Helium, das zweitleichteste Element, wird in verschiedenen Bereichen genutzt wie z. B. in Medizin, Wissenschaft und Industrie. Es besitzt bemerkenswerte chemische und physikalische Eigenschaften und reagiert kaum mit anderen Elementen.
Helium dient als Kühlmittel, beispielsweise in Magnetresonanztomografen und supraleitenden Geräten. Es wird auch in der Raumfahrt, Halbleiterherstellung, Forschung und Tauchindustrie verwendet. Helium ist eine nicht erneuerbare Ressource, daher werden Recyclingmethoden entwickelt, um den Verbrauch zu optimieren. Trotz seiner Begrenztheit ist Helium derzeit unverzichtbar und vielseitig einsetzbar.
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Helium von Schröder Gas
Helium bringen die meisten Menschen zunächst wohl mit Partyballons und dem sogenannten Mickey-Mouse-Effekt, der beim Einatmen von Ballongas entsteht, in Verbindung. Für Chemikerinnen und Chemiker ist das zweite Element im Periodensystem aber viel mehr als das. Denn das Edelgas hat viele Nutzungsmöglichkeiten und ist auch mit Blick auf seine chemischen Eigenschaften spannend. Von seiner Entdeckung im 19. Jahrhundert bis hin zu seiner aktuellen Funktion für Medizin, Wissenschaft und Industrie werfen wir in diesem Artikel ein Schlaglicht auf das leichtgewichtige Element.
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Geschichtliche Einordnung
Helium, das zweitleichteste Element im Periodensystem, wurde 1868 vom französischen Astronomen Pierre Janssen bei der Observation einer totalen Sonnenfinsternis entdeckt. Während seiner Beobachtungen bemerkte er eine bis dahin unbekannte gelbe Spektrallinie im Sonnenlicht. Spektrallinien sind innerhalb eines Wellenspektrums klar voneinander trennbare Bereiche. Janssen vermutete, dass diese Wellen von einem bis dahin unbekannten Element hervorgerufen wurden. Den Namen Helium leitete Janssen vom Namen des griechischen Sonnengottes Helios ab.
Auf der Erde wurde Helium erst fast drei Jahrzehnte später, im Jahr 1895 nachgewiesen. Der britische Chemiker William Ramsay identifizierte es in einem Uranmineral. Durch Vergleich der Spektrallinien des neu entdeckten Gases mit denen, die Janssen 1868 beobachtet hatte, gelang es nun endlich, die Existenz des Elements zweifelsfrei nachzuweisen.
Heute wird Helium in erster Linie aus Erdgas gewonnen. Aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften spielt es für viele Industriebereiche eine wichtige Rolle.
Chemische und physikalische Eigenschaften von Helium
Helium hat eine Reihe bemerkenswerter Eigenschaften. Als zweites Element im Periodensystem hat es zwei Protonen. Es gehört zu den Edelgasen, die äußere Elektronenschale ist also voll besetzt. Das führt dazu, dass Helium chemisch „inert“ ist und nur träge mit anderen Elementen reagiert. Von allen bekannten Elementen weist Helium die niedrigste Reaktivität auf. Unter natürlichen Bedingungen bildet es keine chemischen Verbindungen. Auch unter Laborbedingungen ist es nur sehr bedingt möglich, Helium in Verbindungen zu zwingen. Man geht heute aber davon aus, dass im interstellaren Raum teilweise Bedingungen vorherrschen, die Heliumverbindungen (spezifisch HeH+) begünstigen könnten.
Aus physikalischer Perspektive ist Helium das leichteste Edelgas und das zweitleichteste Element überhaupt. Bei Normaldruck und Raumtemperatur ist es ein farbloses, geruchloses Gas. Helium hat den niedrigsten Siedepunkt aller Elemente. Bei nur etwa 4,2 Kelvin (− 268,95 Grad Celsius) geht Helium vom flüssigen in den gasförmigen Zustand über. Das macht Helium für viele Anwendungen in Medizin, Forschung und Industrie zu einem wichtigen Kühlmittel.
Darüber hinaus geht Helium unter normalen Druckbedingungen nicht in den festen Aggregatszustand über. Es bleibt bis zum absoluten Nullpunkt (− 273,15 Grad Celsius) flüssig. Bei Temperaturen nahe dem Nullpunkt wird Helium damit suprafluid, was es für die Forschung wichtig macht. Erst bei etwa 25-fachem Atmosphärendruck kann Helium bei Temperaturen nahe 0 Kelvin verfestigt werden.
Reinheitsgrade von Helium
Im Handel wird Helium oft in verschiedenen Reinheitsgraden angeboten. Zum Beispiel als sogenanntes Ballongas oder als Helium 4.6 oder Helium 5.
Ballongas ist eine Mischung aus Helium und Luft, die häufig zum Füllen von Partyballons verwendet wird. Typischerweise spricht man bis zu einem Reinheitsgrad von 98 % von Ballongas. Es ist weniger teuer und eignet sich gut für Anwendungen, die keine hohe Reinheit erfordern. Für den professionelleren Einsatz werden deutlich reinere Heliumvarianten benötigt. Vermarktet werden diese meist unter Bezeichnungen wie Helium 4.6 oder Helium 5. Die Zahl gibt dabei jeweils die Anzahl der Neunen im prozentual ausgedrückten Reinheitsgrad an. Helium 5 hat zum Beispiel einen Reinheitsgrad von 99,999 %. Bei Helium 4.6 spricht man von „4,6 Neunen“, damit ist ein Reinheitsgrad von 99,996 % gemeint.
Ein wichtiger Hinweis: Helium mit hohem Reinheitsgrad darf keinesfalls eingeatmet werden, um den vom Ballongas bekannten Mickey-Mouse-Effekt hervorzurufen. Es kann sonst zu Erstickungen kommen. Auch das Einatmen von Ballongas sollte wenn möglich vermieden werden.
Helium mit niedrigerem Reinheitsgrad ist preiswerter als die reineren Varianten. Es ist daher sinnvoll, im Vorfeld eines Kaufs genau abzuwägen, einen wie hohen Reinheitsgrad der konkrete Anwendungsfall erfordert. Gerade bei höherem Verbrauch lassen sich durch Wahl der richtigen Gasvariante finanzielle Mittel sparen.
Wie wird Helium für die Nutzung gewonnen?
Helium wird hauptsächlich aus natürlichem Erdgas gewonnen. Helium entsteht als Nebenprodukt des radioaktiven Zerfalls von zum Beispiel Uran, Radium oder Thorium im Erdinneren. Bei diesem Zerfall entstehen sogenannte Alphateilchen. Die Alphateilchen „entreißen“ anderen Atomen Elektronen, wodurch die für Helium spezifische Elektronenkonfiguration entsteht. Die auch Heliumkerne genannten Alphateilchen werden so zu Heliumatomen. Sofern dieses Helium nicht in die Atmosphäre entweicht, wird es in unterirdischen Gesteinsschichten eingeschlossen, wo es sich mit Erdgasvorkommen vermengt.
Die Konzentration von Helium in Erdgas variiert. Typischerweise liegt der Anteil bei etwa 0,2-0,5 %. In wenigen Fällen kann der Heliumanteil aber auch deutlich höher sein, so liegt er etwa bei Erdgas aus Alaska bei 3 %. Wirtschaftlich ist die Isolation des im Erdgas gebundenen Heliums ab einem Anteil von 0,3 %. Zur Trennung des Heliums von den übrigen Gasbestandteilen macht man sich dessen besondere Eigenschaften zunutze. Bei Abkühlung des Gases wird zum Beispiel Methan ab 90,7 Kelvin fest und kann so vom Helium getrennt werden.
Die größten Heliumreserven und Produktionsanlagen befinden sich in den USA. Aber auch Länder wie Katar, Algerien und Russland verfügen über bedeutende Heliumvorkommen und exportieren das Edelgas. Die wachsende Nachfrage nach Helium auf der ganzen Welt macht es zunehmend erforderlich, neue Quellen anzuzapfen.
Wichtige Anwendungsbereiche von Helium im Überblick:
- Medizinische Bildgebung: zum Beispiel in Magnetresonanztomografen (MRTs)
- Raumfahrt: etwa zur Druckbeaufschlagung flüssiger Brennstoffe in Raketen
- Halbleiterherstellung: Nutzung zur Kühlung und als Schutzgas, um Verunreinigungen vorzubeugen
- Schweißen: bei bestimmten Schweißmethoden, um die Schweißnaht vor Verunreinigungen zu schützen
- Forschung und Entwicklung: als Kühlmittel, etwa bei Experimenten in der Supraleitungsforschung.
- Lecksuche: Identifizierung von Undichtigkeiten in Hochdrucksystemen oder Vakuumkammern
- Tauchen: Teil von Atemgasmischungen für tiefe Tauchgänge
Wieso ruft Helium eine Micky-Maus-Stimme hervor?
Wer absichtlich oder versehentlich heliumhaltiges Ballongas einatmet, hat plötzlich eine sehr hohe Stimme. Dieser Effekt wird häufig auch als Mickey-Mouse- oder Chipmunk-Effekt bezeichnet. Der Grund für diese kurzzeitige Veränderung der Stimmhöhe ist einfach: Schall bewegt sich in dichteren Gasgemischen langsamer als in weniger dichten. Da unsere normale Atemluft dichter als Helium ist, erhöht sich im Ballongas die Schallgeschwindigkeit. Das führt dazu, dass die mit den Stimmbändern erzeugten Klänge hochfrequenter werden und damit höher klingen.
An dieser Stelle sei noch einmal darauf hingewiesen, dass das Einatmen insbesondere von sehr reinem Helium gesundheitsschädlich ist!
Wird Helium knapp?
Helium ist eine nicht erneuerbare Ressource. Einmal in die Atmosphäre freigesetzt, entweicht Helium aufgrund seiner geringen Masse ins Weltall und kann nicht zurückgewonnen werden. Das kann auf lange Sicht, obwohl Helium das zweithäufigste Element im Universum ist, zu Heliumknappheit auf der Erde führen.
Die größten Heliumreserven der Welt befinden sich in den USA. Die dortigen Vorkommen schrumpfen aber zusehends. Obwohl neue Heliumressourcen in anderen Ländern wie Katar, Algerien oder Russland erschlossen werden, ist nicht klar, ob diese Quellen langfristig ausreichen werden, die Förderabfälle in den USA auszugleichen. In den letzten Jahren haben Industrie und akademische Forschung daher verstärkt begonnen, Recyclingmethoden zu entwickeln, mit denen einmal gefördertes Helium länger genutzt werden kann.
Fazit:
Ob in Medizin und Forschung oder in der Industrie: Seine einzigartigen chemischen und physikalischen Eigenschaften machen Helium in vielen Bereichen unersetzlich. Trotz seiner weiten Verbreitung und Nutzung ist Helium eine begrenzte, nicht erneuerbare Ressource. Langfristig wird es wichtig werden, Alternativen zum Helium zu finden. Für den Moment können wir uns aber glücklich schätzen, dieses wertvolle Gas in vielfältiger Weise nutzen zu können.
