Die meisten kennen Helium von den bunten Luftballons auf Geburtstagsparties oder bei Hochzeiten. Doch Helium kann noch viel mehr und wird leider immer knapper.

Welche Ursachen die Verknappung bedingen, wofür wir Helium brauchen und warum es eigentlich das "Sonnen-Gas" ist - das untersuchen wir in diesem Artikel.

Was ist Helium? - Ein Steckbrief

Helium ist ein Edelgas, das weder Farbe noch Geschmack oder Geruch zu seinen Eigenschaften zählt. Nicht nur ist Helium wie andere Edelgase reaktionsträge, bisher konnte auch noch nicht nachgewiesen werden, dass Helium überhaupt Verbindungen eingeht, die nicht sofort zerfallen. Der Helium-Dampf hat eine sehr geringe Dichte und Viskosität und löst sich kaum in Wasser.

Mit Werten von 4,2 K und -269 C° hat es den niedrigsten Siedepunkt aller Gase. Fast bis zum absoluten Nullpunkt bleibt es unter Normaldruck gasförmig, wird dann jedoch nicht fest, wie andere Stoffe, sondern in einen flüssigen Aggregatzustand versetzt. Darum ist es auch die kälteste Materie der Erde und kann bei bloßem Kontakt Erfrierungen verursachen.

Nach Wasserstoff ist Helium das zweithäufigste vorkommende Element in unserem Universum (23 Prozent der Masse der sichtbaren Materie bestehen aus Helium). Allerdings gibt es vergleichsweise nur wenig Helium auf der Erde.

Laut einer anerkannten Theorie ist der größte Teil des Heliums im Weltraum bereits beim Urknall entstanden und kommt auch in Atmosphären von anderen Planeten mit folgenden Werten vor:

• Erde: 0,00052 % (5,2 ppm)
• Venus: 0,0012 % (12 ppm)
• Saturn: 3,25 %
• Jupiter: 10,2 %
• Uranus: 15,2 % ± 3,3 %
• Neptun: 19 % ± 3,2 %

Helium entsteht bei der Kernfusion der Sterne, und ist hauptverantwortlich für das Sternenleuchten, das wir von der Erde aus beobachten können. Das stellt quasi das Lebenselexier der Sterne dar, denn dieser Vorgang ist der Energielieferant für das Überdauern eines Sternenlebens. Sobald das Leuchten erlischt, steigt die Temperatur des Sterns. Was folgt ist eine Reihe von Elementenverbrennungen oder eine Supernova.

Bis heute ist nur atomares Vorkommen von Helium bekannt. Von den acht bekannten Isotopen sind nur 2 stabil: und zwar das häufigste vorkommende stabile Isotop 4He und das seltenere 3He. 4He entsteht dabei aus dem radioaktiven, atomaren Zerfall von Schwerelementen wie Uran oder Thorium. Diese produzieren nämlich Alphateilchen, die nichts anderes sind als Heliumkerne. 3He dagegen ist teilweise uralt und findet sich im Erdmantel wieder.

Die einzigen Ressourcen, auf die hier auf der Erde zurückgegriffen werden kann, sind die Heliumanteile im Erdgas. Eine wirtschaftliche Gewinnung ist jedoch nur bei einem entsprechenden Erdgas-Helium-Verhältnis erfolgreich. Diese Quote bieten nur sehr wenige Lagerstätten. Diese finden sich in den USA, Algerien, Katar und Russland.

Der Grund für das geringe Vorkommen von Helium in unserer Erdatmosphäre ist der Leichtigkeit des Edelgases zuzuschreiben und seiner Reaktionsträgheit. Da Helium keine stabilen Verbindungen mit anderen Stoffen eingeht, entweicht ein Großteil davon in den Weltraum.

Wie wird Helium gewonnen?

Das erste Mal wurde Helium im Jahr 1868 während einer totalen Sonnenfinsternis entdeckt. Und zwar in der Atmosphäre der Sonne von den Forschern Pierre Janssen und Joseph Lockyer. Bei einer spektroskopischen Untersuchung des Sonnenlichts mit Hilfe eines Glasprismas, das das Licht in einzelne Strahlen zerlegte, haben sie Erstaunliches festgestellt. Eine neue unbekannte brillantgelbe Farbe tauchte auf. Diese Farbe war bis dato keinem bekannten Element zugeordnet. Damit wurde Helium der Welt vorgestellt. Lockyer war es auch, der das Gas nach dem griechischen Wort “helios” für Sonne benannte. Auf unserem Planeten konnte Helium erst Jahre später in 1895 von William Ramsay isoliert und nachgewiesen werden.

Der wirtschaftlich wohl wichtigste Lieferant für Helium ist Erdgas, denn es besteht zu 7 % aus dem teuren Edelgas. Für die Extrahierung des Heliums von den anderen Bestandteilen des Erdgases wie Kohlenwasserstoffe und Stickstoffverbindungen, sind nur niedrige Temperaturen nötig, da der Siedepunkt von Helium sehr gering ist.

Das Weltinventar des Heliums beläuft sich auf 41 Mrd. Kubikmeter, davon werden pro Jahr ca. 175 Mio. Kubikmeter Helium gewonnen. Der größte Hersteller sind die USA. Darüber hinaus wird das Edelgas auch in Russland, Katar und Algerien produziert.

Wo wird Helium angewendet?

Unter Hochdruck gasförmig abgefüllt, ist Helium bei Gasunternehmen käuflich zu erwerben. Doch wofür könnte man Helium gut gebrauchen?

Aufgrund seiner beeindruckender Eigenschaften findet das Edelgas in unterschiedlichen Bereichen seine Anwendung:

1. Wegen seiner Besonderheit der kälteste Stoff der Erde zu sein und Wärme nicht zu leiten, eignet sich Helium hervorragend als Tieftemperatur-Kältemittel. So zum Beispiel überall da, wo starke Magnetfelder entstehen wie bei supraleitenden Magnetspulen in der Magnetresonanztomographie (MRT), der Kernspinresonanz (NMR) oder auch in anderen Tieftemperaturverfahren. Bei der Chipherstellung in Halbleiterfabriken leitet Heliumgas die Wärme um das Silizium herum ab, um Schäden zu vermeiden, und schützt es vor unerwünschten Reaktionen.
   
   
2. In der Teilchenphysik wird Helium in einer komprimierten Form als inertes Kühlmittel gebraucht, beispielsweise beim Thorium-Hochtemperaturreaktor (THTR) oder auch bei der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN), um die Teilchenströme im Beschleuniger in Schach zu halten. Man könnte hier vom größten “Kühlschrank” der Welt sprechen.
   
   
3. Dank der niedrigen Viskosität bewährte sich Helium als Beatmungsgas für Asthmatiker in Form eines Helium-Sauerstoff Gemisches (80:20). So lässt es sich leichter als Luft einatmen.
   
   
4. Auch unter Wasser hilft die niedrige Viskosität des Heliums Sporttauchern besser zu atmen. So fungieren verschiedene Gemische mit Helium als Atemgas. Denn unsere normale Atemluft verändert sich unter Druck in den Wassertiefen. So wirkt Stickstoff unter hohen Drücken narkotisierend und Sauerstoff verursacht Nervenschäden.
   
   
5. Das bereits zuvor erwähnte Ballongas kommt zu seiner Aufgabe ebenfalls aufgrund der geringen Dichte des Heliums. So auch Luftschiffe wie Zeppeline, die ebenfalls Helium als Traggas nutzen, um in der Luft zu schweben. Insbesondere wegen seiner nicht-brennbaren Charakteristika greifen die meisten zu Helium, statt zu Wasserstoff, das ebenfalls als Traggas diente.
   
   
6. Da Helium ein inertes, also ein aktives Gas ist, und somit nicht mit anderen Stoffen reagiert, wird es auch gerne beim Schweißen als Schutzgas verwendet. Auf diese Weise schützen Schweißer ihre Schmelze vor dem reaktionsfreudigen Sauerstoff. Auch werden unbeliebte Spritzer vermieden und die Einbrandtiefe sowie die Schweißgeschwindigkeit werden mithilfe des Heliums erhöht. Überwiegend wird Helium bei Verarbeitung von Aluminium und rostfreien Metallen genutzt.
   
   
7. Bei der Lecksuche in Chemieanlagen wird ebenfalls Helium zur Dichtheitsprüfung herangezogen. Das gleiche Prinzip machen sich auch Hersteller von Benzintanks für Autos zunutze oder auch in der Fertigung von Wärmeübertragern für Klimaanlagen.
   
   
8. In der Lebensmittelindustrie wird Helium als Verpackungsgas oder Treibgas verwendet und trägt den Namen E 939.
   
   

Zwar ist Helium ungiftig, doch wird strengstens davon abgeraten das Gas in geschlossenen Räumen ohne Belüftung zu nutzen oder es einzuatmen, da es Sauerstoff verdrängt und Sauerstoffmangel verursacht. 

Wird Helium knapp?

09/2018, immer wieder bekommt man in den Medien mit, dass ein weltweiter Mangel an Helium bevorsteht.

Die Frage die man sich nun stellt ist:  Wie kann das überhaupt sein? Helium ist das am zweithäufigsten vorkommende Element im bisher bekannten/erforschten Universum und trotzdem haben wir auf der Erde immer wieder einen Engpass.

Die Gründe:

• Das Gas kann auf der Erde unaufhaltsam nach oben entweichen, da die Erdschwerkraft nicht stark genug ist um dieses in unserer Atmosphäre zu halten. Somit endet das Gas schlussendlich im Weltraum, wo es für uns dann nicht mehr erreich/-verwertbar ist.
• Außerdem ist Helium eine nicht erneuerbare, endliche Ressource. Das heißt wenn ein Heliumvorkommen aufgebraucht ist, entsteht dort von alleine auch kein neues innerhalb kurzer Zeit mehr. Desweiteren gibt es heutzutage noch keine präzisen Methoden um Heliumvorkommen ausfindig zu machen. Nur per Zufall werden Heliumvorkommen bei Ölbohrungen entdeckt.
• Auch ist die Gewinnung von Helium aus der Luft zurzeit noch viel zu kostspielig, weshalb man Helium momentan nur aus Erdgas gewinnen kann. Dies reduziert jedoch wiederum die Menge an Helium die man nun für den Verbrauch zur Verfügung hat.
• Zudem steigt der Bedarf an Helium jedes Jahr um ca. 4% wodurch auch der Verbrauch und die Nachfrage immer weiter ansteigt. Somit kann auch kein Ausgleich zwischen dem Vorrat an Helium und dem Verbrauch geschaffen werden.

Wir wissen nun, dass Helium nach Wasserstoff das zweithäufigst vorkommende Element im Universum ist, doch haben wir auch gelernt, dass auf der Erde davon gar nicht mal so viel existiert. Unter anderem liegt es daran, dass die Erde ein Gesteinsplanet ist und kein Gasgigant wie zum Beispiel Jupiter (dort sind ganze 10,2 % Helium in der Atmosphäre vorhanden). Durch die geringe Schwerkraft konnte die Erde das Gas nicht in dieser Menge halten und so entweicht es bis heute ins All. Wobei Wasserstoff durch die stabile Verbindung mit Sauerstoff doch noch reichlich auf der Erde weilt.

Unter der Erdoberfläche entsteht Helium als radioaktives Zerfallsprodukt von Uran oder Thorium. Zwar sind die Vorkommen dieser Schwerelemente selten, doch sind sie dennoch beständig. So hat Uran 238 eine Halbwertszeit von viereinhalb Milliarden Jahren, was im Grunde dem Alter unserer Erde entspricht. Die Helium-Produktion im Erdinneren wird also weiterhin fortgesetzt.

Abgesehen von den bereits bekannten Helium-Produzenten USA, Russland, Katar und Algerien, haben Forscher vor kurzem eine neue Heliumquelle in Tansania in der Vulkanregion entdeckt. Ein kleiner Teil davon besteht aus dem Isotop Helium-3, das bereits bei der Entstehung der Erde eingeschlossen wurde, der Großteil ist durch radioaktiven Zerfall entstanden. Begünstigt durch die vulkanische Umgebung dringt es nun an die Oberfläche. Denn dort wo geschmolzenes Gestein, hohe Temperaturen und Druckentlastungen auftreten, können Schmelzen entstehen. Diese sammeln Helium in sich und transportieren es nach oben. 

Durch die immer fortwährende Forschung können Experten nun systematisch Gebiete eingrenzen wo Heliumvorkommen am wahrscheinlichsten sind, und so mehr Quellen freilegen.

Weitere Gründe für eine weltweite Heliumverknappung

Die zurzeit bestehende Knappheit beim Helium beruht darauf, dass derzeit weniger Helium produziert wird, da die größten Produktionsanlagen (Algerien, Russland, Polen) in Revision sind. Außerdem kann der gesamte Weltmarktbedarf, der stetig steigt, nicht gedeckt werden, so dass die Knappheit des Produktes zu Preisanstiegen von bis zu 300 % geführt hat. Der Bedarf ist enorm gestiegen: In verflüssigter Form dient es vor allem der Kühlung von supraleitenden Magneten in Kernspintomografen und anderen wissenschaftlich-technischen Geräten, außerdem als Zusatz zu Tauchergasen, als nicht reagierendes und ungiftiges Schweißgas und Füllgas von Verpackungen der Lebensmittelindustrie. In der Raketentechnik ersetzt es verbrauchten Treibstoff in den sich leerenden Tanks. Man braucht es außerdem in Lasergeräten, und es sorgt für Licht in TV-Plasmabildschirmen.

Weil Helium weltweit in immer größerem Umfang für die Medizin, Forschung, Halbleiterherstellung und Glasfaserproduktion benötigt wird, droht das Edelgas knapp zu werden. “Helium, heute noch preiswert, wird morgen rar und kostbar sein”, warnten Experten, Präsident der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG). “Wir müssen vorausschauender als bisher damit umgehen.”

GPG bemüht sich um genügend Produkt, um Sie versorgen zu können. Einen wesentlichen Teil der Mengen müssen wir aber in den nächsten Monaten am Spot-Markt zukaufen, was zu einem drastischen Preisanstieg führen wird. Das Produkt wird sogar meistbietend versteigert. Wir bitten Sie um Ihr Verständnis für die zum Teil gravierende Preiserhöhung beim Helium. Uns ist es aber wichtig, dass wir für Versorgungssicherheit sorgen können und dass es zu keinen Versorgungsengpässen kommt. Günstigere Einstandspreise werden wir sofort wieder zum Anlass nehmen, die Preiserhöhungen entsprechend zurückzunehmen.

Eine Beruhigung des Marktes ist derzeit nicht in Sicht. Denn noch ist die Forschung nicht so weit und wir müssen uns auf die Förderanlagen verlassen, die es momentan gibt.

Das wird jedoch durch so manche aktuelle, politische Konflikte erschwert. Denn durch die ständigen von Saudi-Arabien ausgelösten Handelsblockaden in Katar mussten 2 Förderanlagen geschlossen werden. Dabei ist der Golfstaat weltweit größter Exporteur des Edelgases und zweitgrößter Produzent, nach den USA. Katar deckt damit 25 % des weltweiten Helium-Bedarfs. In Folge wird es immer schwerer und teurer an Helium zu kommen.

Einige Labore investieren in Geräte, die das Edelgas nach seinem Gebrauch wieder verflüssigen bevor es in die Atmosphäre entweichen kann. So wird gespart wo es geht, um Helium auf Lager zu haben, falls es zu einem richtigen Engpass kommen wird. Noch ist das Edelgas bei Gaslieferanten zu bekommen.

Fazit

Helium ist ein erstaunliches Gas und ist vor allem für die Medizintechnik und die Forschung ein unabdingbarer Stoff.

Aber auch der Schweißer erfreut sich an diesem Edelgas, das zum Einsatz eines jeden Metalls geeignet ist und ihm ermöglicht eine feine Schweißraupe zu fertigen. Und was wäre die Welt grau ohne die bunten Luftballons...

Weitere Infos finden Sie im Artikel "Das Ende des billigen Heliums" (externer Link).

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Über die Autorin

Inara Muradowa ist SEO-Expertin und Corporate Blogger. Neben technischer Suchmaschinenoptimierung und SEO-Beratung steht sie Unternehmen mit Konzeption und Verfassen von professionellen Blogposts tatkräftig zur Seite.