Helium

Helium (uit het Grieks: ἥλιος, geromaniseerd: Helios, verlicht. ‘Zon’) is een chemisch element met het symbool Hij en atoomnummer 2. Het is een kleurloos, reukloos, smaakloos, niet giftig, inert, monatomisch gas, het eerste in de edelgasgroep van het periodiek systeem. Het kookpunt is het laagste van alle elementen. Helium is het op één na lichtste en op één na meest voorkomende element in het waarneembare universum (waterstof is het lichtste en meest voorkomende). Het is aanwezig op ongeveer 24% van de totale elementaire massa, wat meer dan 12 keer de massa van alle zwaardere elementen samen is. Zijn overvloed is vergelijkbaar met deze in zowel de Zon als in Jupiter. Dit komt door de zeer hoge nucleaire bindingsenergie (per kern) van helium-4, ten opzichte van de volgende drie elementen na helium. Deze helium-4-bindingsenergie verklaart ook waarom het een product is van zowel kernfusie als radioactief verval. Het meeste helium in het universum is helium-4, waarvan het overgrote deel gevormd werd tijdens de Oerknal. Grote hoeveelheden nieuw helium worden gecreëerd door kernfusie van waterstof in sterren.

Helium wordt genoemd naar de Griekse Titaan van de Zon, Helios. Het werd voor het eerst ontdekt als een onbekende, gele spectraallijn in het zonlicht, tijdens een zonsverduistering in 1868 door Georges Rayet, kapitein C.T. Haig, Norman R. Pogson, en luitenant John Herschel, en werd vervolgens bevestigd door de Franse astronoom Jules Janssen. Janssen wordt vaak samen met Norman Lockyer gecrediteerd voor het opsporen van het element. Janssen nam de heliumspectraallijn op tijdens de zonsverduistering van 1868, terwijl Lockyer het vanuit Groot-Brittannië observeerde. Lockyer was de eerste die voorstelde dat de lijn te wijten was aan een nieuw element, dat hij noemde. De formele ontdekking van het element werd gedaan in 1895 door twee Zweedse chemici, Per Teodor Cleve en Nils Abraham Langlet, die helium vonden dat afkomstig was van het uraniumerts, cleveiet, dat nu niet als een aparte minerale soort wordt beschouwd maar als een variëteit van uraniniet. In 1903 werden grote heliumreserves gevonden in aardgasvelden in delen van de Verenigde Staten, die nu veruit de grootste leverancier van het gas zijn.

Vloeibaar helium wordt gebruikt in de cryogenetica (het grootste eenmalige gebruik, dat ongeveer een kwart van de productie absorbeert), met name bij het koelen van supergeleidende magneten, waarbij de belangrijkste commerciële toepassing in MRI-scanners is. Andere industriële toepassingen van helium, zoals het onder druk zetten en zuiveren van gas, als beschermende atmosfeer voor booglassen en in processen zoals het kweken van kristallen om siliciumwafers te maken, zijn goed voor de helft van het geproduceerde gas. Een bekende maar minder belangrijke toepassing is als hefgas in ballonnen en luchtschepen. Zoals bij elk gas waarvan de dichtheid verschilt van die van lucht, verandert het inademen van een klein volume helium tijdelijk de klankkleur en de kwaliteit van de menselijke stem. In wetenschappelijk onderzoek is het gedrag van de twee vloeibare fasen van helium-4 (helium I en helium II) belangrijk voor onderzoekers die de kwantummechanica bestuderen (in het bijzonder de eigenschap van superfluïditeit) en voor degenen die kijken naar de verschijnselen, zoals supergeleiding, geproduceerd in materie in de buurt van het absolute nulpunt.

Op aarde is het in de atmosfeer relatief zeldzaam, 5,2 ppm in volume. Het meeste aardse helium dat tegenwoordig aanwezig is, wordt gecreëerd door het natuurlijke radioactieve verval van zware radioactieve elementen (thorium en uranium, hoewel er andere voorbeelden zijn), aangezien de alfadeeltjes die door dit verval worden uitgestoten, bestaan uit helium-4-kernen. Dit radiogene helium wordt met aardgas opgevangen in concentraties van maar liefst 7% van het volume, waaruit het commercieel wordt geëxtraheerd door middel van een scheidingsproces bij lage temperatuur, fractionele destillatie genaamd. Vroeger werd gedacht dat er een steeds schaarser wordend aanbod was van terrestrisch helium, een niet-hernieuwbare hulpbron, omdat het, wanneer het eenmaal in de atmosfeer is vrijgekomen, gemakkelijk naar de ruimte ontsnapt. Recente studies suggereren echter dat helium dat door radioactief verval diep in de aarde wordt geproduceerd, zich in grotere hoeveelheden dan verwacht in aardgasreserves kan verzamelen, in sommige gevallen omdat het door vulkanische activiteit is vrijgekomen.

Geschiedenis

Het eerste bewijs van helium werd waargenomen op 18 augustus 1868, als een heldere gele lijn met een golflengte van 587,49 nanometer in het spectrum van de chromosfeer van de Zon. De lijn werd ontdekt door de Franse astronoom Jules Janssen tijdens een totale zonsverduistering in Guntur, India. Deze lijn werd in eerste instantie verondersteld natrium te zijn. Op 20 oktober van hetzelfde jaar nam de Engelse astronoom Norman Lockyer een gele lijn in het zonnespectrum waar, die hij de D3 noemde omdat hij in de buurt van de bekende D1 en D2 Fraunhofer lijn van natrium was. Hij concludeerde dat het werd veroorzaakt door een op aarde onbekend element in de zon. Lockyer en Engelse chemicus Edward Frankland noemde het element met het Griekse woord voor de Zon, ἥλιος (helios).

In 1881 ontdekte de Italiaanse fysicus Luigi Palmieri voor het eerst helium op aarde via de D3-spectraallijn, toen hij een materiaal analyseerde dat gesublimeerd was tijdens een recente uitbarsting van de Vesuvius.

Op 26 maart 1895 heeft de Schotse chemicus Sir William Ramsay helium op aarde geïsoleerd door het mineraal cleveiet (een verscheidenheid aan uraniniet met ten minste 10% zeldzame aarde-elementen) te behandelen met minerale zuren. Ramsay was op zoek naar argon, maar na het scheiden van stikstof en zuurstof van het gas, bevrijd door zwavelzuur, merkte hij een helder gele lijn die overeenkwam met de D3-lijn waargenomen in het spectrum van de Zon. Deze monsters werden geïdentificeerd als helium, door Lockyer, en de Britse fysicus William Crookes. Het werd onafhankelijk geïsoleerd van cleveite, in hetzelfde jaar, door chemici, Per Teodor Cleve en Abraham Langlet, in Uppsala, Zweden, die genoeg van het gas verzameld om nauwkeurig te bepalen zijn atoomgewicht. Helium werd ook geïsoleerd door de Amerikaanse geochemicus William Francis Hillebrand, voorafgaand aan de ontdekking van Ramsay, toen hij ongewone spectrale lijnen opmerkte tijdens het testen van een monster van het mineraal uraniniet. Hillebrand schreef de lijnen echter toe aan stikstof. Zijn felicitatiebrief aan Ramsay biedt een interessant geval van ontdekking, en bijna-ontdekking, in de wetenschap.

In 1907 toonden Ernest Rutherford en Thomas Royds aan dat alfadeeltjes heliumkernen zijn, door de deeltjes te laten doordringen in de dunne, glazen wand van een geëvacueerde buis, en vervolgens een ontlading te creëren in de buis, om het spectrum van het nieuwe gas in de buis te bestuderen. In 1908 werd helium voor het eerst vloeibaar gemaakt door de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes door het gas af te koelen tot minder dan vijf Kelvin. Hij probeerde het te stollen, door de temperatuur verder te verlagen, maar slaagde er niet in, omdat helium niet stolt bij atmosferische druk. Onnes’ leerling Willem Hendrik Keesom slaagde er uiteindelijk in om in 1926 1 cm3 helium te laten stollen door extra uitwendige druk toe te passen.

In 1913 publiceerde Niels Bohr zijn “trilogie” over de atoomstructuur met een heroverweging van de Pickering-Fowler serie als centraal bewijs ter ondersteuning van zijn model van het atoom. Deze serie is vernoemd naar Edward Charles Pickering, die in 1896 waarnemingen publiceerde van voorheen onbekende lijnen in het spectrum van de ster ζ Puppis (deze komen nu voor bij Wolf-Rayet en andere hete sterren). Pickering schreef de waarneming (lijnen op 4551, 5411 en 10123 Å) toe aan een nieuwe vorm van waterstof met halfintegrale overgangsniveaus. In 1912 slaagde Alfred Fowler erin om soortgelijke lijnen te produceren uit een waterstof-heliummengsel, en steunde Pickering’s conclusie over hun oorsprong. Bohr’s model staat geen half-integer overgangen toe (noch kwantummechanica) en Bohr concludeerde dat Pickering en Fowler verkeerd waren, en wees in plaats daarvan deze spectrale lijnen toe aan geïoniseerd helium, He+. Fowler was aanvankelijk sceptisch, maar was er uiteindelijk van overtuigd dat Bohr juist was, en tegen 1915 “hadden de spectroscopisten definitief overgedragen aan helium”. Bohr’s theoretisch werk over de Pickering-serie had de noodzaak aangetoond van “een heronderzoek van problemen die al leek te zijn opgelost binnen de klassieke theorieën” en leverde een belangrijke bevestiging voor zijn atoomtheorie.

In 1938 ontdekte de Russische fysicus Pjotr Leonidovitsj Kapitsa dat helium-4 bijna geen viscositeit heeft bij temperaturen in de buurt van het absolute nulpunt, een fenomeen dat nu superfluïditeit wordt genoemd. Dit fenomeen is gerelateerd aan de Bose-Einstein condensatie. In 1972 werd hetzelfde fenomeen waargenomen in helium-3, maar bij temperaturen veel dichter bij het absolute nulpunt, door de Amerikaanse fysici Douglas D. Osheroff, David M. Lee, en Robert C. Richardson. Het fenomeen in helium-3 wordt verondersteld verband te houden met het koppelen van helium-3 fermionen om bosonen te maken, naar analogie van Cooper-paren van elektronen die supergeleiding produceren.

Extractie en gebruik

Na een olieboring in 1903 in Dexter produceerde Kansas een gasgeiser die niet zou branden. De staatsgeoloog Erasmus Haworth uit Kansas verzamelde monsters van het ontsnappende gas en nam deze mee naar de Universiteit van Kansas in Lawrence, waar hij met behulp van de chemici Hamilton Cady en David McFarland ontdekte dat het gas voor 72% uit stikstof, 15% uit methaan (een brandbaar percentage dat alleen voldoende zuurstof bevat), 1% uit waterstof en 12% uit een niet te identificeren gas bestond. Bij nadere analyse ontdekten Cady en McFarland dat 1,84% van het gasmonster bestaat uit helium. Hieruit bleek dat ondanks de algemene zeldzaamheid op aarde, helium in grote hoeveelheden geconcentreerd was onder de Amerikaanse Great Plains, beschikbaar voor winning als bijproduct van aardgas.

Dit stelde de Verenigde Staten in staat om ‘s werelds grootste leverancier van helium te worden. Naar aanleiding van een suggestie van Sir Richard Threlfall heeft de Amerikaanse marine tijdens de Eerste Wereldoorlog drie kleine experimentele heliumfabrieken gesponsord. Het doel was om spervuurballonnen te voorzien van het niet-ontvlambare, lichter-dan-luchtgas. In het programma werd in totaal 5.700 m3 (200.000 cu ft) aan 92% helium geproduceerd, hoewel er eerder minder dan een kubieke meter van het gas was verkregen. Een deel van dit gas werd gebruikt in ‘s werelds eerste met helium gevulde luchtschip, de U.S. Navy’s C-klasse blimp C-7, die zijn eerste reis vloog van Hampton Roads, Virginia, naar Bolling Field in Washington, D.C., op 1 december 1921, bijna twee jaar voordat het eerste stijve met helium gevulde luchtschip van de marine, de Naval Aircraft Factory-bouwer USS Shenandoah, vloog in september 1923.

Hoewel het extractieproces met behulp van lage-temperatuur gas liquefactie niet op tijd werd ontwikkeld om significant te zijn tijdens de Eerste Wereldoorlog, werd de productie voortgezet. Helium werd voornamelijk gebruikt als hefgas in lichter-dan-lucht-vaartuigen. Tijdens de Tweede Wereldoorlog nam de vraag naar helium voor hefgas en voor afgeschermd booglassen toe. De heliummassaspectrometer was ook van vitaal belang in het atoombomproject in Manhattan.

De regering van de Verenigde Staten richtte in 1925 in Amarillo, Texas, de National Helium Reserve op met als doel het leveren van militaire luchtschepen in oorlogstijd en commerciële luchtschepen in vredestijd. Door de Heliumwet van 1925, die de export van schaars helium verbood waarop de VS toen een productiemonopolie had, samen met de prohibitieve kosten van het gas, werd de Hindenburg, net als alle Duitse Zeppelins, gedwongen om waterstof als liftgas te gebruiken. De heliummarkt na de Tweede Wereldoorlog was depressief, maar de reserve werd in de jaren vijftig van de vorige eeuw uitgebreid om de aanvoer van vloeibaar helium als koelvloeistof te verzekeren en zo zuurstof/waterstof-raketbrandstof te creëren (onder andere voor de ruimtevaart en de Koude Oorlog). Het gebruik van helium in de Verenigde Staten was in 1965 meer dan acht keer zo hoog als het piekverbruik in de oorlogstijd.

Na de “Helium Acts Amendments of 1960” (Public Law 86-777), regelde het Amerikaanse Bureau of Mines vijf particuliere fabrieken om helium terug te winnen uit aardgas. Voor dit heliumbesparingsprogramma bouwde het Bureau een 425 mijl lange (684 km) pijpleiding vanaf Bushton, Kansas, om die installaties te verbinden met het gedeeltelijk uitgeputte Cliffside gasveld van de overheid in de buurt van Amarillo, Texas. Dit helium-stikstofmengsel werd geïnjecteerd en opgeslagen in het Cliffside gasveld tot het nodig was, waarna het verder werd gezuiverd.

In 1995 was een miljard kubieke meter van het gas verzameld en de reserve bedroeg 1,4 miljard dollar aan schuld, wat het Congres van de Verenigde Staten er in 1996 toe aanzette om de reserve geleidelijk af te bouwen. De daaruit voortvloeiende Helium Privatization Act van 1996 (Public Law 104-273) gaf het Amerikaanse Ministerie van Binnenlandse Zaken de opdracht de reserve te legen, met een verkoop vanaf 2005.

Het tussen 1930 en 1945 geproduceerde helium was ongeveer 98,3% zuiver (2% stikstof), wat voldoende was voor luchtschepen. In 1945 werd een kleine hoeveelheid van 99,9% helium geproduceerd voor het lassen. In 1949 waren er commerciële hoeveelheden van Grade A 99,95% helium beschikbaar.

Gedurende vele jaren produceerde de Verenigde Staten meer dan 90% van het commercieel bruikbare helium in de wereld, terwijl de winningsfabrieken in Canada, Polen, Rusland en andere landen de rest produceerden. In het midden van de jaren negentig begon een nieuwe fabriek in Arzew, Algerije, die 17 miljoen kubieke meter (600 miljoen kubieke voet) produceerde, met genoeg productie om aan alle Europese vraag te voldoen. Ondertussen was in 2000 het verbruik van helium in de VS gestegen tot meer dan 15 miljoen kg per jaar. In 2004-2006 werden extra fabrieken gebouwd in Ras Laffan, Qatar, en Skikda, Algerije. Algerije werd al snel de tweede toonaangevende producent van helium. In deze periode nam zowel het heliumverbruik als de kosten voor de productie van helium toe. Van 2002 tot 2007 verdubbelde de heliumprijs.

Vanaf 2012 was de Amerikaanse National Helium Reserve goed voor 30 procent van het helium in de wereld. Verwacht werd dat de reserve in 2018 zonder helium zou komen te zitten. Desondanks zou een wetsvoorstel in de Amerikaanse Senaat het mogelijk maken dat de reserve het gas zou blijven verkopen. Andere grote reserves waren in het Hugoton in Kansas, Verenigde Staten, en de nabijgelegen gasvelden van Kansas en de panhandschoenen van Texas en Oklahoma. De opening van nieuwe heliumfabrieken in Qatar, Rusland en de Amerikaanse staat Wyoming was gepland voor 2012, maar er werd niet verwacht dat ze het tekort zouden verzachten.

In 2013 startte Qatar de grootste heliumeenheid ter wereld op, hoewel de diplomatieke crisis van Qatar in 2017 de heliumproductie daar zwaar heeft getroffen. 2014 werd algemeen erkend als een jaar van overaanbod in de heliumsector, na jaren van befaamde tekorten. Nasdaq meldde (2015) dat voor Air Products, een internationale onderneming die gassen voor industrieel gebruik verkoopt, de heliumvolumes onder economische druk blijven staan door de beperkingen op de bevoorrading met grondstoffen.

Natuurlijk voorkomen

Hoewel het zeldzaam is op Aarde, is helium het op één na meest voorkomende element in het bekende Universum, dat 23% van zijn baryonische massa uitmaakt. Alleen waterstof is overvloediger. Het overgrote deel van het helium werd gevormd door de Big Bang kernsplitsing één tot drie minuten na de Big Bang. Daarom dragen metingen van zijn overvloed bij aan kosmologische modellen. In sterren wordt het gevormd door de kernfusie van waterstof in proton-proton-kettingreacties en de CNO-cyclus, onderdeel van de stellaire nucleosynthese.

In de atmosfeer van de aarde is de concentratie van helium in volume slechts 5,2 delen per miljoen. De concentratie is laag en redelijk constant ondanks de continue productie van nieuw helium, omdat het meeste helium in de aardse atmosfeer door verschillende processen de ruimte in ontsnapt. In de heterosfeer van de Aarde zijn een deel van de bovenste atmosfeer, helium en andere lichtere gassen de meest voorkomende elementen.

Het meeste helium op Aarde is het resultaat van radioactief verval. Helium wordt in grote hoeveelheden gevonden in mineralen van uranium en thorium, waaronder uraniniet en zijn variëteiten cleveiet en pitchblende, carnotiet en monaziet (een groepsnaam; “monaziet” verwijst meestal naar monaziet-(Ce)), omdat ze alfadeeltjes (heliumkernen, He2+) uitzenden waaraan elektronen zich onmiddellijk verbinden zodra het deeltje door het gesteente wordt tegengehouden. Op deze manier wordt naar schatting 3000 ton helium per jaar gegenereerd in de gehele lithosfeer. In de aardkorst is de concentratie van helium 8 delen per miljard. In zeewater is de concentratie slechts 4 delen per biljoen. Er zijn ook kleine hoeveelheden in minerale bronnen, vulkanisch gas en meteoorijzer. Omdat helium gevangen zit in de ondergrond onder omstandigheden die ook aardgas opvangen, zijn de grootste natuurlijke concentraties van helium op de planeet te vinden in aardgas, waaruit het meeste commerciële helium wordt gewonnen. De concentratie varieert in een breed scala van enkele ppm tot meer dan 7% in een klein gasveld in San Juan County, New Mexico.

Productie

Vanaf 2011 werden de heliumreserves in de wereld geschat op 40 miljard kubieke meter, waarvan een kwart in het South Pars / North Dome Gas-Condensate veld, dat gezamenlijk eigendom is van Qatar en Iran. In 2015 en 2016 werden bijkomende waarschijnlijke reserves aangekondigd onder de Rocky Mountains in Noord-Amerika en in de Oost-Afrikaanse Rift.

Vanaf 2011 werden de heliumreserves in de wereld geschat op 40 miljard kubieke meter, waarvan een kwart in het South Pars / North Dome Gas-Condensate veld dat gezamenlijk eigendom is van Qatar en Iran. In 2015 en 2016 werden bijkomende waarschijnlijke reserves aangekondigd onder de Rocky Mountains in Noord-Amerika en in de Oost-Afrikaanse Rift.

Voor grootschalig gebruik wordt helium gewonnen door gefractioneerde destillatie uit aardgas, dat wel 7% helium kan bevatten. Omdat helium een lager kookpunt heeft dan enig ander element, worden lage temperatuur en hoge druk gebruikt om bijna alle andere gassen (meestal stikstof en methaan) vloeibaar te maken. Het resulterende ruwe heliumgas wordt gezuiverd door opeenvolgende blootstellingen aan dalende temperaturen, waarbij bijna alle resterende stikstof en andere gassen uit het gasvormige mengsel worden neergeslagen. Als laatste zuiveringsstap wordt actieve kool gebruikt, wat meestal resulteert in 99,995% zuiver Grade-A helium. De belangrijkste onzuiverheid in Grade-A helium is neon. In een laatste productiestap wordt het grootste deel van het geproduceerde helium vloeibaar gemaakt via een cryogeen proces. Dit is noodzakelijk voor toepassingen waarbij vloeibaar helium nodig is en maakt het ook mogelijk voor heliumleveranciers om de kosten van transport over lange afstanden te verminderen, aangezien de grootste vloeibare heliumcontainers meer dan vijf keer de capaciteit van de grootste gasvormige heliumbuisaanhangers hebben.

In 2008 werd ongeveer 169 miljoen standaard kubieke meter helium (SCM) gewonnen uit aardgas of onttrokken aan de heliumreserves met ongeveer 78% uit de Verenigde Staten, 10% uit Algerije, en het grootste deel van de rest uit Rusland, Polen en Qatar. Tegen 2013 had de toename van de heliumproductie in Qatar (onder het bedrijf RasGas, dat door Air Liquide wordt beheerd) de fractie van de wereldwijde heliumproductie van Qatar verhoogd tot 25%, en maakte het de tweede grootste exporteur na de Verenigde Staten. In 2016 werd in Tanzania naar schatting 54 miljard kubieke voet (1,5×109 m3) aan helium gevonden.

In de Verenigde Staten wordt het meeste helium gewonnen uit aardgas van de Hugoton en de nabijgelegen gasvelden in Kansas, Oklahoma, en het Panhandleveld in Texas. Veel van dit gas is ooit via een pijpleiding naar de National Helium Reserve gestuurd, maar sinds 2005 wordt deze reserve uitgeput en verkocht en zal naar verwachting in 2021 grotendeels uitgeput zijn, onder de Responsible Helium Administration and Stewardship Act (H.R. 527) van oktober 2013.

Diffusie van ruw gas door speciale semipermeabele membranen en andere barrières is een andere methode om helium te recupereren en te zuiveren. In 1996 had de VS bewezen dat er in dergelijke gasbroncomplexen heliumreserves waren van ongeveer 147 miljard standaard kubieke voet (4,2 miljard SCM). Tegen de toenmalige gebruikspercentages (72 miljoen SCM per jaar in de V.S.; zie onderstaande taartdiagram) zou dit genoeg helium zijn geweest voor ongeveer 58 jaar gebruik in de V.S., en minder dan dit (misschien 80% van de tijd) tegen de wereldwijde gebruikspercentages, hoewel factoren in de besparing en verwerking van invloed zijn op de effectieve reserveaantallen.

Helium moet uit aardgas worden gewonnen omdat het slechts een fractie van het neon in de lucht aanwezig is, maar de vraag naar helium is veel groter. Geschat wordt dat als de hele neonproductie opnieuw zou worden bewerkt om helium te besparen, aan 0,1% van de wereldwijde heliumbehoefte zou worden voldaan. Ook zou slechts aan 1% van de mondiale heliumbehoefte kunnen worden voldaan door alle luchtdistillatie-installaties opnieuw te koelen. Helium kan worden gesynthetiseerd door het bombarderen van lithium of boor met protonen met een hoge snelheid, of door het bombarderen van lithium met deuteronen, maar deze processen zijn een volstrekt onrendabele manier van produceren.

Helium is in de handel verkrijgbaar in vloeibare of gasvormige vorm. Als vloeistof kan het worden geleverd in kleine geïsoleerde containers, dewars genaamd, die tot 1.000 liter helium bevatten, of in grote ISO-containers met een nominale capaciteit van 42 m3 (ongeveer 11.000 Amerikaanse gallons). In gasvormige vorm worden kleine hoeveelheden helium geleverd in hogedrukcilinders met een inhoud van maar liefst 8 m3 (ca. 282 standaard kubieke voet), terwijl grote hoeveelheden hogedrukgas worden geleverd in buisaanhangwagens met een inhoud van maar liefst 4.860 m3 (ca. 172.000 standaard kubieke voet).

Volgens heliumbeschermers zoals Nobelprijswinnaar Robert Coleman Richardson, die in 2010 schreef, heeft de vrije marktprijs van helium bijgedragen aan een “verspillend” gebruik (bijvoorbeeld voor heliumballonnen). De prijzen in de jaren 2000 waren verlaagd door het besluit van het Amerikaanse Congres om de grote heliumvoorraad van het land tegen 2015 te verkopen. Volgens Richardson moest de prijs met 20 worden vermenigvuldigd om de overmatige verspilling van helium te elimineren. In hun boek, The Future of helium as a natural resource (Routledge, 2012), stelden Nuttall, Clarke & Glowacki (2012) ook voor om een International Helium Agency (IHA) op te richten om een duurzame markt voor deze kostbare grondstof op te bouwen.

Economisch gebruik

Hoewel ballonnen misschien wel het bekendste gebruik van helium zijn, zijn ze een klein onderdeel van al het heliumgebruik. Helium wordt gebruikt voor vele doeleinden die een aantal van zijn unieke eigenschappen vereisen, zoals het lage kookpunt, lage dichtheid, lage oplosbaarheid, hoge thermische geleidbaarheid of inertie. Van de totale wereldproductie van helium in 2014 van ongeveer 32 miljoen kg (180 miljoen standaardkubieke meter) helium per jaar, wordt het grootste deel (ongeveer 32% van het totaal in 2014) gebruikt in cryogene toepassingen, waarbij het grootste deel bestaat uit het koelen van de supergeleidende magneten in medische MRI-scanners en NMR-spectrometers. Andere belangrijke toepassingen waren druk- en purgeersystemen, lassen, onderhoud van gecontroleerde atmosferen en lekdetectie. Andere toepassingen per categorie waren relatief kleine fracties.

Gecontroleerde atmosferen

Helium wordt gebruikt als beschermend gas in de groeiende silicium- en germaniumkristallen, bij de productie van titanium en zirkonium en bij de gaschromatografie, omdat het inert is. Door zijn inertie, thermisch en calorisch perfecte aard, hoge geluidssnelheid en hoge waarde van de warmtecapaciteitsverhouding is het ook nuttig in supersonische windtunnels en impulsfaciliteiten.

Gaswolfraam booglassen

Helium wordt gebruikt als beschermgas bij booglasprocessen op materialen die bij lastemperatuur vervuild en verzwakt zijn door lucht of stikstof. Een aantal inerte beschermgassen worden gebruikt bij het booglassen van gaswolfraam, maar helium wordt gebruikt in plaats van goedkoper argon, vooral voor het lassen van materialen die een hogere warmtegeleiding hebben, zoals aluminium of koper.

Andere toepassingen

Industriële lekdetectie

Een industriële toepassing voor helium is lekdetectie. Omdat helium zich drie keer sneller door vaste stoffen verspreidt dan lucht, wordt het gebruikt als tracergas voor het opsporen van lekken in hoogvacuüminstallaties (zoals cryogene tanks) en hogedrukreservoirs. Het geteste object wordt in een kamer geplaatst, die vervolgens wordt geëvacueerd en gevuld met helium. Het helium dat door de lekken ontsnapt, wordt gedetecteerd door een gevoelig apparaat (heliummassaspectrometer), zelfs bij de leksnelheden van 10-9 mbar-L/s (10-10 Pa-m3/s). De meetprocedure is normaal gesproken automatisch en wordt heliumintegraaltest genoemd. Een eenvoudigere procedure is het vullen van het geteste object met helium en het handmatig zoeken naar lekken met een handapparaat.

Heliumlekken door scheuren moeten niet worden verward met gaspermeatie door een bulkmateriaal. Hoewel helium permeatieconstanten (dus een berekenbare permeatiesnelheid) door glazen, keramiek en synthetische materialen heeft gedocumenteerd, zullen inerte gassen zoals helium de meeste bulkmetalen niet doordringen.

Vlucht

Omdat het lichter is dan lucht, worden luchtschepen en ballonnen opgeblazen met helium voor de lift. Terwijl het waterstofgas meer drijfvermogen heeft en minder snel door een membraan ontsnapt, heeft helium het voordeel dat het niet brandbaar en zelfs brandvertragend is. Een andere kleine toepassing is in de rakettechniek, waar helium wordt gebruikt als ullagemedium om brandstof en oxidatiemiddelen in opslagtanks te verdringen en om waterstof en zuurstof te condenseren om raketbrandstof te maken. Het wordt ook gebruikt om brandstof en oxidatiemiddel te zuiveren van grondondersteuningsmateriaal voorafgaand aan de lancering en om vloeibare waterstof voor te koelen in ruimtevoertuigen. De Saturn V-raket die in het Apollo-programma wordt gebruikt, had bijvoorbeeld ongeveer 370.000 m3 (13 miljoen kubieke voet) helium nodig om te lanceren.

Klein commercieel en recreatief gebruik

Helium als ademhalingsgas heeft geen verdovende eigenschappen, dus worden heliummengsels zoals trimix, heliox en heliair gebruikt voor diepduiken om de effecten van narcose, die met toenemende diepte verergeren, te verminderen. Naarmate de druk toeneemt met de diepte, neemt ook de dichtheid van het ademgas toe, en het lage moleculaire gewicht van helium blijkt de inspanning van de ademhaling aanzienlijk te verminderen door de dichtheid van het mengsel te verlagen. Dit vermindert het Reynolds-aantal stromingen, wat leidt tot een vermindering van de turbulente stroming en een toename van de laminaire stroming, wat minder werk van de ademhaling vereist. Op een diepte van minder dan 150 meter (490 ft) beginnen duikers die helium-zuurstofmengsels inademen bevingen en een afname van de psychomotorische functie te ervaren, symptomen van het hogedruk zenuwsyndroom. Dit effect kan tot op zekere hoogte worden tegengegaan door een hoeveelheid verdovend gas zoals waterstof of stikstof toe te voegen aan een helium-zuurstofmengsel.

Helium-neon-lasers, een soort gaslaser met een laag vermogen die een rode straal produceert, hadden verschillende praktische toepassingen, waaronder barcodelezers en laserpointers, voordat ze bijna universeel werden vervangen door goedkopere diodelasers.

Vanwege de inertie en de hoge thermische geleidbaarheid, de neutronentransparantie en omdat het geen radioactieve isotopen vormt onder reactorcondities, wordt helium in sommige gasgekoelde kernreactoren gebruikt als warmtetransportmedium.

Helium, gemengd met een zwaarder gas zoals xenon, is nuttig voor thermo-akoestische koeling vanwege de hoge warmtecapaciteit en het lage Prandtl-getal. De inertie van helium heeft milieuvoordelen ten opzichte van conventionele koelsystemen die bijdragen aan de aantasting van de ozonlaag of de opwarming van de aarde.

Helium wordt ook gebruikt in sommige harde schijven.

Wetenschappelijke toepassingen

Het gebruik van helium vermindert de verstorende effecten van temperatuurschommelingen in de ruimte tussen de lenzen in sommige telescopen, vanwege de extreem lage brekingsindex. Deze methode wordt vooral gebruikt in zonnetelescopen waar een vacuümdichte telescoopbuis te zwaar zou zijn.

Helium is een veel gebruikt draaggas voor gaschromatografie.

De ouderdom van gesteenten en mineralen die uranium en thorium bevatten kan worden geschat door het niveau van helium te meten met een proces dat bekend staat als heliumdatering.

Helium bij lage temperaturen wordt gebruikt in de cryogenetica, en in bepaalde cryogene toepassingen. Als voorbeelden van toepassingen wordt vloeibaar helium gebruikt om bepaalde metalen te koelen tot de extreem lage temperaturen die nodig zijn voor supergeleiding, zoals in supergeleidende magneten voor magnetische resonantie beeldvorming. De Large Hadron Collider van CERN gebruikt 96 ton vloeibaar helium om de temperatuur op 1,9 kelvin te houden.

Biologie

Neutraal helium onder standaardomstandigheden is niet giftig, speelt geen biologische rol en wordt gevonden in spoorhoeveelheden in menselijk bloed.

De snelheid van het geluid in helium is bijna drie keer zo hoog als de snelheid van het geluid in de lucht. Omdat de fundamentele frequentie van een met gas gevulde holte evenredig is met de geluidssnelheid in het gas, is er bij inademing van helium een overeenkomstige toename van de resonantiefrequenties van het spraakkanaal. De grondfrequentie (ook wel toonhoogte genoemd) verandert niet, omdat deze wordt geproduceerd door directe vibratie van de zangplooien, die onveranderd blijft. De hogere resonantiefrequenties veroorzaken echter een verandering in de klankkleur, wat resulteert in een rietgekleurde, eendelige vocale kwaliteit. Het tegenovergestelde effect, het verlagen van de resonantiefrequenties, kan worden verkregen door het inademen van een dicht gas zoals zwavelhexafluoride of xenon.

Veiligheid

Het inademen van helium kan gevaarlijk zijn als het te veel wordt gedaan, omdat helium een eenvoudige verstikkende stof is en dus de zuurstof die nodig is voor een normale ademhaling verdringt. Er zijn sterfgevallen geregistreerd, waaronder een jeugd die in 2003 in Vancouver stikte en twee volwassenen die in 2006 in Zuid-Florida stierven. In 1998 viel een Australisch meisje uit Victoria bewusteloos en werd tijdelijk blauw na het inademen van de volledige inhoud van een feestballon. Het inademen van helium rechtstreeks uit drukcilinders of zelfs uit ballonvulkleppen is uiterst gevaarlijk, omdat een hoog debiet en een hoge druk kunnen leiden tot barotrauma, waardoor het longweefsel dodelijk kan scheuren.

Dood door helium is zeldzaam. Het eerste in de media opgenomen geval was dat van een 15-jarig meisje uit Texas dat in 1998 stierf aan heliuminhalatie op een feestje van een vriendin; het exacte type heliumdood is niet geïdentificeerd.

In de Verenigde Staten werden tussen 2000 en 2004 slechts twee dodelijke slachtoffers gemeld, waaronder een man die in 2002 in North Carolina stierf aan barotrauma. Een jongeman die in 2003 in Vancouver verstikt raakte, en een 27-jarige man in Australië had een embolie nadat hij in 2000 uit een cilinder had geademd. Sindsdien zijn er in 2006 twee volwassenen in Zuid-Florida gestikt, en in 2009 en 2010 waren er gevallen, één een Californische jongere die werd gevonden met een zak over zijn hoofd, vastgemaakt aan een heliumtank, en een andere tiener in Noord-Ierland stierf aan verstikking. In Eagle Point, Oregon stierf een tienermeisje in 2012 aan barotrauma op een feestje. Een meisje uit Michigan stierf later in het jaar aan hypoxie.

Op 4 februari 2015 werd onthuld dat tijdens de opname van hun belangrijkste TV-show op 28 januari een 12-jarig lid (naam ingehouden) van de Japanse all-girl zanggroep 3B Junior leed aan luchtembolie, het bewustzijn verloor en in coma raakte als gevolg van luchtbellen die de bloedstroom naar de hersenen blokkeerden, na het inhaleren van enorme hoeveelheden helium als onderdeel van een spel. Het incident werd pas een week later bekend gemaakt. De medewerkers van TV Asahi hielden een noodpersconferentie om te communiceren dat het lid naar het ziekenhuis was gebracht en tekenen van revalidatie vertoont, zoals bewegende ogen en ledematen, maar dat haar bewustzijn nog niet voldoende is hersteld. De politie heeft een onderzoek ingesteld wegens verwaarlozing van de veiligheidsmaatregelen.

Op 13 juli 2017 meldde CBS News dat een politieke agent die naar verluidt probeerde e-mails te herstellen die ontbraken op de server van Clinton, Peter W. Smith, “blijkbaar” zelfmoord pleegde in mei in een hotelkamer in Rochester, Minnesota en dat zijn dood werd geregistreerd als “verstikking als gevolg van zuurstofverplaatsing in een afgesloten ruimte met helium”. Meer details volgden in de Chicago Tribune.

De veiligheidsproblemen voor cryogeen helium zijn vergelijkbaar met die van vloeibaar stikstof; de extreem lage temperaturen kunnen leiden tot koude brandwonden, en de vloeistof-gas uitzettingsverhouding kan explosies veroorzaken als er geen drukontlastingsapparaten zijn geïnstalleerd. Containers met heliumgas bij 5 tot 10 K moeten worden behandeld alsof ze vloeibaar helium bevatten vanwege de snelle en aanzienlijke thermische uitzetting die optreedt wanneer heliumgas bij minder dan 10 K wordt opgewarmd tot kamertemperatuur.

Bij hoge druk (meer dan ongeveer 20 atm of twee MPa) kan een mengsel van helium en zuurstof (heliox) leiden tot een hoge druk zenuwsyndroom, een soort van omgekeerde verdoving; het toevoegen van een kleine hoeveelheid stikstof aan het mengsel kan het probleem verlichten.