Helium - das Sonnen-Gas

Die meisten kennen Helium von den bunten Luftballons auf Geburtstagsparties oder bei Hochzeiten. Die Ballons sind hübsch anzusehen und verwandeln unsere Stimme in die einer Comic-Figur. 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. 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 außerdem beim Wasserstoffbrennen, d.h. 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 ist dieser Vorgang 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.

Helium kommt außerdem in Erdgas mit einem Wert von 5,2 ppm vor und in Erdöl mit 0,4 %. 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.

Lockyer war es auch, der das Gas nach dem griechischen Wort “helios” für Sonne benannte. 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. Auf unserem Planeten wurde Helium erst Jahre später in 1895 von William Ramsay entdeckt, der Uran-Mineral isolierte.

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, dabei werden pro Jahr ca. 175 Mio. Kubikmeter Helium erzeugt. 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.
   
   
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. Auch die sogenannte Micky-Mouse-Stimme, die beim Einatmen eines Heliumballon- Gases entsteht, haben wir der Leichtigkeit des Heliums zu verdanken. Denn die Schallgeschwindigkeit vergrößert sich, so können sich die Schallwellen schneller ausbreiten und die Tonhöhe steigt. Zack: wir klingen wie eine Comic-Figur.
   
   
7. 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.
   
   
8. 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.
   
   
9. 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. In flüssigem Zustand muss außerdem unbedingt Schutzkleidung getragen werden, wenn man mit Helium hantiert, da sonst Erfrierungsgefahr besteht.

Wird Helium knapp?

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% an Helium in seiner helium- und wasserstoffreichen Atmosphäre vorhanden.

Durch die geringe Schwerkraft konnte die Erde die Gase nicht in dieser Menge halten und so entwichen sie ins All und entweichen noch bis heute. 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 vulkane 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 noch mehr Quellen freilegen.

Verknappung - Alles nur Gerüchte?

Ist also nichts dran an dem Helium-Verknappungsgerücht? Nicht ganz. 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 Physikforschung ein unabdingbarer Stoff, um unserem Dasein im Universum noch mehr auf den Grund zu gehen und unseren Körpern hie und da auszuhelfen.

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...