Helium bleibt bis zu sehr tiefen Temperaturen gasförmig, erst nahe dem absoluten Nullpunkt wird es flüssig. Es ist die einzige Substanz, die selbst amabsoluten Nullpunkt (0 K bzw. −273,15 °C) unterNormaldruck nicht fest wird. NebenNeon ist Helium das einzige Element, für welches selbst unter Extrembedingungen bis jetzt keine Verbindungen nachgewiesen werden konnten, die nicht sofort nach der Bildung zerfallen sind. Helium kommt nuratomar vor.
Das häufigste stabileIsotop ist4He mit 99,9998(2) % Anteil; das einzige weitere stabile Isotop ist das auf der Erde extrem seltene3He mit 0,0002(2)% Anteil. Weitere exotische Isotope sind dieHalokerne6He und8He mit 2 bzw. 4 zusätzlichen Neutronen, die sich in einem unerwartet großen Abstand vom eigentlichen Atomkern aufhalten.Diproton (2He) ist ein hypothetisches Heliumisotop aus zwei Protonen und ohne Neutronen im Kern.
Das Verhalten der beidenflüssigen PhasenHelium I undHelium II (rsp.Helium-I undHelium-II) (insbesondere das Phänomen derSuprafluidität) von4He ist Gegenstand aktueller Forschungen auf dem Gebiet derQuantenmechanik. Flüssiges Helium ist ein unverzichtbares Hilfsmittel zur Erzielung tiefster Temperaturen. Diese sind unter anderem zur Kühlung von Infrarotdetektoren vonWeltraumteleskopen und zur Untersuchung von Eigenschaften wie derSupraleitung von Materie bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt erforderlich.
Helium ist nachWasserstoff das zweithäufigste Element im Universum und macht etwa ein Viertel der Gesamtmasse der Materie im Universum aus.[13] Nach anerkannter Theorie vereinigten sich rund zehn Sekunden nach demUrknall Protonen und Neutronen durchKernfusion zu erstenAtomkernen. Etwa 25 % der entstandenen Masse sind4He und Spuren von3He. Somit ist der größte Teil des Heliumsschon beim Urknall entstanden. Das später im Inneren von Sternen durch Fusion von Wasserstoff entstandene Helium fusionierte zum größten Teil weiter zu schwereren Elementen.
Auf der Erde wird4He in Form von Alphateilchen beimAlphazerfall verschiedener radioaktiver Elemente wieUran oderRadium gebildet. Helium entsteht daraus, wenn das Alphateilchen anderen Atomen zwei Elektronen entreißt. Der Großteil des auf der Erde vorhandenen Heliums ist daher nichtstellaren Ursprungs. Das so entstandene Helium sammelt sich in natürlichenErdgasvorkommen in Konzentrationen bis zu 16 Volumenprozent.[14] Daher kann Helium durchfraktionierte Destillation aus Erdgas gewonnen werden.
Erste Hinweise auf Helium entdeckte 1868 der französische AstronomJules Janssen bei Untersuchungen des Lichtspektrums derChromosphäre der Sonne, wobei er die bis dahin unbekannte gelbeSpektrallinie von Helium fand.
Das vollständige Spektrum derSonneDie Spektrallinien von Helium:[15] Besonders auffällig ist die gelbe Spektrallinie.Jules Janssen, erster Entdecker des HeliumsSpektrum einer Helium-Gasentladung
Hinweise auf das Element Helium erhielt man zum ersten Mal aufgrund einer hellen gelbenSpektrallinie bei einer Wellenlänge von 587,49 Nanometern im Spektrum derChromosphäre der Sonne. Diese Beobachtung machte der französische AstronomJules Janssen inIndien während der totalenSonnenfinsternis vom 18. August 1868. Als er seine Entdeckung bekannt machte, glaubte ihm zunächst niemand, da bislang noch nie ein neues Element im Weltall gefunden worden war, bevor der Nachweis auf der Erde geführt werden konnte. Am 20. Oktober desselben Jahres bestätigte der EngländerNorman Lockyer, dass die gelbe Linie tatsächlich imSonnenspektrum vorhanden ist, und schloss daraus, dass sie von einem bislang unbekannten Element verursacht wird. Da diese Spektrallinie sehr nahe (1,8 nm von der Mitte) derFraunhofer-Doppel-D-Linie (D2 = 589,00 nm, D1 = 589,60 nm) des Metalls Natrium lag, nannte er die Linie D3, um sie von den Linien D1 und D2 des Natriums zu unterscheiden. Er und sein englischer KollegeEdward Frankland schlugen vor, das neue Element Helium (von griechischhelios, Sonne) zu nennen.[13]
14 Jahre später, im Jahre 1882, gelang esLuigi Palmieri durch die Spektralanalyse vonVesuv-Lava erstmals, das Element Helium auch auf der Erde nachzuweisen.
Sir William Ramsay
Am 23. März 1895 gewann der britische ChemikerWilliam Ramsay Helium, indem er das Uran-MineralCleveit, eine Varietät desUraninits, mitMineralsäuren versetzte und das dabei austretende Gas isolierte.[16] Er war auf der Suche nach Argon, konnte jedoch die gelbe D3-Linie beobachten, nachdem erStickstoff und Sauerstoff von dem isolierten Gas getrennt hatte. Dieselbe Entdeckung machten fast gleichzeitig der britische PhysikerWilliam Crookes und die schwedischen ChemikerPer Teodor Cleve undNicolas Langlet inUppsala inSchweden. Diese sammelten ausreichende Mengen des Gases, um dessenAtommasse feststellen zu können.
Im Jahr 1903 gelang Ramsay erstmals die „Umwandlung“ von Radium in Helium.[17]
Während einer Ölbohrung inDexter inKansas wurde eine Erdgasquelle gefunden, deren Erdgas 12 Volumenprozent eines unbekannten Gases enthielt. Die amerikanischen ChemikerHamilton Cady undDavid McFarland derUniversität von Kansas fanden 1905 heraus, dass es sich dabei um Helium handelte. Sie publizierten eine Meldung, dass Helium aus Erdgas gewonnen werden kann. Im selben Jahr stelltenErnest Rutherford undThomas Royds fest, dassAlphateilchen Heliumkerne sind.
Die ersteVerflüssigung von Helium wurde 1908 vom niederländischen PhysikerHeike Kamerlingh Onnes durchgeführt, indem er das Gas auf eine Temperatur von unter 1 K kühlte. Festes Helium konnte er auch bei weiterem Abkühlen nicht erhalten, dies gelang erst 1926Willem Hendrik Keesom, einem Schüler Kamerlingh Onnes’, durch Komprimieren des Heliums auf 25 bar bei analoger Temperatur. Kamerlingh Onnes beschrieb zuerst das Phänomen suprafluider Flüssigkeiten, das alsOnnes-Effekt bekannt ist.
Im frühen 20. Jahrhundert wurden große Mengen Helium in Erdgasfeldern der amerikanischenGreat Plains gefunden, und damit wurden die Vereinigten Staaten zum führenden Weltlieferanten für Helium. Nach einem Vorschlag von SirRichard Threlfall förderte dieUS-Marine drei kleine experimentelle Heliumproduktionsbetriebe während desErsten Weltkrieges, um Helium als Füllgas fürSperrballone zu gewinnen. Eine Gesamtmenge von 5.700 Kubikmetern Gas mit einem Heliumanteil von 92 % wurde von diesen Betrieben gewonnen. Dieses Helium wurde 1921 im ersten heliumgefüllten Luftschiff benutzt, demC-7 der US-Navy.
Die Regierung der USA ließ 1925 die National Helium Reserve inAmarillo inTexas errichten, um eine Versorgung von militärischen Luftschiffen in Kriegszeiten undVerkehrsluftschiffen in Friedenszeiten zu sichern. Das Lager befindet sich in einer natürlichen Gesteinsformation 20 km nordwestlich von Amarillo. Obwohl die Nachfrage nach demZweiten Weltkrieg sank, wurde die Förderungsanlage in Amarillo erweitert, damit flüssiges Helium als Kühlmittel für Sauerstoff-Wasserstoff-Raketentreibstoff und andere zu kühlende Gegenstände bereitgestellt werden konnte. Der Heliumverbrauch der USA stieg im Jahr 1965 auf das Achtfache des Spitzenverbrauchs in Kriegszeiten.
Nachdem in den USA dieHelium Acts Amendments of 1960 (Public Law 86-777) beschlossen worden waren, wurden weitere fünf private Heliumförderanlagen errichtet. Das US-Minenministerium ließ dafür eine 685 Kilometer lange Pipeline vonBushton inKansas nach Amarillo in Texas bauen; dieses Lager enthielt 1995 rund eine Milliarde Kubikmeter Helium und 2004 etwa das Zehnfache des Weltjahresbedarfs an Helium. Bis 2015 sollte das Lager leer sein und aufgelöst werden (Helium Privatization Act).
Die Reinheit des gewonnenen Heliums stieg nach dem Zweiten Weltkrieg rasant an. Wurde 1945 noch eine Mischung von 98 % Helium und 2 % Stickstoff für Luftschiffe benutzt, konnte 1949 bereits Helium mit einer Reinheit von 99,995 % kommerziell vertrieben werden. Um diesenReinheitsgrad zu erreichen, istAktivkohle nötig, um verbliebene Verunreinigungen – meistens bestehend ausNeon – mittelsDruckwechsel-Adsorption zu entfernen.
Vorkommen
Weltall
Helium macht ungefähr 19 % von Neptuns äußeren Gasschichten aus. Neptuns Hauptbestandteil ist Wasserstoff; die blaugrüne Färbung entsteht durchMethan.
Nach derUrknalltheorie entstand der größte Teil des im Weltraum vorhandenen Heliums in den ersten drei Minuten nach dem Urknall. Helium ist nach Wasserstoff das zweithäufigste Element. 23 % der Masse dergewöhnlichen (baryonischen) Materie bestehen aus Helium, obwohlWasserstoffatome achtmal so häufig sind. Außerdem wird Helium durchKernfusion inSternen produziert. Dieses sogenannteWasserstoffbrennen liefert die Energie, die die Sterne auf derHauptreihe, also die Mehrheit aller Sterne, zum Leuchten bringt. Dieser Prozess liefert den Sternen die Energie für den größten Teil ihres Lebens. Wenn der größte Teil des Wasserstoffes am Ende des Lebens eines Sterns im Kern aufgebraucht ist, zieht sich der Kern zusammen und erhöht seine Temperatur. Außer bei Sternen geringer Masse (roten Zwergen) kann dadurch nun Helium zu Kohlenstoff verbrannt werden (Heliumflash,Heliumbrennen). In massereichen Sternen kann Kohlenstoff weiter zu schwereren Elementen verbrannt werden. Dieser Prozess kann sich bis zum Eisen fortsetzen. Bei einerSupernovaexplosion werden die erzeugten Elemente (einschließlich schwererer Elemente als Eisen, die durch die Explosion entstehen) im Weltraum verteilt. Im Verlauf der Zeit reichert sich dieinterstellare Materie dadurch mit Helium und schwereren Elementen an, sodass später daraus entstandeneSternpopulationen einen größeren Anteil an Helium und schwereren Elementen haben.
Auf Sternoberflächen und inNebeln kommt Helium vorwiegend neutral („He I“ in der Nomenklatur der Astronomie) oder einfach ionisiert („He II“) vor.
Helium ist in Planeten-Atmosphären in unterschiedlichen Anteilen vorhanden. Nachfolgend beispielhaft der bodennahe bzw. bei den Gasplaneten äußere Stoffmengenanteil:
Helium kann inMeteoriten und oberflächlichem Mondgestein auch durch Wechselwirkung (Spallation) mitKosmischer Strahlung erzeugt werden. Besonders3He kann deswegen benutzt werden, um das sogenannteBestrahlungsalter, welches meist dem Zeitraum vom Losschlagen des Meteoriten vom Mutterkörper bis zu seiner Ankunft auf der Erde entspricht, zu bestimmen. Daneben entsteht4He in Meteoriten durch Zerfall schwerer radioaktiver Elemente. Es gibt in Meteoriten weitere Heliumanteile, welche aus der Zeit der Entstehung des Sonnensystems stammen.
Der Hauptanteil des im Regolith des Mondes gebundenen Heliums stammt aus demSonnenwind, wenn er ungehindert durch eine Atmosphäre oder ein Magnetfeld auf die Oberfläche trifft. Etwa 4 % des Sonnenwindes sind Heliumionen, davon etwa 0,48 ‰ Helium-3. Die Heliumionen des Sonnenwindes haben eine Energie von etwa 3 keV, dringen in Feststoffe ein und verbleiben dort (sieheIonenimplantation). Helium ist wegen der geringen Ionen-Eindringtiefe (Sub-Mikrometerbereich) besonders im Feinanteil des Regolith an der Oberfläche und wegen der Durchmischung bis zu Tiefen von einigen Metern zu finden. Es ist besonders in Titanoxid-reichen, leitfähigen Mineralien (Ilmenit) verblieben. Es kommt hier in Konzentrationen bis zu 70 Masse-ppm vor. Etwa 100 ppm des im Mondgestein gebundenen Heliums ist das IsotopHelium-3, welches auf der Erde äußerst selten ist und dessen Verwendung in Fusionsreaktoren diskutiert wird.[18][19]
Erde
Helium-4 entsteht im Erdinneren durch radioaktivem Zerfall von im Wesentlichen Thorium-232 und Uran-238.
4He entsteht im Erdkörper beimradioaktiven α-Zerfall schwerer Elemente wie Uran oderThorium, wobei Helium-Kerne alsAlphateilchen ausgesandt werden und anschließend Elektronen einfangen. Es kann in verschiedenen uran- und thoriumhaltigen Mineralen wie derPechblende gefunden werden.
Aus der Entstehungszeit der Erde stammt ein Anteil von3He im Erdmantel, der weit über dem atmosphärischen Wert liegt, das sogenannte Mantelhelium; das4He/3He-Verhältnis liegt im oberen Erdmantel, der weitgehend entgast ist und dessen Heliumbestand daher im Wesentlichen durch4He aus Alpha-Zerfällen wiederaufgefüllt wird, bei etwa 86.000. Wenn das Konvektionssystem des unteren Erdmantels weitgehend von dem des oberen getrennt und der Massenaustausch zwischen beiden entsprechend gering ist, liegt das Verhältnis im unteren, kaum entgasten Mantel zwischen 2500 und 26.000, das heißt, der Anteil von3He ist höher. Von besonderem geodynamischem Interesse ist dies im Hinblick auf die Ursachen vonHotspot-Vulkanismus: während fürBasalte von mittelozeanischen Rücken, die durch Schmelzprozesse von Material des oberen Mantels entstehen,4He/3He = 86.000 typisch ist, sind Basalte von einigen Hotspots, zum Beispiel ozeanischen Vulkaninseln wie Hawaii und Island, rund drei- bis viermal3He-reicher. Dies wird gemeinhin damit erklärt, dass dieser Vulkanismus durchMantelplumes verursacht wird, deren Ursprung an der Kern-Mantel-Grenze liegt und die daher zumindest teilweise aus Material des unteren Erdmantels bestehen.
Helium-3 ist das Zerfallsprodukt vonTritium. Wasser in oberflächennahen Gewässern enthält aufgrund von Interaktion mit kosmischer Strahlung eine gewisse Menge Tritium, von welchem wiederum eine gewisse Menge zu Helium-3 zerfällt undausgast. Der größte Teil dieses Helium-3 geht jedoch letztlich in die Atmosphäre über und verliert sich anschließend im Weltall (siehe unten).
Helium kommt – durch den gleichen Mechanismus der Ansammlung – inErdgas (mit bis zu 16 Volumenprozent Anteil) und in geringen Mengen imErdöl (0,4 %) vor. Europäische Erdgasvorkommen enthalten dabei lediglich Anteile um 0,12 (Nordsee) bis 0,4 Volumenprozent (Polen), während in sibirischen, nordamerikanischen (Kanada, Texas, Kansas und Oklahoma) und algerischen Erdgasvorkommen bis zu 16 Volumenprozent möglich sind.[14]
In unteren Schichten derErdatmosphäre, besonders der vom Wetter durchmischtenTroposphäre beträgt der Heliumgehalt etwa 5,2 ppm. In sehr großer Höhe entmischen sich Gase tendenziell entsprechend ihrer unterschiedlichen Dichte auch entgegen der durchmischenden Wirkung der ungerichteten molekularen Wärmebewegung. Oberhalb 100 km Höhe (Homosphäre) liegt die Atmosphäre zunehmend entmischt vor, Helium wird so in Höhen >400 km, (teilchenanzahlmäßig) das vorherrschende Gas. Dabei entweichen Heliumatome in diesen Höhen in den Weltraum – im stationären Fall so viel, wie aus der Erdoberfläche durch Diffusion, Förderung und Vulkanismus nachgeliefert wird.
Menschen greifen in den Heliumhaushalt der Erde insofern ein, dass einerseits Vorkommen, welche ohne menschliches Zutun unterhalb gasdichter Schichten „gefangen“ gewesen wären, menschlicher Nutzung – und dadurch oft früher oder später der Atmosphäre – zugeführt werden, andererseits wird inKernreaktoren in vielfältiger Weise Helium „produziert“. Zum einen sind alleActinoide entweder Alphastrahler oderbetazerfallen zu Alphastrahlern. Hierbei sind die von Menschen produzierten Nuklide üblicherweise um Größenordnungen kurzlebiger als die primordialen Ausgangsnuklide Uran-235, Uran-238 und Thorium-232. Zum anderen entsteht durch vielfältige Vorgänge in diversen Reaktortypen Tritium, welches zu Helium-3 zerfällt. Obwohl Menschen seit Jahrzehnten Kernfusion in Form vonWasserstoffbomben und demFusor betreiben, ist der Effekt dieser menschlichen Aktivitäten auf die Menge irdischen Heliums vernachlässigbar, da hierbei bisher jeweils nur relativ geringe Mengen umgesetzt wurden. Sollte Menschen kontrollierte Kernfusion unter Energiegewinnung gelingen, könnte der Effekt auf Heliumvorkommen unter Umständen relevant sein, insbesondere wenn das besonders seltene Helium-3 als „Brennstoff“ verbraucht würde.
Gewinnung
Erdgas mit einem Heliumanteil ab 0,2 %[20] ist der größte und wirtschaftlich wichtigste Heliumlieferant. Da Helium eine sehr niedrige Siedetemperatur besitzt, ist es durch Herunterkühlen des Erdgases möglich, das Helium von den anderen im Erdgas enthaltenen Stoffen, wieKohlenwasserstoffen (vorwiegendMethan) undStickstoffverbindungen, zu trennen. Bei der Herstellung vonLNG zum internationalen Handel per Schiff erfolgt dieser Vorgang zwangsläufig, wodurch sich unter Umständen auch die Nutzung geringerer Helium-Konzentrationen lohnen kann.
Viele Jahre lang gewannen die USA über 90 % des kommerziell nutzbaren Heliums der Welt. Noch 1995 wurden in den USA insgesamt eine Milliarde Kubikmeter Helium gefördert. Der restliche Anteil wurde von Förderungsanlagen inKanada,Polen,Russland (wobei große Mengen in den unzugänglichen GebietenSibiriens liegen) und anderen Ländern geliefert. Nach der Jahrtausendwende kamenAlgerien undKatar dazu. Algerien konnte sich rasch zum zweitwichtigsten Heliumlieferanten entwickeln. 2002 stellte Algerien 16 % des in der Welt vertriebenen Heliums her, dieses wird dort bei der Erdgasverflüssigung gewonnen.
BeiAmarillo inTexas lagerte 2004 etwa das Zehnfache des Weltjahresbedarfs an Helium im sogenanntenCliffside Field. Diese ehemals strategische Reserve der US-amerikanischen Regierung hätte jedoch aufgrund desHelium Privatization Act der Clinton-Regierung aus dem Jahr 1996 bis 2015 an die Privatwirtschaft verkauft werden sollen. 2021 waren noch 85,7 Mio. m³ im Bundesspeicher vorhanden.[21]
Dadurch wurde zunächst eine Heliumschwemme mit sehr niedrigen Preisen verursacht, die für lange Zeit zu verschwenderischem Umgang führte. Weil der Verbrauch jedoch ständig steigt, droht Helium knapp zu werden und Anlagen zu seiner Wiedergewinnung wurden bei Großverbrauchern zunehmend in Betrieb genommen. Experten warnen sogar vor einem Heliummangel, da Helium nur aus einigen Erdgasvorkommen gewonnen werden kann.[22][23] Im Jahr 2016 wurde jedoch ein gewaltiges Helium-Vorkommen in Tansania entdeckt, so dass die Heliumkrise vorerst als abgewendet galt. Da ebenfalls die geologischen Bedingungen ermittelt werden konnten, unter denen sich Helium bildet, erhofft man sich weitere Funde in der Zukunft.[24] Im September 2019 wurde wieder auf eine drohende weltweite Heliumkrise hingewiesen.[25] DerUSGS kam bei seiner im Herbst 2021 veröffentlichten Untersuchung jedoch zum Ergebnis, dass die weltweiten Heliumreserven 39,8 Milliarden m³ betragen, davon 8,5 Milliarden m³ in den USA. Am 9. November 2021 wurde darum Helium in den USA von der Liste kritischer Rohstoffe gestrichen.[21]In Russland befindet sich ein auf 60 Mio. m³ Erzeugungskapazität ausgerichtetes Werk gerade in der Errichtung. Die erste von drei jeweils auf 20 Mio. m³ ausgelegten Produktionslinien ging im Herbst 2021 in Betrieb, die nächste sollte im Februar 2022 folgen.[21]
Die europäische Union hat Helium von derListe der kritischen Rohstoffe gestrichen. Dennoch kommt es immer wieder zu Versorgungsengpässen („Heliumkrise“).[26][27]Die weltweiten Heliummärkte gelten zudem als ausgesprochen intransparent.[28] Anfang des Jahres 2022 hatte sich der Heliumpreis weltweit verdoppelt, da die Nachfrage das Angebot deutlich überstieg. In mehreren Forschungslaboren mussten wegen Heliummangel Experimente abgebrochen werden. Lieferanten kürzten die Liefermengen um etwa 50 Prozent.[29]
Die weltweiten Erzeugermengen verteilen sich wie folgt:
DasIsotop3He ist nur zu etwa 1,4 ppm in natürlichem Helium der Erde enthalten und daher um ein Vielfaches teurer als das natürliche Isotopengemisch.
Erzeugung
Prinzipiell kann Helium inKernreaktionen gewonnen werden. Vielfach ist es dabei einKoppelprodukt oder eigentlich gänzlich unerwünscht. Helium-4 entsteht durch Neutronenbeschuss vonLithium-6 in einemKernreaktor; als Nebenprodukt entstehtTritium (überschwerer Wasserstoff). Tritium ist aufgrund seines deutlich höheren Preises zumeist das Hauptziel dieser Reaktion:
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Tritium zerfällt zu Helium-3 durchBetazerfall mit einer Halbwertszeit von 12,33 Jahren.
Lithium-7, das bei weitem häufigere Lithium-Isotop, kann auf zwei verschiedenen Wegen zu Helium umgesetzt werden, jedoch sind in beiden Fällen dieWirkungsquerschnitte relativ gering:
.
Der Beschuss von Lithium-7 mit Protonen wurde noch vor Entdeckung derKernspaltung in Uran als „smashing the atom“ (in etwa „Atome auseinander hauen“) bekannt.John Cockcroft undErnest Walton erhielten für dieses Experiment aus dem Jahr 1932 den Physiknobelpreis 1951.
Es werden sehr geringe Mengen von Helium-3 in mit Wassermoderierten Reaktoren erbrütet, wenn die im Wasser enthaltenen Wasserstoffatome Neutronen einfangen. Aus dem normalen Wasserstoff bildet sich dadurch Schwerer Wasserstoff (Deuterium) und daraus durch einen weiteren NeutroneneinfangTritium, das wiederum durch Betazerfall zu Helium-3 wird. Bei normalem Wasserstoff ist die Einfangrate höher als beim darauf folgenden Schritt des Neutroneneinfanges durch schweren Wasserstoff (deshalb können Kernkraftwerke,die Schweres Wasser als Moderator verwenden, auch mit Natururan betrieben werden):
In kanadischenCANDU-Reaktoren, bei denen schweres Wasser als Moderator und Primärkühlmittel Verwendung findet, ist die Produktion von Tritium derart bedeutsam, dass die aufwendige und teureIsotopentrennung lohnend ist, um Tritium bzw. dessen Zerfallsprodukt Helium-3 zu verkaufen.
Ein gewisser Anteil (etwa 0,2…0,4 % imthermischen Spektrum) der Kernspaltungen sindternary fission, das heißt, es entstehendrei positiv geladene Spaltprodukte. Hierbei handelt es sich häufig (in über 90 % der Fälle) um Alphateilchen (Helium-4-Kerne) und immer noch in gut 7 % der Fälle um Tritium.
Auch inDruckwasserreaktoren wird eine gewisse Menge Helium durch das Versetzen des Kühlwassers mitBorsäure erzeugt. Die Borsäure dient der Verringerung der Reaktivität durchNeutroneneinfang. Wegen des besserenWirkungsquerschnittes wird hierbei zumeist Bor-10 (10B) angereichert, welches in natürlichen Bor nur gut 20 % ausmacht. Trifft ein schnelles Neutron auf Bor-10 (10B), dann kann es passieren, dass dieses ein Neutron „losschlägt“ und Bor-9 (9B) entsteht. Dieses ist höchst instabil und zerfällt unter Abgabe eines Protons zu Beryllium-8 (8Be), welches im Vergleich zu zwei Alphateilchen energetisch höchst ungünstig ist und daher entsprechend schnell zerfällt. Die Bruttoreaktionsgleichung lautet daher:
Fängt Bor-11 (11B) ein Neutron ein, erfolgt in 99,6 % der Fälle der Betazerfall zu stabilem Kohlenstoff-12 (12C) in den verbleibenden 0,4 % der Fälle wird nach Abgabe eines Betateilchens analog zu oben über den Zwischenschritt Beryllium-8 (8Be) das Ausgangsmaterial in drei Alphateilchen umgesetzt.
Helium ist nach Wasserstoff das chemische Element mit der zweitgeringsten Dichte und besitzt die niedrigsten Schmelz- und Siedepunkte aller Elemente. Daher existiert es nur unter sehr tiefen Temperaturen als Flüssigkeit oder Feststoff. Bei Temperaturen unter 2,17 K liegt4He in einersuprafluiden Phase vor. Bei Normaldruck wird Helium selbst bei einer Temperatur nahe 0 K nicht fest. Erst bei einem Druck oberhalb 2,5 MPa (rund 25-facher Atmosphärendruck) geht Helium bei hinreichend tiefen Temperaturen in eine feste Phase über.
Im gasförmigen Zustand
Helium ist ein farbloses, geruchloses, geschmacksneutrales und ungiftiges Gas. UnterStandardbedingungen verhält sich Helium nahezu wie einideales Gas. Helium ist praktisch unter allen Bedingungen atomar. Ein Kubikmeter Helium hat bei Standardbedingungen eine Masse von 179 g,Luft ist dagegen etwa siebenmal so schwer. Helium weist nach Wasserstoff die größtethermische Leitfähigkeit unter allen Gasen auf und seinespezifische Wärmekapazität ist außergewöhnlich groß. Helium ist ein guter elektrischerIsolator. DieLöslichkeit von Helium in Wasser ist mit 1,5 mg/l[32] (9,3 ml/l) bei 20 °C und 101.325 kPa geringer als bei jedem anderen Gas. SeineDiffusionsrate durchFestkörper beträgt das Dreifache von Luft und ca. 65 Prozent von Wasserstoff.[33] Helium hat bei Standardbedingungen einen negativenJoule-Thomson-Koeffizienten, das heißt, dieses Gas erwärmt sich bei Ausdehnung. Erst unterhalb derJoule-Thomson-Inversionstemperatur (ca. 40 K bei Atmosphärendruck) kühlt es sich bei Expansion ab. Daher muss Helium unter diese Temperatur vorgekühlt werden, ehe es durch Expansionskühlung verflüssigt werden kann. Seine kritischen Daten sind ein Druck von 2,27 bar, eine Temperatur von −267,95 °C (5,2 K) und eine Dichte von 0,0696 g/cm3.[14]
Bei Normaldruck bildet Helium zwischen demLambdapunkt bei 2,1768 K und dem Siedepunkt bei 4,15 K eine farblose Flüssigkeit.
Helium II
Flüssiges4He entwickelt unterhalb seines Lambdapunktes sehr ungewöhnliche Eigenschaften. Helium mit diesen Eigenschaften wird alsHelium II bezeichnet.
Helium II ist einsuprafluider Stoff. So fließt es etwa durch kleinste Öffnungen in Größenordnungen von 10−7 bis 10−8 m und hat keine messbareViskosität. Jedoch konnte bei Messungen zwischen zwei sich bewegenden Scheiben eine Viskosität ähnlich der von gasförmigem Helium festgestellt werden. Dieses Phänomen wird mit dem Zwei-Fluid-Modell (rsp. Zwei-Flüssigkeiten-Modell) nachLászló Tisza erklärt. Laut dieser Theorie ist Helium II wie ein Gemisch aus4He-Teilchen im normalfluiden sowie im suprafluiden Zustand, demnach verhält sich Helium II so, als gäbe es einen Anteil an Heliumatomen mit und einen ohne messbarer Viskosität. Anhand dieser Theorie können viele Phänomene derTiefentemperaturphysik wie der „Thermomechanische Effekt“ relativ einfach und klar erklärt werden. Allerdings muss man deutlich darauf hinweisen, dass die zwei Flüssigkeiten weder theoretisch noch praktisch trennbar sind.[34] In Helium II konnten die vonLew Landau postuliertenRotonen als kollektive Anregungen nachgewiesen werden.
Helium II zeigt denOnnes-Effekt: Wenn eine Oberfläche aus dem Helium hinausragt, bewegt sich das Helium auf dieser Fläche gegen die Schwerkraft. Helium II entweicht auf diese Weise aus einem Behälter, der nicht versiegelt ist. Wenn es einen wärmeren Bereich erreicht, verdunstet es. Aufgrund dieses Kriechverhaltens und der Fähigkeit des Heliums II, selbst durch kleinste Öffnungen auszulaufen, ist es sehr schwierig, flüssiges Helium in einem begrenzten Raum zu halten. Es ist ein sehr sorgfältig zu konstruierender Behälter nötig, um Helium II aufzubewahren, ohne dass es entweicht oder verdunstet.
Die Wärmeleitfähigkeit von Helium II lässt sich nicht mit der klassischen Wärmeleitung vergleichen, sie weist eher Parallelen zum Wärmetransport mittels Konvektion auf. Dadurch ist ein schneller und effektiver Wärmetransport über weite Distanzen möglich, was bei klassischer Wärmeleitung selbst mit sehr guten Wärmeleitern nicht möglich ist. Diese Art der Leitung wird auch alszweiter Schall bezeichnet, da er genauso wie Schall durch eine longitudinaleWellengleichung beschrieben werden kann:Helium II bei 1,8 K leitet Wärme als Impuls mit einer Geschwindigkeit von 20 m/s.
1971 gelangDavid M. Lee,Douglas D. Osheroff undRobert C. Richardson, das Helium-Isotop3He ebenfalls in einen suprafluiden Zustand zu versetzen, indem sie das Isotop unter die Temperatur von 2,6 Milli-Kelvin abkühlten. Dabei geht man davon aus, dass zwei Atome3He ein Paar bilden, ähnlich einemCooper-Paar. Dieses Paar besitzt ein magnetisches Moment und einenDrehimpuls. Die drei Wissenschaftler erhielten für diese Entdeckung 1996 denNobelpreis für Physik.
In festem Zustand
Helium kann als einziger Stoff unter Normaldruck nicht verfestigt werden. Dies gelingt nur unter erhöhtem Druck (etwa 2,5 MPa/0 K bei Helium-4, 2,93 MPa/0,315 K bei Helium-3) und bei sehr niedriger Temperatur (weniger als 1,5 K). Der beimPhasenübergang entstehende, fast vollkommen durchsichtige Feststoff ist sehr stark komprimierbar. Im Labor kann dessen Volumen um bis zu 30 % verringert werden; Helium ist mehr als 50-mal leichter komprimierbar als Wasser. Im festen Zustand bildet es kristalline Strukturen aus. Festes und flüssiges Helium sind optisch kaum voneinander zu unterscheiden, da ihreBrechungsindizes fast gleich sind.
In einem anderen Fall kann bei Unterschreiten von etwa 200 mK und gleichzeitigem Zentrifugieren ein Zustand erreicht werden, dersuprasolid oder auch suprafest heißt.[35] Hierbei stoppt ein Teil des Feststoffes die eigene Rotation und durchdringt die restlichen Teile der Materie. Zu diesem teilweise umstrittenen Effekt gibt es noch keine bekannten Thesen oder Theorien.
Die zwei Elektronen des Heliumatoms bilden die abgeschlossene, kugelsymmetrische Elektronenschale des 1s-Atomorbitals. Diese Elektronenkonfiguration ist energetisch äußerst stabil, es gibt kein anderes Element mit einer höherenIonisierungsenergie und einer geringerenElektronenaffinität. Helium ist trotz seiner größeren Elektronenzahl kleiner als Wasserstoff und damit das kleinste Atom überhaupt.
Abhängig von der Spinorientierung der zwei Elektronen des Heliumatoms spricht man vomParahelium im Falle von zwei einander entgegengerichteten Spins (S = 0) und vonOrthohelium bei zwei parallelen Spins (S = 1). Beim Orthohelium befindet sich eines der Elektronen nicht im 1s-Orbital, da dies dasPauli-Verbot verletzen würde.
Die Benennung dieser Zustände geht auf einen früheren Irrtum zurück: Da der elektromagnetische Übergang zwischen dem Grundzustand des Orthoheliums und dem Grundzustand des Paraheliums (also dem Helium-Grundzustand)verboten ist, erscheinen die beiden „Varianten“ des Heliums spektroskopisch wie zwei unterschiedliche Atome. Dies führte dazu, dassCarl Runge undLouis Paschen postulierten, Helium bestehe aus zwei getrennten Gasen, Orthohelium („richtiges Helium“) und Parahelium (für das sie den Namen Asterium vorschlugen).
Neben der Elektronenkonfiguration des Orthoheliums können die Elektronen – zum Beispiel durch Beschuss mit Elektronen – weitere angeregte Zustände einnehmen. Diese langlebigen angeregten Zustände werden als metastabileEnergieniveaus bezeichnet.
Chemische Eigenschaften
Helium ist einEdelgas. Die einzige Elektronenschale ist mit zwei Elektronen voll besetzt. Beide Elektronen sind durch die räumliche Nähe zum Atomkern sehr stark an diesen gebunden. Nicht zuletzt deswegen ist Helium selbst im Vergleich zu anderen Edelgasen ausgesprochen reaktionsträge. Das zeigt sich auch an den hohen Ionisierungsenergien des Heliumatoms.
Helium-Dimer
Wie anhand des Molekülorbital-Schemas ersichtlich wird, bilden Helium-Atome untereinander keinechemische Bindung. Beim Helium ist das 1s-Orbital mit einem Elektronenpaar besetzt. Bei der Kombination zweier dieser voll besetztenAtomorbitale (a) und (b) ist sowohl das bindende als auch das antibindendeMolekülorbital mit je einem Elektronenpaar besetzt. Bei den sich (hypothetisch) ausbildenden Bindungsorbitalen wird der energetisch günstigere, sog. bindende Zustand durch den ebenfalls besetzten, aber energetisch ungünstigeren Antibindenden kompensiert. Das Gesamtsystem liegt energetisch nicht niedriger, und es kommt keineBindung zustande.
Orbitalbesetzung eines hypothetischen He2-Moleküls
Aufgrund der für alle Atome und Moleküle wirksamenVan-der-Waals-Wechselwirkung existiert jedoch bei Helium einDimer, allerdings mit einer äußerst kleinen Bindungsenergie von ca. 1,1 mK (kBT = 1,52 · 10−26 J, kBT/e = 9,5 · 10−8 eV)[36] und einem entsprechend großen Bindungsabstand von ca. 52 Å.[37]
Ionische Bindungen
Unter extremen Bedingungen ist es möglich, eine quasichemische Verbindung von Helium mit einem Proton (HeH+) zu erzeugen. Diese Verbindung ist beiNormalbedingungen sehr instabil und kann nicht in Form einesSalzes wie HeH+X− isoliert werden.
In einem Gemisch aus Helium und Wasserstoff bildet sich während einer elektrischen Entladung einHeliumhydrid-Ion
Eine entsprechende Reaktion kann zwischen zwei Helium-Atomen ablaufen, wenn die zur Ionisierung notwendige Energie zugeführt wird.
Diese Verbindungen können aber nicht als wirkliche chemische Verbindungen bezeichnet werden, sondern eher als ionische Agglomerationen, die unter Ausnahmebedingungen entstehen, nur sehr kurz bestehen und sehr rasch wieder zerfallen.
Isotope
Verschiedene Eigenschaften der stabilen Heliumisotope
Von den acht bekanntenIsotopen des Heliums (mit jeweils 2 Protonen und 1 bis 8 Neutronen) sind lediglich3He und4He stabil. In der Erdatmosphäre existiert pro Million4He-Atome nur ein3He-Atom. Jedoch variiert die Proportion der beiden Isotope je nach dem Herkunftsort der untersuchten Heliumprobe. Im interstellaren Medium sind3He-Atome hundertmal so häufig. In Gesteinen der Erdkruste und des Erdmantels liegt die Proportion ebenfalls weit über dem atmosphärischen Wert und variiert je nach Herkunft um den Faktor 10. Diese Variationen werden in der Geologie benutzt, um die Herkunft des Gesteines zu klären (siehe auch AbschnittErde).
3He und4He weisen aufgrund der unterschiedlichen Symmetrieeigenschaften (3He-Atome sindFermionen,4He-Atome sindBosonen) einige unterschiedliche physikalische Eigenschaften auf, die sich insbesondere bei tiefen Temperaturen zeigen. So trennen sich gleiche Anteile von flüssigem3He und4He unter 0,8 Kelvin aufgrund ihrer unterschiedlichen Quanteneigenschaften in zwei unmischbare Flüssigkeiten, ähnlich Öl und Wasser. Dabei schwimmt eine Phase aus reinem3He auf einer Phase, die hauptsächlich aus4He besteht. Weiterhin unterscheiden sich die zwei Isotope deutlich in ihren suprafluiden Phasen (siehe AbschnittHelium II).
Kernfusion
In Ankündigungen neuer Raumfahrt-Missionen der USA, Russlands und Chinas, weiterhin auch Europas, Indiens und Japans zumMond wurden mehrfach die dortigen anteilig größeren Vorkommen von3He als lohnende Quelle genannt, umKernfusionsreaktoren auf Basis dieses Isotops auf der Erde zu ermöglichen. Im Gegensatz zurDeuterium-Tritium-Fusionsreaktion liefert die Deuterium-3He-Reaktion bei ähnlich großem Energiegewinn keine freienNeutronen, sondernProtonen. Dies würde dieRadioaktivitätsprobleme der Fusionsenergiegewinnung dramatisch verringern. Andererseits ist die Herbeiführung dieser Reaktion wegen der nötigen viel höheren Plasmatemperatur eine noch ungelöste technische Herausforderung.[38]
Hypothetisches Diproton
Ein fiktives Isotop des Heliums ist2He, dessen Kern, dasDiproton, kein Neutron enthielte, sondern lediglich aus zwei Protonen bestünde. Für ein System aus zwei Protonen gibt es jedoch keinen gebundenen Zustand, da sich diese wegen desPauli-Prinzips – im Gegensatz zum Proton und Neutron beimDeuteron – nur in einemSingulett-Zustand mit antiparallelen Spins befinden dürfen. Auf Grund der starken Spinabhängigkeit der Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung ist dieser aber energetisch angehoben und daher nicht gebunden.
Das im Großhandel angebotene Helium stammt weltweit aus Großanlagen in fünf Ländern (USA,Russland,Polen,Katar undAlgerien[20]), die Gewinnung von Helium erfolgt aus Erdgas.
Ausgeliefert im BereichTechnische Gase wird Helium in Form von verdichtetem Gas in Druckflaschen mit 200 bar Druck und Reinheitsgraden von Helium 4.6 (99,996 % Heliumanteil) bis zu hochreinem Helium 7.0 (99,99999 % Heliumgehalt).[39] Stahlflaschen mit typisch 10–50 Liter Volumen enthalten bei 200 bar nur 1,8 bis 9,1 Normkubikmeter Helium, da es sich bei 200 bar schon deutlichnichtideal verhält. Größere Mengen werden in Paletten zu je zwölf Flaschen oder Flaschenbündeln zu ebenfalls je zwölf 50-Liter-Flaschen geliefert. Noch größere Mengen kommen tiefkalt flüssig in Kryo-Sattelaufliegern oderTube Trailern mit typisch zehn 12 m langen Rohren gefüllt mit etwa 200 bar Helium, in Summe 5000 Normkubikmeter.[40]
Helium wird tiefkalt verflüssigt in Kryo-Schiffen transportiert, etwa von einer Produktionsstätte in Afrika zu einem Hafen westlich nahe beiMarseille. Helium für Endverbraucher wird im Handel mit geringer Reinheit von ca. 98 % bis über 99 % primär in Form von Einweggasflaschen als „Ballongas“ angeboten, um damit auf Veranstaltungen und Feiern einfach und gefahrlos kleinere Mengen von Luftballons aufblasen und aufsteigen lassen zu können.[41] Ballongas kann grundsätzlich auch alsTraggas für größere Ballone wieWetterballone eingesetzt werden, ist aber im Vergleich zuWasserstoff in dieser Anwendung teurer.
Helium wird vielseitig verwendet:
Helium-Sauerstoff-Gemisch (80:20) dient in der Intensivmedizin als Atemgas. Das Gemisch strömt mit geringerem Widerstand durch Verengungen und lässt sich daher leichter atmen.
Beim professionellenTauchen werden verschiedene Gemische mit Helium wieTrimix (bestehend aus Sauerstoff, Stickstoff und Helium),Hydreliox (Wasserstoff, Helium und Sauerstoff) undHeliox (Helium und Sauerstoff) alsAtemgas verwendet. Nachteilig wirkt sich hier die hohe Wärmekapazität des Heliums aus, was (bei kalter Umgebung) zum Auskühlen der Lunge und damit des Tauchers führt.[42][43]
Helium ist ein bevorzugtesTraggas fürBallons undLuftschiffe, denn es hat eine im Vergleich zu Luft sehr geringe Dichte, brennt nicht und kann daher gefahrlos mit Luft vermischt werden. Helium hat deshalb den brennbarenWasserstoff, der mit Luft explosiv entzündliche Mischungen bildet, weitgehend verdrängt, auch wenn die Dichte von Helium höher und damit seine Tragkraft etwas niedriger als die des Wasserstoffs ist. Allerdings ist aufgrund der hohen Diffusionsrate die Anforderung an die Dichtheit der Hülle höher als bei allen anderen Gasen.
In derSchweißtechnik wird Helium in Reinform oder als Zumischung alsInertgas eingesetzt, um die Schweißstelle vorSauerstoff zu schützen. Zudem lässt sich mit Helium die Einbrenntiefe und die Schweißgeschwindigkeit steigern sowie die Bildung von Spritzern verringern, insbesondere bei Roboterschweißungen und bei der Verarbeitung vonAluminium und rostfreien Stählen.
Technisch wird verflüssigtes Helium (die Isotope4He und3He) alsKühlmittel zum Erreichen sehr tieferTemperaturen eingesetzt (siehe dazu:Kryostat). Mit4He lassen sich durch Verdampfungskühlen Temperaturen bis etwa 1 K erreichen, mit dem Isotop3He bis etwa 240 mK.[45] Mit dem Verfahren der3He-4He-Mischungskühlung werden bis etwa 5 mK erreicht,[45] wobei dieses Verfahren deutlich kostengünstiger als eine reine3He-Kühlung ist. Beim Einsatz vonsupraleitendenMagneten dient Helium als Kühlmittel, um damit denSupraleiter unter seinerSprungtemperatur zu halten. Praktische Anwendungen sind hier besonders dieKernspintomographie (MRT) für medizinische Anwendungen sowie dieMagnetresonanzspektroskopie (MRS) und der Betrieb vonTeilchenbeschleunigern in der Forschung. In der Raumfahrt kühlt flüssiges Helium Infrarotteleskope und die hochempfindlichen Infrarotkameras in Weltraumteleskopen, die nur nahe dem Absoluten Nullpunkt ohne zu stark störende Eigenwärme arbeiten können. Beispiele sindIRAS, dasSpitzer- und dasJames-Webb-Weltraumteleskop. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Herstellung vonoptischen Glasfasern in heliumgekühlten Falltürmen.
Komprimiertes Heliumgas kann als Kühlmittel eingesetzt werden, insbesondere dort, wo ein chemisch wie auch kernphysikalisch besonders inertes Kühlmittel benötigt wird. Kernphysikalisch inert ist allerdings nur die Hauptkomponente4He, während3He durch thermische Neutronen leicht in radioaktivesTritium überführt wird. Als Beispiel sei derThorium-Hochtemperaturreaktor (kurz: THTR) genannt, wo das Helium bei sehr hohen Temperaturen verwendet wurde. Zu beachten ist, dass Helium zwar eine hohe spezifische, aber eine niedrige molareWärmekapazität besitzt. Dies ist insbesondere bei geschlossenen Apparaturen problematisch, da es im Falle eines Temperaturanstiegs (zum Beispiel bei Stromausfall) schnell zu einer massiven Druckerhöhung kommt. Als nachteilig bei der Anwendung als Kühlmittel hat sich die (wie bei allen Gasen) mit steigender Temperatur zunehmende Viskosität von Helium erwiesen, da das die Kühlung heißer Bereiche verschlechtern kann.
DieSuche nach Undichtigkeiten in Druckgasarmaturen wird durch eine Befüllung mit Helium erleichtert. Außen an der Druckarmatur wird einLecksuchspray aufgebracht. Helium dringt besonders leicht durch Leckstellen und erzeugt deutlichere Schaumblasen als das Betriebsgas.
Bei Vakuumanlagen wird Helium als diffusionsfreudigstes Lecksuchgas eingesetzt, indem die Vakuumapparatur mit einer Pumpe evakuiert wird und einMassenspektrometer hinter die Pumpe gehängt wird. Wird nun die Apparatur – außen, nur lokal um Leckstellen zu finden – mit Helium angeblasen, kann mit Hilfe des Massenspektrometers ein eventueller Heliumeintritt in die Apparatur detektiert und dieLeckrate gemessen werden. Diese rasche und empfindliche Lecksuchmethode wird an Chemieanlagen und bei der Fertigung von Wärmetauschern fürKlimaanlagen oder Benzintanks für Autos benutzt.
Helium wird in Gasform in derRaketentechnik eingesetzt, um bei pumpgeförderten Flüssigtreibstoffraketen den verbrauchten Treibstoff zu ersetzen, damit die dünnwandigen Treibstofftanks der Raketen nicht implodieren, wenn der Treibstoff von den Treibstoffpumpen der Triebwerke aus den Tanks gesaugt wird. Bei druckgasgeförderten Flüssigtreibstoffraketen drückt Helium den Treibstoff in die Triebwerke. Helium wird hier wegen seines niedrigen Gewichtes und seiner niedrigen Siedetemperatur benutzt. Da es als Edelgas nicht mit dem Treibstoff reagieren kann, stellen auch aggressivehypergolischeTreibstoffe kein Problem dar.
Helium wird als Hilfsgas in verschiedenen Lasertypen eingesetzt, zum Beispiel demHelium-Neon-Laser, demHelium-Cadmium-Laser sowie einiger Typen desKohlendioxidlasers. Es dient als Stoßpartner zur An- oder Abregung der Laserniveaus der eigentlichen aktiven Lasermedien.
Aufgrund seiner thermodynamischen Eigenschaften ist Helium ein sehr gutes Arbeitsmedium fürStirlingmotoren.
Hyperpolarisiertes3He wird in derDiagnostik versuchsweise als Kontrastmittel für kernspintomografische Aufnahmen der Lunge verwendet.
Durch Verwendung von Helium statt Druckluft zum Antrieb konntenDruckluftschrauber beim Radwechsel imFormel-1-Automobilsport bei einem bestimmten Druck um 30 % schneller betrieben werden. Um Kosten zu vermeiden, wurde dies 2012 per Reglement verboten.[46][47]
BeiFestplattenlaufwerken reduziert die Füllung mit Helium statt Luft Strömungseffekte und Vibrationen im Betrieb und erlaubt so kleinere Abstände der einzelnen Magnetscheiben voneinander. Bei gleicher Baugröße können dadurch mehr Magnetscheiben untergebracht und die Speicherkapazität der Festplatte dadurch erhöht werden.[48]
Gefahren
Helium alsInertgas ist ungiftig. Größeren Mengen gasförmigen Heliums können durch Verdrängen des Luftsauerstoffs erstickend wirken. Die Unfallzahlen sind durch die geringe Dichte gering, da es sofort aufsteigt und sich nicht in Mulden sammelt. Potentielle Gefahrenbereiche können Ansammlungen von Heliumgas in nach oben dichten baulichen Strukturen sein, beispielsweise Dachstühle, unter denen sich eine „Heliumblase“ bilden kann.[49]
Beim Hantieren mit Flüssig-Helium (UN-Nummer UN 1963) ist die Verwendung von Schutzkleidung notwendig, um Erfrierungen durch Kontakt zu verhindern. Die Gefahr geht im Wesentlichen von tiefgekühlten Behältern, Apparaturen und Armaturen bzw. durch die Vorkühlung durchLN2 aus, da Flüssig-Helium selbst nur eine extrem geringe Kühlleistung (220 ml LHe hat die Kühlleistung von 1 ml LN2) hat. EineSchutzbrille schützt die Augen oder einVisier das ganze Gesicht, dichte Handschuhe einer gewissen Dicke und mit Stulpe die Hände. Weitere Gefahren gehen durch Vereisung und damit verbundene Verstopfung und Explodieren von Leitungen und Gefäßen aus.
Heliumdruckgasbehälter – meist nahtloseStahlzylinder für 200 bar Hochdruck oder aber geschweißte (oft: Einweg-)Flaschen – stehen unter hohem Druck. Ihr Erhitzen über den Richtwert von 60 °C oder Kontakt mit Feuer ist strikt zu vermeiden. Denn einerseits steigt der Innendruck mit der Temperatur und andererseits nimmt die Festigkeit der Stahlwandung ab, sodass ein sehr energisches Platzen des Gefäßes droht. Auch das Abreißen des Ventils, etwa wenn eine Flasche ohne Schutzkappe fällt, oder das Brechen einerBerstscheibe lösen einen Gasstrahl mit gefährlichen Folgen aus.
Sonstiges
Befindet sich im Bereich des Nasen-Rachen-Raumes statt Luft ein Helium-Luft-Gemisch, klingt die menschliche Stimme erheblich höher. (Populär wird dieser Effekt „Micky-Maus-Stimme“ genannt, die allerdings durch schnelleres Abspielen vonTonband, also Erhöhungaller Frequenzen (und des Tempos) um einen bestimmten Faktor erzielt wurde.) Die Klangfarbe einer Stimme hängt dagegen von der Lage derFormanten im Mundraum ab, die durch Faktoren wie Zungen- und Lippenstellung beeinflusst werden. (Formanten sind diejenigen Frequenzbereiche, die am stärksten durchResonanzwirkung verstärkt werden.) Diese Formanten hängen auch von der Schallgeschwindigkeitc im entsprechenden Medium ab (Luft: 353 m/s, Helium: 1011 m/s)[50]. Beträgt zum Beispiel die Lage der ersten drei Formanten in Luft 220, 2270 und 3270 Hz, so ändert sich dies in (reinem) Helium zu 630, 6500 und 9360 Hz. Dadurch ergibt sich ein anderes Stimmbild und die Stimme erscheint insgesamt höher, selbst wenn die Höhe desStimmtones durch Helium unverändert bliebe. Einen ähnlichen Effekt gibt es, wenn ein (anfangs nur luftgefülltes) Blasinstrument mit Helium angeblasen wird.
↑Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, auswebelements.com (Helium) entnommen.
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