verfolgen.

Eine frühere Hauptanwendung von Beryllium war die Verwendung in Bremsen für Militärflugzeuge aufgrund seiner Härte, seines hohen Schmelzpunkts und seiner außergewöhnlichen Fähigkeit zur Wärmeableitung. Aus Gründen des Umweltschutzes wurde es durch andere Materialien ersetzt.

Um die Kosten zu senken, kann Beryllium mit beträchtlichen Mengen an Aluminium legiert werden, woraus die Legierung AlBeMet (ein Handelsname) entsteht. Diese Mischung ist billiger als reines Beryllium, wobei viele wünschenswerte Eigenschaften erhalten bleiben.

Spiegel

Berylliumspiegel sind von besonderem Interesse. Großflächige Spiegel, häufig mit einer wabenförmigen Trägerstruktur, werden z.B. in meteorologischen Satelliten eingesetzt, bei denen geringes Gewicht und langfristige Dimensionsstabilität entscheidend sind. Kleinere Berylliumspiegel werden in optischen Leitsystemen und in Feuerleitsystemen eingesetzt, z.B. in den Kampfpanzern Leopard 1 und Leopard 2 aus deutscher Produktion. In diesen Systemen ist eine sehr schnelle Bewegung des Spiegels erforderlich, was wiederum eine geringe Masse und hohe Steifigkeit erfordert. Üblicherweise wird der Berylliumspiegel mit einer chemischen Hartnickelschicht überzogen, die sich leichter auf eine feinere optische Oberfläche polieren lässt als Beryllium. Bei einigen Anwendungen wird der Beryllium-Rohling jedoch ohne jegliche Beschichtung poliert. Dies gilt insbesondere für den Tieftemperaturbetrieb, bei dem eine Fehlanpassung der thermischen Ausdehnung zu einem Knicken der Beschichtung führen kann.

Das James Webb-Weltraumteleskop wird 18 sechseckige Berylliumabschnitte für seine Spiegel haben. Da JWST einer Temperatur von 33 K ausgesetzt sein wird, besteht der Spiegel aus vergoldetem Beryllium, das extreme Kälte besser als Glas verträgt. Beryllium zieht sich bei solchen Temperaturen weniger zusammen und verformt sich weniger als Glas - und bleibt dabei gleichmäßiger. Aus dem gleichen Grund besteht die Optik des Weltraumteleskops Spitzer vollständig aus Beryllium-Metall.

Magnetische Anwendungen

Beryllium ist nicht magnetisch. Daher werden Werkzeuge, die aus Materialien auf Berylliumbasis hergestellt werden, von Marine- oder militärischen Kampfmittelbeseitigungsteams für Arbeiten an oder in der Nähe von Marineminen verwendet, da diese Minen in der Regel über Magnetzünder verfügen. Sie sind auch in Wartungs- und Baumaterialien in der Nähe von Magnetresonanztomographen (MRI) zu finden, da diese Minen gewöhnlich Magnetzünder haben. In den Bereichen der Funkkommunikation und der leistungsstarken (meist militärischen) Radargeräte werden Handgeräte aus Beryllium verwendet, um die hochmagnetischen Klystrons, Magnetrons, Wanderfeldröhren usw. abzustimmen, die zur Erzeugung hoher Mikrowellenleistungen in den Sendern verwendet werden.

Nukleare Anwendungen

Dünne Platten oder Folien aus Beryllium werden manchmal bei der Konstruktion von Kernwaffen als die äußerste Schicht der Plutoniumgruben in den Primärstadien von Thermonuklearbomben verwendet, die das spaltbare Material umgeben. Diese Berylliumschichten sind gute “Drücker” für die Implosion des Plutonium-239, und sie sind gute Neutronenreflektoren, genau wie in berylliummoderierten Kernreaktoren.

Beryllium wird auch häufig in einigen Neutronenquellen in Laborgeräten verwendet, in denen relativ wenige Neutronen benötigt werden (anstatt einen Kernreaktor oder einen mit einem Teilchenbeschleuniger betriebenen Neutronengenerator zu verwenden). Zu diesem Zweck wird ein Ziel aus Beryllium-9 mit energiereichen Alpha-Teilchen aus einem Radioisotop wie Polonium-210, Radium-226, Plutonium-238 oder Americium-241 beschossen. In der dabei stattfindenden Kernreaktion wird ein Berylliumkern in Kohlenstoff-12 umgewandelt und ein freies Neutron ausgesandt, das sich etwa in die gleiche Richtung bewegt, in die das Alphateilchen unterwegs war. Solche durch den Alphazerfall angetriebenen Beryllium-Neutronenquellen, die “Seeigel”-Neutroneninitiatoren genannt werden, wurden in einigen frühen Atombomben verwendet. Neutronenquellen, in denen Beryllium mit Gammastrahlen aus einem Gammastrahlungs-Radioisotop bombardiert wird, werden auch zur Erzeugung von Laborneutronen verwendet.

Beryllium wird auch bei der Brennstoffherstellung für CANDU-Reaktoren verwendet. Die Brennelemente haben kleine Anhängsel, die im Induktionslötverfahren mit Be als Lötzusatzwerkstoff widerstandsgelötet werden. Die Lagerkissen werden angelötet, um den Kontakt zwischen Brennstoffbündel und Druckrohr zu verhindern, und die Zwischenelement-Abstandskissen werden angelötet, um den Kontakt zwischen den Elementen zu verhindern.

Beryllium wird auch im Joint European Torus-Kernfusionsforschungslabor verwendet, und es wird im fortgeschritteneren ITER zur Konditionierung der dem Plasma zugewandten Komponenten eingesetzt. Beryllium wurde auch als Hüllmaterial für Kernbrennstäbe vorgeschlagen, da es eine gute Kombination aus mechanischen, chemischen und nuklearen Eigenschaften aufweist. Berylliumfluorid ist eines der Bestandteile des eutektischen Salzgemisches FLiBe, das als Lösungsmittel, Moderator und Kühlmittel in vielen hypothetischen Salzschmelzreaktor-Konstruktionen, einschließlich des Flüssigfluorid-Thorium-Reaktors (LFTR), verwendet wird.

Akustik

Das geringe Gewicht und die hohe Steifigkeit von Beryllium machen es als Material für Hochtonlautsprechertreiber nützlich. Da Beryllium teuer ist (um ein Vielfaches teurer als Titan), aufgrund seiner Sprödigkeit schwer zu formen und bei unsachgemäßer Handhabung giftig ist, sind Beryllium-Hochtöner auf hochwertige Heim-, Pro-Audio- und Beschallungsanwendungen beschränkt. Einige High-Fidelity-Produkte wurden in betrügerischer Absicht als aus diesem Material hergestellt dargestellt.

Einige High-End-Phonographen-Kassetten verwendeten Beryllium-Kragarme, um die Nachführung durch Reduzierung der Masse zu verbessern.

Elektronisch

Beryllium ist ein p-Dotierungsmittel in III-V-Verbindungshalbleitern. Es wird häufig in Materialien wie GaAs, AlGaAs, InGaAs und InAlAs verwendet, die durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) gewachsen sind. Kreuzgewalztes Berylliumblech ist ein hervorragender struktureller Träger für Leiterplatten in der Oberflächenmontagetechnik. In kritischen elektronischen Anwendungen ist Beryllium sowohl ein struktureller Träger als auch eine Wärmesenke. Die Anwendung erfordert auch einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der gut auf die Aluminiumoxid- und Polyimid-Glas-Substrate abgestimmt ist. Die Beryllium-Berylliumoxid-Verbundwerkstoffe “E-Materialien” wurden speziell für diese elektronischen Anwendungen entwickelt und haben den zusätzlichen Vorteil, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient auf verschiedene Substratmaterialien zugeschnitten werden kann.

Berylliumoxid ist für viele Anwendungen nützlich, die die kombinierten Eigenschaften eines elektrischen Isolators und eines ausgezeichneten Wärmeleiters mit hoher Festigkeit und Härte und einem sehr hohen Schmelzpunkt erfordern. Berylliumoxid wird häufig als Isolatorgrundplatte in Hochleistungstransistoren in Hochfrequenzsendern für die Telekommunikation verwendet. Berylliumoxid wird auch für die Verwendung zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit von Uraniumdioxid-Kernbrennstoffpellets untersucht. Berylliumverbindungen wurden in Leuchtstoffröhren verwendet, aber diese Verwendung wurde wegen der Krankheit Berylliose, die bei den Arbeitern, die die Röhren herstellten, auftrat, eingestellt.

Gesundheitspflege

Beryllium ist ein Bestandteil mehrerer Dentallegierungen.

Sicherheit

Beryllium ist ein Gesundheits- und Sicherheitsproblem für Arbeitnehmer. Die Exposition gegenüber Beryllium am Arbeitsplatz kann zu einer sensibilisierenden Immunantwort führen und im Laufe der Zeit eine chronische Berylliumkrankheit (CBD) entwickeln. Das National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) in den Vereinigten Staaten erforscht diese Auswirkungen in Zusammenarbeit mit einem großen Hersteller von Berylliumprodukten. Ziel dieser Forschung ist es, Sensibilisierung und CBD zu verhindern, indem ein besseres Verständnis der Arbeitsprozesse und der Expositionen entwickelt wird, die ein potenzielles Risiko für die Arbeitnehmer darstellen können, und wirksame Interventionen zu entwickeln, die das Risiko für gesundheitsschädigende Auswirkungen verringern. Unabhängig von dieser Zusammenarbeit führt NIOSH auch genetische Forschung zu Sensibilisierung und CBD durch. Das NIOSH-Handbuch der analytischen Methoden enthält Methoden zur Messung der beruflichen Exposition gegenüber Beryllium.

Im durchschnittlichen menschlichen Körper werden etwa 35 Mikrogramm Beryllium gefunden, eine Menge, die nicht als schädlich angesehen wird. Beryllium ist chemisch ähnlich wie Magnesium und kann es daher von Enzymen verdrängen, was zu deren Fehlfunktion führt. Da Be2+ ein hochgeladenes und kleines Ion ist, kann es leicht in viele Gewebe und Zellen gelangen, wo es spezifisch auf Zellkerne abzielt und viele Enzyme hemmt, darunter auch solche, die zur Synthese von DNA verwendet werden. Seine Toxizität wird noch dadurch verstärkt, dass der Körper keine Möglichkeit hat, den Berylliumspiegel zu kontrollieren, und wenn es einmal im Körper ist, kann das Beryllium nicht mehr entfernt werden. Chronische Berylliose ist eine pulmonale und systemische granulomatöse Erkrankung, die durch das Einatmen von mit Beryllium verunreinigtem Staub oder Rauch verursacht wird; entweder große Mengen über kurze Zeit oder kleine Mengen über lange Zeit können zu dieser Erkrankung führen. Die Entwicklung der Krankheitssymptome kann bis zu fünf Jahre dauern; etwa ein Drittel der Patienten mit dieser Krankheit stirbt, und die Überlebenden bleiben behindert. Die Internationale Agentur für Krebsforschung (IARC) listet Beryllium und Berylliumverbindungen als Karzinogene der Kategorie 1 auf. In den USA hat die Occupational Safety and Health Administration (OSHA) einen zulässigen Expositionsgrenzwert (PEL) am Arbeitsplatz mit einem zeitgewichteten Durchschnitt (TWA) von 2 µg/m3 und einem konstanten Expositionsgrenzwert von 5 µg/m3 über 30 Minuten mit einem maximalen Spitzenwert von 25 µg/m3 festgelegt. Das National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) hat einen empfohlenen Expositionsgrenzwert (REL) von konstant 500 ng/m3 festgelegt. Der IDLH-Wert (unmittelbar lebens- und gesundheitsgefährdend) liegt bei 4 mg/m3.

Die Toxizität von fein verteiltem Beryllium (Staub oder Pulver, hauptsächlich in industriellen Umgebungen, in denen Beryllium hergestellt oder bearbeitet wird) ist sehr gut dokumentiert. Festes Beryllium-Metall birgt nicht die gleichen Gefahren wie in der Luft eingeatmeter Staub, aber jede Gefahr, die mit physischem Kontakt verbunden ist, ist schlecht dokumentiert. Arbeitern, die fertige Berylliumstücke handhaben, wird routinemäßig empfohlen, diese mit Handschuhen zu handhaben, sowohl als Vorsichtsmaßnahme als auch weil viele, wenn nicht die meisten Anwendungen von Beryllium Rückstände von Hautkontakt wie Fingerabdrücke nicht vertragen.

Eine akute Berylliumkrankheit in Form einer chemischen Pneumonitis wurde erstmals 1933 in Europa und 1943 in den Vereinigten Staaten gemeldet. Eine Untersuchung ergab, dass etwa 5% der Arbeiter in den Werken, die 1949 in den Vereinigten Staaten Leuchtstofflampen herstellten, an berylliumbedingten Lungenkrankheiten litten. Die chronische Berylliose ähnelt in vielerlei Hinsicht der Sarkoidose, und die Differentialdiagnose ist oft schwierig. Sie tötete einige frühe Mitarbeiter im Bereich der Entwicklung von Atomwaffen, wie z.B. Herbert L. Anderson.

Beryllium kann in Kohlenschlacke gefunden werden. Wenn die Schlacke zu einem Strahlmittel zum Abstrahlen von Farbe und Rost von harten Oberflächen formuliert wird, kann das Beryllium in die Luft gelangen und zu einer Expositionsquelle werden.

Frühe Forscher probierten Beryllium und seine verschiedenen Verbindungen auf Süße, um seine Anwesenheit zu überprüfen. Moderne Diagnosegeräte machen dieses hochriskante Verfahren nicht mehr erforderlich, und es sollte nicht versucht werden, diese hochgiftige Substanz zu verschlucken. Beryllium und seine Verbindungen sollten mit großer Vorsicht behandelt werden, und es müssen besondere Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, wenn eine Tätigkeit ausgeführt wird, die zur Freisetzung von Berylliumstaub führen könnte (Lungenkrebs ist eine mögliche Folge einer längeren Exposition gegenüber berylliumhaltigem Staub). Obwohl die Verwendung von Berylliumverbindungen in Leuchtstoffröhren 1949 eingestellt wurde, gibt es in der Nuklear- und Raumfahrtindustrie, bei der Raffination von Berylliummetall und dem Schmelzen berylliumhaltiger Legierungen, bei der Herstellung elektronischer Geräte und bei der Handhabung anderer berylliumhaltiger Materialien ein Expositionspotential für Beryllium.

Ein erfolgreicher Test für Beryllium in der Luft und auf Oberflächen wurde kürzlich entwickelt und als internationale freiwillige Konsensnorm ASTM D7202 veröffentlicht. Das Verfahren verwendet verdünntes Ammoniumbifluorid für die Auflösung und Fluoreszenzdetektion mit Beryllium, das an sulfoniertes Hydroxybenzochinolin gebunden ist, und ermöglicht einen bis zu 100 Mal empfindlicheren Nachweis als der empfohlene Grenzwert für die Berylliumkonzentration am Arbeitsplatz. Die Fluoreszenz nimmt mit steigender Berylliumkonzentration zu. Das neue Verfahren wurde erfolgreich auf einer Vielzahl von Oberflächen getestet und ist wirksam für die Auflösung und den Ultraspurennachweis von feuerfestem Berylliumoxid und silikatischem Beryllium (ASTM D7458).