Helium

Helium (aus dem Griechischen: ἥλιος, romanisiert: Helios, lit. ‘Sonne’) ist ein chemisches Element mit dem Symbol He und der Ordnungszahl 2. Es ist ein farbloses, geruchloses, geschmackloses, ungiftiges, inertes, einatomiges Gas, das erste in der Gruppe der Edelgase im Periodensystem. Sein Siedepunkt ist der niedrigste unter allen Elementen. Helium ist das zweitleichteste und zweithäufigste Element im beobachtbaren Universum (Wasserstoff ist das leichteste und am häufigsten vorkommende). Es kommt mit etwa 24% der gesamten Elementmasse vor, was mehr als das 12-fache der Masse aller schwereren Elemente zusammen beträgt. Seine Häufigkeit ist sowohl bei der Sonne als auch beim Jupiter ähnlich hoch. Dies ist auf die sehr hohe nukleare Bindungsenergie (pro Nukleon) von Helium-4 in Bezug auf die drei nächsten Elemente nach Helium zurückzuführen. Diese Helium-4-Bindungsenergie erklärt auch, warum es sowohl ein Produkt der Kernfusion als auch des radioaktiven Zerfalls ist. Der größte Teil des Heliums im Universum ist Helium-4, das zum größten Teil während des Urknalls entstanden ist. Große Mengen neuen Heliums entstehen durch die Kernfusion von Wasserstoff in Sternen.

Helium ist nach dem griechischen Titan der Sonne, Helios, benannt. Es wurde erstmals als unbekannte, gelbe Spektralliniensignatur im Sonnenlicht während einer Sonnenfinsternis 1868 von Georges Rayet, Captain C. T. Haig, Norman R. Pogson und Leutnant John Herschel entdeckt und anschließend vom französischen Astronomen Jules Janssen bestätigt. Janssen wird oft gemeinsam mit Norman Lockyer die Entdeckung des Elements zugeschrieben. Janssen nahm die Helium-Spektrallinie während der Sonnenfinsternis von 1868 auf, während Lockyer sie von Großbritannien aus beobachtete. Lockyer war der erste, der vorschlug, dass die Linie auf ein neues Element zurückzuführen sei, das er nannte. Die formale Entdeckung des Elements wurde 1895 von zwei schwedischen Chemikern, Per Teodor Cleve und Nils Abraham Langlet, gemacht, die Helium aus dem Uranerz Cleveit fanden, das heute nicht als eine separate Mineralart, sondern als eine Uraninit-Variante angesehen wird. 1903 wurden in Teilen der Vereinigten Staaten, die heute der bei weitem größte Lieferant des Gases sind, große Heliumreserven in Erdgasfeldern gefunden.

Flüssiges Helium wird in der Kryogenik verwendet (die größte Einzelverwendung, die etwa ein Viertel der Produktion absorbiert), insbesondere bei der Kühlung von supraleitenden Magneten, wobei die wichtigste kommerzielle Anwendung in MRI-Scannern liegt. Die anderen industriellen Anwendungen von Helium - als Druck- und Spülgas, als Schutzatmosphäre beim Lichtbogenschweißen und in Prozessen wie der Kristallzüchtung zur Herstellung von Silizium-Wafern - machen die Hälfte des erzeugten Gases aus. Eine bekannte, aber weniger wichtige Verwendung ist der Einsatz als Traggas in Ballons und Luftschiffen. Wie bei jedem Gas, dessen Dichte sich von der der Luft unterscheidet, verändert das Einatmen eines kleinen Volumens Helium vorübergehend die Klangfarbe und die Qualität der menschlichen Stimme. In der wissenschaftlichen Forschung ist das Verhalten der beiden flüssigen Phasen von Helium-4 (Helium I und Helium II) wichtig für Forscher, die die Quantenmechanik (insbesondere die Eigenschaft der Suprafluidität) studieren, und für diejenigen, die sich mit den Phänomenen wie der Supraleitung befassen, die in Materie nahe dem absoluten Nullpunkt erzeugt werden.

Auf der Erde ist es relativ selten - 5,2 Volumen-ppm in der Atmosphäre. Das meiste heute vorhandene terrestrische Helium entsteht durch den natürlichen radioaktiven Zerfall schwerer radioaktiver Elemente (Thorium und Uran, obwohl es auch andere Beispiele gibt), da die von solchen Zerfällen ausgesandten Alphateilchen aus Helium-4-Kernen bestehen. Dieses radiogene Helium wird mit Erdgas in Konzentrationen von bis zu 7 Volumenprozent aufgefangen und aus diesem durch ein Niedertemperatur-Trennverfahren, die so genannte fraktionierte Destillation, kommerziell gewonnen. Früher wurde das terrestrische Helium - eine nicht erneuerbare Ressource, da es nach seiner Freisetzung in die Atmosphäre leicht in den Weltraum entweicht - als immer knapper werdend angesehen. Jüngste Studien deuten jedoch darauf hin, dass sich Helium, das tief in der Erde durch radioaktiven Zerfall produziert wird, in Erdgasreserven in größeren Mengen als erwartet sammeln kann, da es in einigen Fällen durch vulkanische Aktivität freigesetzt wurde.

Geschichte

Der erste Nachweis von Helium wurde am 18. August 1868 als hellgelbe Linie mit einer Wellenlänge von 587,49 Nanometern im Spektrum der Chromosphäre der Sonne beobachtet. Die Linie wurde vom französischen Astronomen Jules Janssen während einer totalen Sonnenfinsternis in Guntur, Indien, entdeckt. Diese Linie wurde ursprünglich als Natrium angenommen. Am 20. Oktober desselben Jahres beobachtete der englische Astronom Norman Lockyer eine gelbe Linie im Sonnenspektrum, die er D3 nannte, weil sie in der Nähe der bekannten Fraunhofer-Linien D1 und D2 des Natriums lag. Er kam zu dem Schluss, dass sie durch ein auf der Erde unbekanntes Element in der Sonne verursacht wurde. Lockyer und der englische Chemiker Edward Frankland benannten das Element mit dem griechischen Wort für die Sonne, ἥλιος (helios).

1881 entdeckte der italienische Physiker Luigi Palmieri zum ersten Mal Helium auf der Erde durch seine Spektrallinie D3, als er ein Material analysierte, das während eines kürzlichen Ausbruchs des Vesuvs sublimiert worden war.

Am 26. März 1895 isolierte der schottische Chemiker Sir William Ramsay Helium auf der Erde, indem er das Mineral Cleveit (eine Uraninitsorte mit mindestens 10% Seltenerdelementen) mit Mineralsäuren behandelte. Ramsay suchte nach Argon, aber nach der Trennung von Stickstoff und Sauerstoff aus dem durch Schwefelsäure freigesetzten Gas bemerkte er eine hellgelbe Linie, die mit der im Spektrum der Sonne beobachteten D3-Linie übereinstimmte. Diese Proben wurden von Lockyer und dem britischen Physiker William Crookes als Helium identifiziert. Es wurde im selben Jahr von den Chemikern Per Teodor Cleve und Abraham Langlet in Uppsala, Schweden, unabhängig von Cleveit isoliert, die genug von dem Gas sammelten, um sein Atomgewicht genau zu bestimmen. Auch der amerikanische Geochemiker William Francis Hillebrand isolierte Helium vor der Entdeckung von Ramsay, als er bei der Untersuchung einer Probe des Minerals Uraninit ungewöhnliche Spektrallinien bemerkte. Hillebrand schrieb die Linien jedoch dem Stickstoff zu. Sein Glückwunschschreiben an Ramsay bietet einen interessanten Fall von Entdeckung und Beinahe-Entdeckung in der Wissenschaft.

Im Jahr 1907 zeigten Ernest Rutherford und Thomas Royds, dass Alphateilchen Heliumkerne sind, indem sie die Teilchen durch die dünne Glaswand einer evakuierten Röhre dringen ließen und dann in der Röhre eine Entladung erzeugten, um das Spektrum des neuen Gases im Inneren zu untersuchen. 1908 wurde Helium erstmals von der niederländischen Physikerin Heike Kamerlingh Onnes verflüssigt, indem das Gas auf weniger als fünf Kelvin abgekühlt wurde. Er versuchte, es zu verfestigen, indem er die Temperatur weiter absenkte, was jedoch scheiterte, da Helium bei Atmosphärendruck nicht erstarrt. Onnes’ Schüler Willem Hendrik Keesom konnte schließlich 1926 durch zusätzlichen äußeren Druck 1 cm3 Helium verfestigen.

1913 veröffentlichte Niels Bohr seine “Trilogie” über die atomare Struktur, die eine erneute Betrachtung der Pickering-Fowler-Reihe als zentralen Beweis für sein Modell des Atoms enthielt. Diese Serie ist nach Edward Charles Pickering benannt, der 1896 Beobachtungen von bis dahin unbekannten Linien im Spektrum des Sterns ζ Puppis veröffentlichte (diese sind heute bei Wolf-Rayet und anderen heißen Sternen bekannt). Pickering führte die Beobachtung (Linien bei 4551, 5411 und 10123 Å) auf eine neue Form von Wasserstoff mit halbzahligen Übergangswerten zurück. Im Jahr 1912 gelang es Alfred Fowler, ähnliche Linien aus einer Wasserstoff-Helium-Mischung zu erzeugen, und unterstützte Pickering in seiner Schlussfolgerung bezüglich ihres Ursprungs. Bohrs Modell lässt keine halbzahligen Übergänge zu (und auch nicht die Quantenmechanik), und Bohr schloss, dass Pickering und Fowler falsch lagen, und wies diese Spektrallinien stattdessen ionisiertem Helium, He+, zu. Fowler war anfangs skeptisch, war aber schließlich davon überzeugt, dass Bohr Recht hatte, und 1915 “hatten die Spektroskopiker definitiv auf Helium übertragen”. Bohrs theoretische Arbeit an der Pickering-Reihe hatte die Notwendigkeit einer “erneuten Untersuchung von Problemen gezeigt, die innerhalb der klassischen Theorien bereits gelöst schienen” und lieferte eine wichtige Bestätigung für seine Atomtheorie.

1938 entdeckte der russische Physiker Pjotr Leonidowitsch Kapitsa, dass Helium-4 bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt fast keine Viskosität hat, ein Phänomen, das heute als Superfluidität bezeichnet wird. Dieses Phänomen steht in Zusammenhang mit der Bose-Einstein-Kondensation. Dasselbe Phänomen wurde 1972 von den amerikanischen Physikern Douglas D. Osheroff, David M. Lee und Robert C. Richardson bei Helium-3 beobachtet, allerdings bei Temperaturen, die viel näher am absoluten Nullpunkt liegen. Man nimmt an, dass das Phänomen in Helium-3 mit der Paarung von Helium-3-Fermionen zur Bildung von Bosonen zusammenhängt, in Analogie zu den Cooper-Elektronenpaaren, die Supraleitung erzeugen.

Extraktion und Verwendung

Nach einer Ölbohrung 1903 in Dexter, Kansas, die einen Gasgeysir produzierte, der nicht brennen würde, sammelte der Geologe Erasmus Haworth aus Kansas Proben des austretenden Gases und brachte sie zurück an die Universität von Kansas in Lawrence, wo er mit Hilfe der Chemiker Hamilton Cady und David McFarland entdeckte, dass das Gas zu 72% aus Stickstoff, 15% aus Methan (ein brennbarer Prozentsatz nur bei ausreichendem Sauerstoff), 1% aus Wasserstoff und 12% aus einem nicht identifizierbaren Gas bestand. Bei weiteren Analysen stellten Cady und McFarland fest, dass 1,84% der Gasprobe Helium war. Dies zeigte, dass Helium trotz seiner allgemeinen Seltenheit auf der Erde in großen Mengen unter der amerikanischen Great Plains konzentriert war und als Nebenprodukt des Erdgases zur Förderung zur Verfügung stand.

Dies ermöglichte es den Vereinigten Staaten, zum weltweit führenden Heliumlieferanten zu werden. Auf Anregung von Sir Richard Threlfall sponserte die US-Marine während des Ersten Weltkriegs drei kleine experimentelle Heliumanlagen. Ziel war es, Sperrballone mit dem nicht brennbaren Gas, das leichter als Luft ist, zu versorgen. Insgesamt wurden im Rahmen des Programms 5.700 m3 (200.000 cu ft) 92% Helium produziert, obwohl zuvor weniger als ein Kubikmeter des Gases gewonnen worden war. Ein Teil dieses Gases wurde im ersten mit Helium gefüllten Luftschiff der Welt, dem Luftschiff C-7 der US-Marine, verwendet, das seine Jungfernfahrt von Hampton Roads, Virginia, nach Bolling Field in Washington, D.C., am 1. Dezember 1921 machte, fast zwei Jahre bevor das erste starre, mit Helium gefüllte Luftschiff der Marine, die von der USS Shenandoah gebaute Naval Aircraft Factory, im September 1923 flog.

Obwohl der Extraktionsprozess durch Tieftemperatur-Gasverflüssigung während des Ersten Weltkriegs nicht rechtzeitig so weit entwickelt wurde, dass er von Bedeutung war, wurde die Produktion fortgesetzt. Helium wurde hauptsächlich als Traggas in Flugzeugen verwendet, die leichter als Luft waren. Während des Zweiten Weltkriegs stieg die Nachfrage nach Helium für Hebezeuge und für das Schutzgasschweißen. Das Helium-Massenspektrometer war auch für das Atombombenprojekt Manhattan von entscheidender Bedeutung.

Die Regierung der Vereinigten Staaten richtete 1925 in Amarillo, Texas, die Nationale Heliumreserve ein, mit dem Ziel, Militärluftschiffe in Kriegszeiten und kommerzielle Luftschiffe in Friedenszeiten zu versorgen. Aufgrund des Heliumgesetzes von 1925, das den Export des knappen Heliums, auf das die USA damals ein Produktionsmonopol hatten, verbot, sowie der unerschwinglichen Kosten des Gases, war die Hindenburg, wie alle deutschen Zeppeline, gezwungen, Wasserstoff als Auftriebsgas zu verwenden. Der Heliummarkt nach dem Zweiten Weltkrieg war rückläufig, aber die Reserven wurden in den 1950er Jahren ausgeweitet, um die Versorgung mit flüssigem Helium als Kühlmittel zur Herstellung von Sauerstoff/Wasserstoff-Raketentreibstoff (unter anderem) während des Weltraumlaufs und des Kalten Krieges sicherzustellen. Der Heliumverbrauch in den Vereinigten Staaten betrug 1965 mehr als das Achtfache des Spitzenverbrauchs in der Kriegszeit.

Nach den “Helium Acts Amendments of 1960” (Public Law 86-777) veranlasste das U.S. Bureau of Mines fünf private Anlagen zur Gewinnung von Helium aus Erdgas. Für dieses Heliumerhaltungsprogramm baute das Büro eine 684 km (425 Meilen) lange Pipeline von Bushton, Kansas, um diese Anlagen mit dem teilweise erschöpften Cliffside-Gasfeld der Regierung in der Nähe von Amarillo, Texas, zu verbinden. Dieses Helium-Stickstoff-Gemisch wurde injiziert und im Cliffside-Gasfeld gelagert, bis es benötigt wurde, und dann weiter gereinigt.

Bis 1995 wurden eine Milliarde Kubikmeter des Gases gesammelt, und die Reserve war mit 1,4 Milliarden US-Dollar verschuldet, was den Kongress der Vereinigten Staaten 1996 veranlasste, die Reserve auslaufen zu lassen. Das daraus resultierende Helium-Privatisierungsgesetz von 1996 (öffentliches Gesetz 104-273) wies das Innenministerium der Vereinigten Staaten an, die Reserve zu leeren, wobei der Verkauf bis 2005 beginnen sollte.

Das zwischen 1930 und 1945 produzierte Helium war zu 98,3% rein (2% Stickstoff), was für Luftschiffe ausreichend war. Im Jahr 1945 wurde eine geringe Menge von 99,9% Helium für die Verwendung in der Schweißtechnik hergestellt. Bis 1949 waren kommerzielle Mengen von Helium der Güteklasse A 99,95% verfügbar.

Viele Jahre lang produzierten die Vereinigten Staaten mehr als 90% des kommerziell nutzbaren Heliums in der Welt, während Extraktionsanlagen in Kanada, Polen, Russland und anderen Ländern den Rest produzierten. Mitte der 1990er Jahre nahm eine neue Anlage in Arzew, Algerien, mit einer Produktion von 17 Millionen Kubikmetern (600 Millionen Kubikfuß) den Betrieb auf, mit der der gesamte europäische Bedarf gedeckt werden konnte. Inzwischen ist der Heliumverbrauch in den USA bis zum Jahr 2000 auf über 15 Millionen kg pro Jahr angestiegen. In den Jahren 2004-2006 wurden zusätzliche Anlagen in Ras Laffan, Katar, und Skikda, Algerien, gebaut. Algerien wurde schnell zum zweitgrößten Heliumproduzenten. In dieser Zeit stiegen sowohl der Heliumverbrauch als auch die Kosten für die Heliumproduktion. Von 2002 bis 2007 verdoppelten sich die Heliumpreise.

Ab 2012 machte die nationale Heliumreserve der Vereinigten Staaten 30 Prozent des weltweiten Heliums aus. Es wurde erwartet, dass die Reserve im Jahr 2018 erschöpft sein würde. Trotzdem würde ein Gesetzentwurf im Senat der Vereinigten Staaten es ermöglichen, das Gas weiterhin aus der Reserve zu verkaufen. Weitere große Reserven befanden sich im Hugoton in Kansas, Vereinigte Staaten, und in den nahe gelegenen Gasfeldern von Kansas und den Pfannenstielen von Texas und Oklahoma. Neue Heliumanlagen sollten 2012 in Katar, Russland, und im US-Bundesstaat Wyoming eröffnet werden, aber es wurde nicht erwartet, dass sie die Knappheit lindern würden.

Im Jahr 2013 nahm Katar die größte Heliumanlage der Welt in Betrieb, obwohl die diplomatische Krise Katars im Jahr 2017 die dortige Heliumproduktion stark beeinträchtigt hat. Das Jahr 2014 wurde allgemein als ein Jahr des Überangebots im Heliumgeschäft anerkannt, nachdem es jahrelang zu den bekannten Engpässen gekommen war. Die Nasdaq berichtete (2015), dass für Air Products, einen internationalen Konzern, der Gase für den industriellen Gebrauch verkauft, die Heliummengen aufgrund von Engpässen in der Rohstoffversorgung weiterhin unter wirtschaftlichem Druck stehen.

Natürliches Vorkommen

Obwohl es auf der Erde selten ist, ist Helium mit 23% der baryonischen Masse das zweithäufigste Element im bekannten Universum. Nur Wasserstoff ist häufiger vorhanden. Der größte Teil des Heliums wurde durch die Nukleosynthese ein bis drei Minuten nach dem Urknall gebildet. Daher tragen Messungen seiner Häufigkeit zu kosmologischen Modellen bei. In Sternen entsteht es durch die Kernfusion von Wasserstoff in Proton-Proton-Kettenreaktionen und den CNO-Zyklus, der Teil der stellaren Nukleosynthese ist.

In der Erdatmosphäre beträgt die Konzentration von Helium nur 5,2 Volumenteile pro Million. Die Konzentration ist trotz der kontinuierlichen Produktion von neuem Helium gering und ziemlich konstant, da der größte Teil des Heliums in der Erdatmosphäre durch verschiedene Prozesse in den Weltraum entweicht. In der Heterosphäre der Erde, einem Teil der oberen Atmosphäre, sind Helium und andere leichtere Gase die am häufigsten vorkommenden Elemente.

Der größte Teil des Heliums auf der Erde ist ein Ergebnis des radioaktiven Zerfalls. Helium kommt in großen Mengen in Mineralien von Uran und Thorium vor, darunter Uraninit und seine Varianten Cleveit und Pechblende, Carnotit und Monazit (ein Gruppenname; “Monazit” bezieht sich gewöhnlich auf Monazit (Ce)), weil sie Alphateilchen (Heliumkerne, He2+) aussenden, an die sich Elektronen sofort verbinden, sobald das Teilchen durch das Gestein gestoppt wird. Auf diese Weise werden in der gesamten Lithosphäre jährlich schätzungsweise 3000 Tonnen Helium erzeugt. In der Erdkruste beträgt die Konzentration von Helium 8 Teile pro Milliarde. Im Meerwasser beträgt die Konzentration nur 4 Teile pro Billion. Es gibt auch geringe Mengen in Mineralquellen, vulkanischem Gas und Meteoreisen. Da Helium im Untergrund unter Bedingungen eingefangen wird, die auch Erdgas einschließen, sind die größten natürlichen Heliumkonzentrationen auf dem Planeten im Erdgas zu finden, aus dem das meiste kommerzielle Helium gewonnen wird. Die Konzentration variiert in einem breiten Bereich von einigen ppm bis zu mehr als 7% in einem kleinen Gasfeld im San Juan County, New Mexico.

Produktion

Die Heliumreserven der Welt werden für 2011 auf 40 Milliarden Kubikmeter geschätzt, wobei ein Viertel davon im Gas-Kondensatfeld South Pars / North Dome liegt, das sich im gemeinsamen Besitz von Katar und Iran befindet. In den Jahren 2015 und 2016 wurden zusätzliche wahrscheinliche Reserven unter den Rocky Mountains in Nordamerika und im ostafrikanischen Graben angekündigt.

Ab 2011 werden die Heliumreserven der Welt auf 40 Milliarden Kubikmeter geschätzt, wobei ein Viertel davon im Gas-Kondensatfeld South Pars / North Dome liegt, das sich im gemeinsamen Besitz von Katar und dem Iran befindet. In den Jahren 2015 und 2016 wurden zusätzliche wahrscheinliche Reserven unter den Rocky Mountains in Nordamerika und im ostafrikanischen Graben angekündigt.

Für den großtechnischen Einsatz wird Helium durch fraktionierte Destillation aus Erdgas gewonnen, das bis zu 7% Helium enthalten kann. Da Helium einen niedrigeren Siedepunkt als jedes andere Element hat, werden niedrige Temperaturen und hoher Druck zur Verflüssigung fast aller anderen Gase (hauptsächlich Stickstoff und Methan) verwendet. Das entstehende rohe Heliumgas wird durch sukzessive Aussetzung an niedrigere Temperaturen gereinigt, wobei fast der gesamte verbleibende Stickstoff und die anderen Gase aus dem Gasgemisch ausgefällt werden. Als letzter Reinigungsschritt wird Aktivkohle verwendet, die in der Regel zu 99,995% reinem Helium der Güteklasse A führt. Die wichtigste Verunreinigung in Helium der Güteklasse A ist Neon. In einem letzten Produktionsschritt wird der größte Teil des erzeugten Heliums durch einen kryogenen Prozess verflüssigt. Dies ist für Anwendungen erforderlich, die flüssiges Helium erfordern, und ermöglicht es den Heliumlieferanten auch, die Kosten für den Ferntransport zu senken, da die größten Behälter für flüssiges Helium mehr als das Fünffache des Fassungsvermögens der größten Rohranhänger für gasförmiges Helium haben.

Im Jahr 2008 wurden etwa 169 Millionen Normkubikmeter (SCM) Helium aus Erdgas gewonnen oder aus Heliumreserven entnommen, wobei etwa 78% aus den Vereinigten Staaten, 10% aus Algerien und der Großteil des Rests aus Russland, Polen und Katar stammten. Bis 2013 hatte die Steigerung der Heliumproduktion in Katar (unter der von Air Liquide geführten Firma RasGas) den Anteil Katars an der weltweiten Heliumproduktion auf 25% erhöht und es zum zweitgrößten Exporteur nach den Vereinigten Staaten gemacht. Im Jahr 2016 wurden in Tansania schätzungsweise 54 Milliarden Kubikfuß (1,5×109 m3) Heliumvorkommen gefunden.

In den Vereinigten Staaten wird das meiste Helium aus dem Erdgas aus dem Hugoton- und den nahegelegenen Gasfeldern in Kansas, Oklahoma, und dem Panhandle-Feld in Texas gewonnen. Ein Großteil dieses Gases wurde einst per Pipeline in die nationale Heliumreserve geleitet, aber seit 2005 wird diese Reserve erschöpft und verkauft und dürfte bis 2021 gemäß dem Gesetz über die verantwortungsvolle Verwaltung und Verwaltung von Helium vom Oktober 2013 (H.R. 527) weitgehend erschöpft sein.

Die Diffusion von Roh-Erdgas durch spezielle semipermeable Membranen und andere Barrieren ist eine weitere Methode zur Gewinnung und Reinigung von Helium. Im Jahr 1996 hatten die USA in solchen Gasbohrlochkomplexen Heliumreserven von etwa 147 Milliarden Normkubikfuß (4,2 Milliarden SCM) nachgewiesen. Bei den damaligen Nutzungsraten (72 Millionen SCM pro Jahr in den USA; siehe Tortendiagramm unten) wäre dies genug Helium für etwa 58 Jahre US-Nutzung gewesen, und bei den weltweiten Nutzungsraten weniger (vielleicht 80 % der Zeit), obwohl sich Faktoren bei der Einsparung und Verarbeitung auf die effektiven Reservenzahlen auswirken.

Helium muss aus Erdgas gewonnen werden, weil es in der Luft nur zu einem Bruchteil von Neon vorhanden ist, aber die Nachfrage nach Helium ist viel höher. Es wird geschätzt, dass, wenn die gesamte Neonproduktion umgerüstet würde, um Helium einzusparen, 0,1% des weltweiten Heliumbedarfs gedeckt werden könnten. Ebenso könnte nur 1% des weltweiten Heliumbedarfs durch die Umrüstung aller Luftdestillationsanlagen gedeckt werden. Helium kann durch den Beschuss von Lithium oder Bor mit Hochgeschwindigkeitsprotonen oder durch den Beschuss von Lithium mit Deuteronen synthetisiert werden, aber diese Verfahren sind eine völlig unwirtschaftliche Produktionsmethode.

Helium ist im Handel entweder in flüssiger oder gasförmiger Form erhältlich. Als Flüssigkeit kann es in kleinen isolierten Behältern, den so genannten Dewars, geliefert werden, die bis zu 1.000 Liter Helium enthalten, oder in großen ISO-Behältern mit einem Nennvolumen von bis zu 42 m3 (etwa 11.000 US-Gallonen). In gasförmiger Form werden kleine Mengen Helium in Hochdruckzylindern mit einem Fassungsvermögen von bis zu 8 m3 (ca. 282 Normkubikfuß) geliefert, während große Mengen Hochdruckgas in Rohranhängern mit einem Fassungsvermögen von bis zu 4.860 m3 (ca. 172.000 Normkubikfuß) geliefert werden.

Nach Angaben von Heliumschützern wie dem Nobelpreisträger für Physik Robert Coleman Richardson, der 2010 schrieb, hat der freie Marktpreis von Helium zu einer “verschwenderischen” Nutzung (z.B. für Heliumballons) beigetragen. Die Preise in den 2000er Jahren waren durch die Entscheidung des US-Kongresses, die großen Heliumvorräte des Landes bis 2015 zu verkaufen, gesenkt worden. Laut Richardson musste der Preis mit 20 multipliziert werden, um die übermäßige Verschwendung von Helium zu beseitigen. In ihrem Buch The Future of Helium as a natural resource (Routledge, 2012) schlugen Nuttall, Clarke & Glowacki (2012) auch vor, eine Internationale Helium-Agentur (IHA) zu gründen, um einen nachhaltigen Markt für dieses kostbare Gut aufzubauen.

Wirtschaftliche Nutzung

Obwohl Ballons die vielleicht bekannteste Verwendung von Helium sind, machen sie nur einen geringen Teil des Heliumverbrauchs aus. Helium wird für viele Zwecke verwendet, die einige seiner einzigartigen Eigenschaften erfordern, wie z.B. seinen niedrigen Siedepunkt, seine geringe Dichte, seine geringe Löslichkeit, seine hohe Wärmeleitfähigkeit oder seine Trägheit. Von der weltweiten Helium-Gesamtproduktion von ca. 32 Millionen kg (180 Millionen Normkubikmeter) Helium pro Jahr im Jahr 2014 wird der größte Teil (ca. 32% der Gesamtproduktion im Jahr 2014) in kryogenen Anwendungen verwendet, wobei die meisten davon die Kühlung der supraleitenden Magnete in medizinischen MRI-Scannern und NMR-Spektrometern betreffen. Weitere wichtige Anwendungen waren Druck- und Spülsysteme, Schweißen, die Aufrechterhaltung von kontrollierten Atmosphären und die Lecksuche. Andere Verwendungen nach Kategorien waren relativ geringe Fraktionen.

Kontrollierte Atmosphären

Helium wird als Schutzgas bei der Züchtung von Silizium- und Germaniumkristallen, bei der Titan- und Zirkoniumproduktion und in der Gaschromatographie verwendet, da es inert ist. Wegen seiner Trägheit, seiner thermisch und kalorisch perfekten Beschaffenheit, seiner hohen Schallgeschwindigkeit und seines hohen Wärmekapazitätsverhältnisses ist es auch in Überschallwindkanälen und Impulsanlagen nützlich.

Wolfram-Lichtbogenschweißen

Helium wird als Schutzgas bei Lichtbogenschweißprozessen an Materialien verwendet, die bei Schweißtemperaturen durch Luft oder Stickstoff verunreinigt und geschwächt werden. Beim Wolfram-Lichtbogenschweißen wird eine Reihe von inerten Schutzgasen verwendet, aber Helium wird anstelle des billigeren Argons vor allem bei Schweißmaterialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit wie Aluminium oder Kupfer eingesetzt.

Andere Anwendungen

Industrielle Leckerkennung

Eine industrielle Anwendung für Helium ist die Lecksuche. Da Helium durch Feststoffe dreimal schneller als Luft diffundiert, wird es als Tracergas zur Lecksuche in Hochvakuumanlagen (wie z.B. Tieftemperaturtanks) und Hochdruckbehältern verwendet. Das Prüfobjekt wird in eine Kammer gebracht, die dann evakuiert und mit Helium gefüllt wird. Das durch die Lecks austretende Helium wird mit einem empfindlichen Gerät (Helium-Massenspektrometer) selbst bei Leckraten von nur 10-9 mbar-L/s (10-10 Pa-m3/s) nachgewiesen. Der Messvorgang ist normalerweise automatisch und wird als Helium-Integraltest bezeichnet. Ein einfacheres Verfahren ist die Befüllung des Prüfobjekts mit Helium und die manuelle Suche nach Lecks mit einem Handgerät.

Helium, das durch Risse austritt, sollte nicht mit der Gaspermeation durch ein Schüttgut verwechselt werden. Während Helium dokumentierte Permeationskonstanten (also eine berechenbare Permeationsrate) durch Gläser, Keramiken und synthetische Materialien hat, werden inerte Gase wie Helium die meisten Schüttgutmetalle nicht durchdringen.

Flug

Da es leichter als Luft ist, werden Luftschiffe und Ballons zum Auftrieb mit Helium aufgeblasen. Während Wasserstoffgas mehr Auftrieb hat und mit geringerer Geschwindigkeit durch eine Membran entweicht, hat Helium den Vorteil, dass es nicht brennbar und sogar feuerhemmend ist. Eine weitere geringfügige Verwendung findet sich in der Raketentechnik, wo Helium als Auslaufmedium verwendet wird, um Treibstoff und Oxidationsmittel in Speichertanks zu verdrängen und Wasserstoff und Sauerstoff zur Herstellung von Raketentreibstoff zu kondensieren. Es wird auch verwendet, um Treibstoff und Oxidationsmittel vor dem Start aus der Bodenausrüstung zu entfernen und flüssigen Wasserstoff in Raumfahrzeugen vorzukühlen. Die im Apollo-Programm eingesetzte Saturn-V-Rakete beispielsweise benötigte zum Start etwa 370.000 m3 (13 Millionen Kubikfuß) Helium.

Kleinere kommerzielle und Freizeitanwendungen

Helium als Atemgas hat keine narkotisierenden Eigenschaften, daher werden Heliumgemische wie Trimix, Heliox und Heliair beim Tieftauchen verwendet, um die Auswirkungen der Narkose, die sich mit zunehmender Tiefe verschlimmern, zu verringern. Da der Druck mit zunehmender Tiefe zunimmt, nimmt auch die Dichte des Atemgases zu, und es hat sich herausgestellt, dass das niedrige Molekulargewicht von Helium die Anstrengung des Atmens durch die Verringerung der Dichte der Mischung erheblich verringert. Dadurch wird die Reynoldszahl der Strömung reduziert, was zu einer Verringerung der turbulenten Strömung und einer Erhöhung der laminaren Strömung führt, die weniger Atemarbeit erfordert. In Tiefen unter 150 Metern (490 ft) beginnen Taucher, die Helium-Sauerstoff-Gemische einatmen, Tremor und eine Abnahme der psychomotorischen Funktion zu erfahren, Symptome des Hochdruck-Nervensyndroms. Diesem Effekt kann bis zu einem gewissen Grad entgegengewirkt werden, indem man einer Helium-Sauerstoff-Mischung eine Menge Narkosegas wie Wasserstoff oder Stickstoff zusetzt.

Helium-Neon-Laser, eine Art Gaslaser mit niedriger Leistung, der einen roten Strahl erzeugt, hatten verschiedene praktische Anwendungen, darunter Strichcodeleser und Laserpointer, bevor sie fast überall durch billigere Diodenlaser ersetzt wurden.

Wegen seiner Trägheit und hohen Wärmeleitfähigkeit, der Neutronentransparenz und weil es unter Reaktorbedingungen keine radioaktiven Isotope bildet, wird Helium in einigen gasgekühlten Kernreaktoren als Wärmeübertragungsmedium verwendet.

Helium, gemischt mit einem schwereren Gas wie Xenon, ist aufgrund des daraus resultierenden hohen Wärmekapazitätsverhältnisses und der niedrigen Prandtl-Zahl für die thermoakustische Kühlung nützlich. Die Inertheit von Helium hat Umweltvorteile gegenüber konventionellen Kühlsystemen, die zum Ozonabbau oder zur globalen Erwärmung beitragen.

Helium wird auch in einigen Festplattenlaufwerken verwendet.

Wissenschaftliche Anwendungen

Die Verwendung von Helium reduziert die verzerrenden Auswirkungen von Temperaturschwankungen im Zwischenraum zwischen den Linsen einiger Teleskope aufgrund seines extrem niedrigen Brechungsindexes. Diese Methode wird insbesondere bei Sonnenteleskopen verwendet, bei denen ein vakuumdichtes Teleskoprohr zu schwer wäre.

Helium ist ein häufig verwendetes Trägergas für die Gaschromatographie.

Das Alter von Gesteinen und Mineralien, die Uran und Thorium enthalten, kann durch die Messung des Heliumgehalts mit einem als Heliumdatierung bezeichneten Verfahren abgeschätzt werden.

Helium bei niedrigen Temperaturen wird in der Kryogenik und in bestimmten kryogenischen Anwendungen verwendet. Als Beispiele für Anwendungen wird flüssiges Helium verwendet, um bestimmte Metalle auf die für die Supraleitung erforderlichen extrem niedrigen Temperaturen zu kühlen, wie z.B. in supraleitenden Magneten für die Magnetresonanztomographie. Der Large Hadron Collider am CERN verwendet 96 Tonnen flüssiges Helium, um die Temperatur auf 1,9 Kelvin zu halten.

Biologie

Neutrales Helium ist unter Standardbedingungen ungiftig, spielt keine biologische Rolle und wird in Spuren im menschlichen Blut gefunden.

Die Schallgeschwindigkeit in Helium ist fast dreimal so hoch wie die Schallgeschwindigkeit in Luft. Da die Grundfrequenz eines gasgefüllten Hohlraums proportional zur Schallgeschwindigkeit im Gas ist, kommt es beim Einatmen von Helium zu einem entsprechenden Anstieg der Resonanzfrequenzen des Vokaltrakts. Die Grundfrequenz (manchmal auch als Tonhöhe bezeichnet) ändert sich nicht, da diese durch die direkte, unveränderte Schwingung der Stimmlippen erzeugt wird. Die höheren Resonanzfrequenzen bewirken jedoch eine Veränderung der Klangfarbe, was zu einer schilfartigen, enteartigen Stimmqualität führt. Der gegenteilige Effekt, die Senkung der Resonanzfrequenzen, kann durch Einatmen eines dichten Gases wie Schwefelhexafluorid oder Xenon erreicht werden.

Sicherheit

Das Einatmen von Helium kann im Übermaß gefährlich sein, da Helium ein einfaches Erstickungsmittel ist und so den für die normale Atmung benötigten Sauerstoff verdrängt. Es wurden Todesfälle registriert, darunter ein Jugendlicher, der 2003 in Vancouver erstickte, und zwei Erwachsene, die 2006 in Südflorida erstickten. Im Jahr 1998 wurde ein australisches Mädchen aus Victoria bewusstlos und wurde vorübergehend blau, nachdem sie den gesamten Inhalt eines Partyballons eingeatmet hatte. Das Einatmen von Helium direkt aus Druckzylindern oder sogar aus Ballonfüllventilen ist äußerst gefährlich, da hohe Flussraten und Druck zu einem Barotrauma führen können, bei dem das Lungengewebe tödlich reißt.

Ein durch Helium verursachter Tod ist selten. Der erste in den Medien aufgezeichnete Fall war der eines 15-jährigen Mädchens aus Texas, das 1998 auf der Party eines Freundes an einer Helium-Inhalation starb; die genaue Art des Heliumtodes ist nicht bekannt.

In den Vereinigten Staaten wurden zwischen 2000 und 2004 nur zwei Todesfälle gemeldet, darunter ein Mann, der 2002 in North Carolina an einem Barotrauma starb. Ein Jugendlicher erstickte 2003 in Vancouver, und ein 27-jähriger Mann in Australien hatte im Jahr 2000 eine Embolie, nachdem er aus einem Zylinder geatmet hatte. Seitdem sind zwei Erwachsene 2006 in Südflorida erstickt, und 2009 und 2010 gab es Fälle, in denen ein kalifornischer Jugendlicher mit einem Sack über dem Kopf, der an einem Heliumtank befestigt war, gefunden wurde, und ein weiterer Jugendlicher in Nordirland erstickte. In Eagle Point, Oregon, starb 2012 ein Teenager auf einer Party an einem Barotrauma. Ein Mädchen aus Michigan starb später im Jahr an Sauerstoffmangel.

Am 4. Februar 2015 wurde enthüllt, dass ein 12-jähriges Mitglied (Name zurückgehalten) der japanischen Mädchen-Gesangsgruppe 3B Junior während der Aufzeichnung ihrer Hauptfernsehsendung am 28. Januar an einer Luftembolie litt, das Bewusstsein verlor und in ein Koma fiel, weil Luftblasen den Blutfluss zum Gehirn blockierten, nachdem es im Rahmen eines Spiels riesige Mengen Helium eingeatmet hatte. Der Vorfall wurde erst eine Woche später öffentlich gemacht. Die Mitarbeiter von TV Asahi hielten eine Notfall-Pressekonferenz ab, um mitzuteilen, dass das Mitglied ins Krankenhaus gebracht wurde und Anzeichen von Rehabilitation wie bewegliche Augen und Gliedmaßen zeigt, aber ihr Bewusstsein noch nicht ausreichend erholt ist. Die Polizei hat aufgrund der Vernachlässigung von Sicherheitsmaßnahmen eine Untersuchung eingeleitet.

Am 13. Juli 2017 berichtete CBS News, dass ein politischer Mitarbeiter, der angeblich versuchte, die vom Clinton-Server fehlenden E-Mails wiederherzustellen, Peter W. Smith, “anscheinend” im Mai in einem Hotelzimmer in Rochester, Minnesota, Selbstmord beging und dass sein Tod als “Erstickung aufgrund der Verdrängung von Sauerstoff in einem geschlossenen Raum mit Helium” registriert wurde. Weitere Einzelheiten folgten in der Chicago Tribune.

Die Sicherheitsprobleme für kryogenes Helium sind ähnlich denen von flüssigem Stickstoff; seine extrem niedrigen Temperaturen können zu Kälteverbrennungen führen, und das Flüssigkeits-zu-Gas-Ausdehnungsverhältnis kann Explosionen verursachen, wenn keine Druckentlastungsvorrichtungen installiert sind. Behälter mit Heliumgas bei 5 bis 10 K sollten aufgrund der schnellen und erheblichen thermischen Ausdehnung, die bei der Erwärmung von Heliumgas bei weniger als 10 K auf Raumtemperatur auftritt, so behandelt werden, als ob sie flüssiges Helium enthalten.

Bei hohen Drücken (mehr als etwa 20 atm oder zwei MPa) kann eine Mischung aus Helium und Sauerstoff (Heliox) zu einem Hochdruck-Nervensyndrom führen, eine Art umgekehrter Anästhesie-Effekt; die Zugabe einer kleinen Menge Stickstoff zur Mischung kann das Problem lindern.