Elemente im Fokus: Helium Understand article

Author(s): Melissa Lord
Translator(s): Simone Heber

Helium: Gas der Ehrfurcht, des Staunens und der Sorge. Ist es Zeit, diesem Edelgas den Respekt zu erweisen, den es verdient?

Bunte Heliumballons vor einem blauen Himmel
Release of helium balloons
Helen Warren/Wikimedia, CC BY-SA 2.5

Helium: Solch ein inspirierendes Gas. Das zweithäufigste Element im Universum, das Material der Sterne, ist weniger dicht als Luft. Wenn man also einen Heliumballon loslässt, steigt er in die Luft. Einen Schluck Helium einzuatmen kann dich klingen lassen wie Donald Duck; der Grund dafür liegt in den Stimmbändern und der Geschwindigkeit von Schall in Helium. Aber versuch das nicht zu Hause: Es bringt ein potentiell tödliches Risiko mit sich.[1]

Was wissen wir über Helium? Woher bekommen wir es? Wofür benutzen wir es? Wie sieht unsere zukünftige Beziehung zu diesem unreaktiven und faszinierenden Gas aus?

Entdeckung

Das Wort Helium kommt von Helios, dem griechischen Gott der Sonne, weil das Element eigentlich auf der Sonne entdeckt wurde, bevor es auf der Erde bekannt war. Das Spektrum der Sonnenkorona, der „Krone“ aus heißem Gas, die die glühende Oberfläche der Sonne umgibt, wurde während einer Sonnenfinsternis 1868 analysiert.

Die Sonnenkorona während der totalen Sonnenfinsternis am 21. August 2017. Die Korona wird vom Magnetfeld der Sonne geformt.
Ein Bild der Korona der Sonne während der totalen Sonnenfinsternis am 21. August 2017. Das weiße Glühen der Korona wird vom Magnetfeld der Sonne geformt.
ESO/P. Horálek/Solar Wind Sherpas project

Verschiedene Elemente absorbieren verschiedene Farben des Lichts, was eine Art „Barcode“ für die unterschiedlichen anwesenden Elemente darstellt.

Das sichtbare Farbspektrum mit den charakteristischen Absorptionsbanden der Sonne, die von Elementen verursacht werden, welche verschiedene Wellenlängen absorbieren.
Das Spektrum der Sonne zeigt die charakteristischen „Barcodes“, die von verschiedenen Elementen verursacht werden, die Photonen (Licht) spezifischer Energien absorbieren.
Public domain

Zusätzlich zu den Barcodes bekannter Elemente wie Wasserstoff und Natrium fand Jules Janssen aus Frankreich einen Satz von Linien, die zu keinem bekannten Element passten, und Norman Lockyer aus England schloss daraus, dass die Sonne ein der Erde unbekanntes Element enthalten musste, welchem er den Namen Helium gab.

Fakten über Helium

  • Name des Elements: Helium
  • Symbol: He
  • Ordnungszahl: 2
  • Relative Atommasse: 4,00
  • Dichte: 0.178×10–3 g/cm3 bei Raumtemperatur – nur Wasserstoff hat eine geringere Dichte
  • Siedepunkt: -269 °C oder 4 Kelvin, der niedrigste aller Materialien
  • Gruppe des Periodensystems: 18 (Edelgase)
  • Häufigkeit in der Erdkruste: 2-6 Teile pro Million – auf der gefährdeten Liste.

1881 wurde das gleiche Muster in einem Gas aus dem Vesuv in Italien entdeckt. Schließlich wurde Helium aufgefangen: Ein unreaktives Gas mit sehr geringer Dichte, welches sich zu Argon, Xenon und Krypton gesellte. 1902 fügte Mendeleev seinem Periodensystem eine neue Spalte für diese „Edelgase“ hinzu.    

Woher bekommen wir unser Helium?

Helium ist das zweithäufigste Element im Universum; es entstand während dem Urknall und ist massenhaft in Sternen vorhanden, welche Energie durch die Fusion von Wasserstoffkernen freisetzen und dabei Helium produzieren. Das Helium der Erde entsteht jedoch durch Alpha-Zerfall in der Erdkruste. Radioaktive Elemente wie Uran strahlen Alpha-Partikel ab; diese sind Heliumkerne. Diese doppelt positiv geladenen Alpha-Partikel sammeln ein paar Elektronen ein und schon haben wir sie: Heliumatome.

Alpha-Zerfall, welcher die Ausstrahlung eines Alpha-Partikels bestehend aus zwei Neutronen und zwei Protonen mit sich bringt
Alpha-Zerfall produziert Alpha-Partikel oder Heliumkerne. Rot = Protonen, blau = Neutronen.
Public Domain

Die sehr kleinen Heliumatome finden ihren Weg durch Lücken zwischen den Teilchen von durchlässigen Gesteinen, daher tritt Helium über Millionen von Jahren aus der Erde aus. Es gibt nur sehr wenige seltene Quellen von Heliumgas, das unter undurchlässigem Gestein eingeschlossen ist.

Eine Heliumquelle, in welcher eine Gaskappe aus Helium unter einer undurchlässigen Gesteinsschicht eingeschlossen ist
Eine Heliumgas-Antiklinale (Heliumquelle).
Originalveröffentlichung von Physics World. © IOP Publishing. Mit freundlicher Genehmigung reproduziert

Beispiele findet man in Qatar, den USA, Russland und Algerien. Manche davon werden schon erschöpft und bei anderen ist die Versorgung aus geopolitischen Gründen unzuverlässig. Die größte Quelle wird auf circa das Siebenfache des jährlichen globalen Verbrauchs [2] geschätzt und die geschätzten Gesamtreserven der USA könnten uns für 20 Jahre versorgen. Aber Helium ist ein Element; wir können nicht mehr davon synthetisieren und wir haben schon die Ansammlungen von Millionen, wenn nicht Milliarden, Jahren dieses wertvollen Gases verbraucht, und das in nur wenigen Jahrzehnten.

Helium ist einzigartig unter den leichten Elementen, da es ein Produkt der Erde ist und nicht eine Ablagerung von Sternen, die ihr vorangingen. Das gesamte Helium der Erde entstand während ihrer eigenen Geschichte.

Wohin verschwindet Helium?

Warum haben Millionen Jahre der Heliumfreisetzung aus Gestein der Erde keine Heliumatmosphäre gegeben? Heliumatome haben eine geringe Masse, und sind daher Teilchen, die sich schnell in der Luft bewegen. Alle Heliumatome, die hoch und schnell genug sind, können der Schwerkraft der Erde entfliehen: Der Erde entweicht Helium ins Weltall.

Was macht Helium so nützlich?

A medical MRI Scanner
Ein medizinisches MRT-Gerät
Jan Ainali/Wikipedia, CC-BY-3.0

Die größte Anwendung für Helium ist die Kältetechnik. Flüssiges Helium ist ein „magisches Ticket“ in Richtung der absoluten Null, der niedrigsten möglichen Temperatur. Helium kondensiert bei -269 °C (4 K), bei dieser Temperatur werden die meisten Metalle Supraleiter und lassen elektrischen Strom mit null Widerstand fließen. Daher ist Helium wesentlich, wann immer sehr starke Elektromagneten gebraucht werden.  

Ein Beispiel sind Magnetresonanztomographie (MRT)-Systeme. Diese machen zum Beispiel Bänderrisse, Tumoren und Herzfehler ohne operative Eingriffe sichtbar, wodurch die medizinische Diagnostik transformiert wurde. Sie sind für ungefähr 30-35 % des jährlich global verbrauchten Heliums verantwortlich,[3,4] aber sie sind in vielen Teilen der Erde noch selten, also wird dieser Bedarf steigen. Kennst du jemanden, der einen MRT Scan hatte, möglicherweise einen lebensrettenden? Der wäre ohne Helium nicht möglich gewesen.

In der wissenschaftlichen Forschung kennen wir die Strukturen von Proteinen und anderen komplexen Molekülen dank der Kernspinresonanz (NMR)-Spektrometer, den Cousins der MRT-Systeme. Teilchenbeschleuniger wie die am CERN, dem Geburtsort des „world-wide-web“ und dem Ort der Jagd auf das Higgs Boson, sind ebenfalls von großen, heliumgekühlten Elektromagneten abhängig, um geladene Teilchen zu lenken. 

Zwei LHC Magneten mit dem Flüssigheliumsystem, das zur Kühlung der Magneten gebraucht wird
Elektromagneten, bevor sie am Large Hadron Collider, CERN, zusammengeschlossen werden. Das Heliumkühlsystem ist sichtbar.
Copyright: CERN

Als Edelgas ist Helium auch inert, weshalb es nützlich ist für Anwendungen, bei denen eine nicht-reaktive Atmosphäre benötigt wird, zum Beispiel für eine bestimmte Art des Schweißens und zum Ausspülen reaktiverer Substanzen aus Produktionslinien. Die Halbleiterherstellung für Elektronik hängt wegen seiner inerten Natur und seinen Fluideigenschaften von Helium ab.[5]

Die chemische Trägheit von Helium macht es auch ungiftig. Tiefseetaucher benutzen Helium in ihrem Atemgasgemisch, um die Stickstoffabsorption ins Blut während ihrer tiefen Tauchgänge zu reduzieren. Im Blut gelöster Stickstoff kann Blasen bilden, wenn der Taucher auftaucht, was die schmerzhafte Dekompressionskrankheit auslöst, die tödlich sein kann.

Schlussendlich bedeutet die geringe Größe von Heliumatomen auch, dass das Gas seinen Weg durch Lücken der atomaren Größenordnung findet, weshalb es in Forschung und Industrie nützlich ist, um Lecks zu suchen.

Helium: Ein gefährdetes Element?

Wir haben also ein Problem. Das moderne Leben hängt von einem Element ab, dass nicht nur endlich vorkommt, sondern auch von der Erde entweicht, und dessen Nutzung die Reserven der Erde schnell übersteigt. Radioaktiver Zerfall in der Erde produziert mehr davon, während du diesen Artikel liest, aber mit einer Geschwindigkeit, die winzig ist im Vergleich zum Tempo, mit dem wir es verbrauchen.

Helium ist ein Schlüsselelement in unseren Leben, aber wie verbreitet ist dieses Wissen? Braucht es eine bessere Presse zusätzlich zu der wissenschaftlichen Kampagne[6] für seine Konservierung, Recycling und Wiederbenutzung?

Eine Version des Periodensystems, die Elemente hervorhebt, bei denen das Risiko besteht, dass sie uns ausgehen.
Elemente in Gefahr: Diese Version des Periodensystems hebt die Elemente hervor, bei denen wir Gefahr laufen, dass sie uns ausgehen. Beachte, dass Helium in der roten (höchstes Risiko) Kategorie ist 
EuChemS, CC-BY-ND

Gleichzeitig werden 17 % des globalen Verbrauchs[4] darauf verwendet, Ballons zu füllen. Ein wertvolles und wichtiges Gas geht ans Weltall verloren und die Ballons fallen als Müll wieder herunter und stellen eine Gefahr für die Tierwelt dar.[7] Sollten wir das ethisch nochmal überdenken? Sind Partyballons wirklich eine ernsthafte Heliumknappheit für zukünftige Generationen wert?[8]

Danksagung

Die Autorin war inspiriert, diesen Artikel zu schreiben, nachdem sie eine leidenschaftliche Vorlesung von Professor David Cole-Hamilton besucht hatte, dem Autor der „Elemente in Gefahr“-Version des Periodensystems.

References

[1] Ein Artikel in The Times über Todesfälle durch Helium-Missbrauch im United Kingdom: https://www.thetimes.co.uk/article/more-than-500-deaths-are-linked-to-helium-misuse-226h83spt.

[2] Ein Zeitungsartikel über die Entdeckung einer Heliumquelle: https://www.ox.ac.uk/news/2016-06-28-huge-helium-discovery-life-saving-find.

[3] Olafsdottir AH, Sverdrup HU (2020) Assessing the Past and Future Sustainability of Global Helium Resources, Extraction, Supply and Use, Using the Integrated Assessment Model WORLD7. Biophysical Economics and Sustainability 5:6. doi: 10.1007/s41247-020-00072-5.

[4] Mehr Details über den Gebrauch von Helium in einer Tabelle aus Quelle [3].

[5] Die Nutzung von Helium in der Elektronik in einem Special Feature von gasworld: https://www.linde-gas.com/en/images/Gasworld%20Helium%20in%20Electronics%20January%202016_tcm17-419249.pdf.

[6] Ein YouTube Video, welches Bewusstsein für Heliumerhaltung schafft: https://youtu.be/sHXu65zbpx8.

[7] Ein Artikel der Royal Society of Chemistry über Helium und andere gefährdete Elemente: https://www.rsc.org/news-events/opinions/2019/jan/elements-in-danger/.

[8] Die Website der US-Kampagne gegen die Freisetzung von Heliumballons und den Missbrauch von Helium: https://balloonsblow.org/.

Resources

Author(s)

Melissa Lord war viele Jahre lang Physiklehrerin und Leiterin der Wissenschaften an der Altrincham Girls‘ Grammar School bei Manchester. Sie ist regionale Repräsentantin des Ogden Trust, einer UK-Wohltätigkeitsorganisation, die die Lehre und das Lernen der Physik unterstützt, und leitet außerdem die New Teacher Subject Days der Physik für the PTI, einer Wohltätigkeitsorganisation, die Fachwissen-Trainings für Lehrer anbietet. Sie ist Treuhänderin am Catalyst Science Discovery Centre und Museum in Widnes, Cheshire, und arbeitet ehrenamtlich beim Sustainability Physics for Schools-Projekt.

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