Helium

Helium, ₂He ⓘ
Helium
Aussprache	/ˈhiːliəm/ (HEE-lee-əm)
Erscheinungsbild	farbloses Gas, das in einem elektrischen Feld einen grauen, trüben (bei besonders hoher Spannung auch rötlich-orangen) Schimmer zeigt
Standard-Atomgewicht Ar°(He)	4.002602±0.000002; 4,0026±0,0001 (verkürzt);
Helium im Periodensystem
	Wasserstoff ← Helium → Lithium
Ordnungszahl (Z)	2
Gruppe	Gruppe 18 (Edelgase)
Periode	Periode 1
Block	s-Block
Elektronen-Konfiguration	1s2
Elektronen pro Schale	2
Physikalische Eigenschaften
Phase bei STP	Gas
Schmelzpunkt	0,95 K (-272,20 °C, -457,96 °F) (bei 2,5 MPa)
Siedepunkt	4.222 K (-268.928 °C, -452.070 °F)
Dichte (bei STP)	0,1786 g/L
in flüssigem Zustand (bei m.p.)	0,145 g/cm3
wenn flüssig (bei BSP)	0,125 g/cm3
Tripelpunkt	2.177 K, 5.043 kPa
Kritischer Punkt	5,1953 K, 0,22746 MPa
Schmelzwärme	0,0138 kJ/mol
Verdampfungswärme	0,0829 kJ/mol
Molare Wärmekapazität	20,78 J/(mol-K)
Atomare Eigenschaften
Oxidationsstufen	0
Elektronegativität	Pauling-Skala: keine Daten
Ionisierungsenergien	1.: 2372.3 kJ/mol ; 2.: 5250,5 kJ/mol ; ;
Kovalenter Radius	28 pm
Van-der-Waals-Radius	140 pm
	Spektrallinien von Helium
Andere Eigenschaften
Natürliches Vorkommen	primordial
Kristallstruktur	hexagonal dicht gepackt (hcp)
Schallgeschwindigkeit	972 m/s
Wärmeleitfähigkeit	0,1513 W/(m⋅K)
Magnetische Ordnung	diamagnetisch
Molare magnetische Suszeptibilität	-1,88×10-6 cm3/mol (298 K)
CAS-Nummer	7440-59-7
Geschichte
Namensgebung	nach Helios, dem griechischen Gott der Sonne
Entdeckung	Pierre Janssen, Norman Lockyer (1868)
Erste Isolierung	William Ramsay, Per Teodor Cleve, Abraham Langlet (1895)
Hauptisotope von Helium
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Helium (aus dem Griechischen: ἥλιος, romanisiert: helios, wörtl. 'Sonne') ist ein chemisches Element mit dem Symbol He und der Ordnungszahl 2. Es ist ein farbloses, geruchloses, geschmackloses, ungiftiges, inertes, einatomiges Gas und das erste in der Edelgasgruppe des Periodensystems. Sein Siede- und Schmelzpunkt ist der niedrigste unter allen Elementen. Es ist das zweitleichteste und zweithäufigste Element im beobachtbaren Universum (Wasserstoff ist das leichteste und häufigste). Sein Anteil an der Gesamtmasse der Elemente beträgt etwa 24 %, das ist mehr als das Zwölffache der Masse aller schwereren Elemente zusammen. Seine Häufigkeit ist sowohl in der Sonne als auch im Jupiter ähnlich hoch, was auf die sehr hohe Kernbindungsenergie (pro Nukleon) von Helium-4 im Vergleich zu den nächsten drei Elementen nach Helium zurückzuführen ist. Diese Bindungsenergie von Helium-4 ist auch der Grund dafür, dass es ein Produkt sowohl der Kernfusion als auch des radioaktiven Zerfalls ist. Das meiste Helium im Universum ist Helium-4, von dem der größte Teil während des Urknalls entstand. Große Mengen an neuem Helium entstehen durch die Kernfusion von Wasserstoff in Sternen. ⓘ

Helium wurde erstmals als unbekannte, gelbe Spektrallinie im Sonnenlicht während einer Sonnenfinsternis im Jahr 1868 von Georges Rayet, Captain C. T. Haig, Norman R. Pogson und Lieutenant John Herschel entdeckt und anschließend vom französischen Astronomen Jules Janssen bestätigt. Janssen wird häufig gemeinsam mit Norman Lockyer für die Entdeckung des Elements verantwortlich gemacht. Janssen zeichnete die Helium-Spektrallinie während der Sonnenfinsternis von 1868 auf, während Lockyer sie von Großbritannien aus beobachtete. Lockyer war der erste, der vorschlug, dass die Linie auf ein neues Element zurückzuführen sei, das er auch benannte. Die offizielle Entdeckung des Elements erfolgte 1895 durch die Chemiker Sir William Ramsay, Per Teodor Cleve und Nils Abraham Langlet, die Helium aus dem Uranerz Cleveit entdeckten, das heute nicht als eigenständige Mineralart, sondern als eine Varietät des Uraninits angesehen wird. Im Jahr 1903 wurden große Heliumvorkommen in Erdgasfeldern in Teilen der Vereinigten Staaten gefunden, die heute der bei weitem größte Lieferant des Gases sind. ⓘ

Flüssiges Helium wird in der Kryotechnik (mit etwa einem Viertel der Produktion der größte Einzelverwendungszweck) und zur Kühlung supraleitender Magnete verwendet, wobei die wichtigste kommerzielle Anwendung in Kernspintomographen liegt. Die anderen industriellen Verwendungszwecke von Helium - als Druck- und Spülgas, als Schutzatmosphäre beim Lichtbogenschweißen und in Prozessen wie der Kristallzucht zur Herstellung von Siliziumwafern - machen die Hälfte der Gasproduktion aus. Ein bekannter, aber unbedeutender Einsatz ist die Verwendung als Traggas in Ballons und Luftschiffen. Wie bei jedem Gas, dessen Dichte sich von derjenigen der Luft unterscheidet, verändert das Einatmen einer kleinen Menge Helium vorübergehend die Klangfarbe und Qualität der menschlichen Stimme. In der wissenschaftlichen Forschung ist das Verhalten der beiden flüssigen Phasen von Helium-4 (Helium I und Helium II) wichtig für Forscher, die sich mit Quantenmechanik (insbesondere mit der Eigenschaft der Suprafluidität) und mit Phänomenen wie der Supraleitung beschäftigen, die in Materie nahe dem absoluten Nullpunkt auftreten. ⓘ

Auf der Erde ist es relativ selten - 5,2 ppm nach Volumen in der Atmosphäre. Der größte Teil des heute auf der Erde vorhandenen Heliums entsteht durch den natürlichen radioaktiven Zerfall schwerer radioaktiver Elemente (Thorium und Uran, aber es gibt auch andere Beispiele), da die von solchen Zerfällen ausgesandten Alphateilchen aus Helium-4-Kernen bestehen. Dieses radiogene Helium ist in Erdgas in Konzentrationen von bis zu 7 Volumenprozent enthalten, aus dem es kommerziell durch ein Niedrigtemperatur-Trennverfahren, die so genannte fraktionierte Destillation, gewonnen wird. Terrestrisches Helium ist eine nicht erneuerbare Ressource, denn sobald es in die Atmosphäre gelangt, entweicht es sofort in den Weltraum. Es wird davon ausgegangen, dass sein Vorrat schnell abnimmt. Einige Studien deuten jedoch darauf hin, dass sich Helium, das tief in der Erde durch radioaktiven Zerfall entsteht, in größeren als den erwarteten Mengen in Erdgasreserven ansammeln kann, die in einigen Fällen durch vulkanische Aktivitäten freigesetzt wurden. ⓘ

Helium bleibt bis zu sehr tiefen Temperaturen gasförmig, erst nahe dem absoluten Nullpunkt wird es flüssig. Es ist die einzige Substanz, die selbst am absoluten Nullpunkt (0 K bzw. −273,15 °C) unter Normaldruck nicht fest wird. Neben Neon 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 nur atomar vor. Das häufigste stabile Isotop ist ⁴He; ein weiteres stabiles Isotop ist das auf der Erde extrem seltene ³He. ⓘ

Geschichte

Der erste Nachweis von Helium wurde am 18. August 1868 in Form einer hellen gelben Linie mit einer Wellenlänge von 587,49 Nanometern im Spektrum der Chromosphäre der Sonne beobachtet. Die Linie wurde vom französischen Astronomen Jules Janssen während einer totalen Sonnenfinsternis in Guntur, Indien, entdeckt. Zunächst wurde angenommen, dass es sich bei dieser Linie um Natrium handelt. Am 20. Oktober desselben Jahres beobachtete der englische Astronom Norman Lockyer eine gelbe Linie im Sonnenspektrum, die er D₃ nannte, weil sie in der Nähe der bekannten D₁- und D₂-Fraunhofer-Linien des Natriums lag. Er schloss daraus, dass sie von einem auf der Erde unbekannten Element in der Sonne verursacht wurde. Lockyer und der englische Chemiker Edward Frankland benannten das Element nach dem griechischen Wort für Sonne, ἥλιος (helios). ⓘ

Spektrallinien von Helium ⓘ

1881 entdeckte der italienische Physiker Luigi Palmieri Helium auf der Erde zum ersten Mal durch seine D₃-Spektrallinie, als er ein Material analysierte, das bei einem kürzlichen Ausbruch des Vesuvs sublimiert worden war. ⓘ

Sir William Ramsay, der Entdecker des irdischen Heliums ⓘ

Die Cleveit-Probe, aus der Ramsay erstmals Helium reinigte ⓘ

Am 26. März 1895 isolierte der schottische Chemiker Sir William Ramsay Helium auf der Erde, indem er das Mineral Cleveit (eine Uraninit-Variante mit mindestens 10 % Seltenerdelementen) mit Mineralsäuren behandelte. Ramsay suchte eigentlich nach Argon, doch nachdem er Stickstoff und Sauerstoff aus dem durch Schwefelsäure freigesetzten Gas abgetrennt hatte, bemerkte er eine helle gelbe Linie, die mit der im Spektrum der Sonne beobachteten D₃-Linie übereinstimmte. Diese Proben wurden von Lockyer und dem britischen Physiker William Crookes als Helium identifiziert. Unabhängig davon wurde es im selben Jahr von den Chemikern Per Teodor Cleve und Abraham Langlet in Uppsala (Schweden) aus Cleveit isoliert, die genug von dem Gas sammelten, um sein Atomgewicht genau zu bestimmen. Helium wurde auch von dem amerikanischen Geochemiker William Francis Hillebrand vor Ramsays Entdeckung isoliert, als er bei der Untersuchung einer Probe des Minerals Uraninit ungewöhnliche Spektrallinien feststellte. Hillebrand ordnete die Linien jedoch dem Stickstoff zu. Sein Glückwunschschreiben an Ramsay ist ein interessantes Beispiel für eine Entdeckung oder Beinahe-Entdeckung in der Wissenschaft. ⓘ

1907 wiesen Ernest Rutherford und Thomas Royds nach, dass Alphateilchen Heliumkerne sind, indem sie die Teilchen die dünne Glaswand einer evakuierten Röhre durchdringen ließen und dann eine Entladung in der Röhre erzeugten, um das Spektrum des neuen Gases im Inneren zu untersuchen. 1908 wurde Helium erstmals von der niederländischen Physikerin Heike Kamerlingh Onnes verflüssigt, indem sie das Gas auf weniger als 5 K (-268,15 °C; -450,67 °F) abkühlte. Er versuchte, es durch weitere Temperatursenkung zu verfestigen, scheiterte jedoch, da Helium bei Atmosphärendruck nicht erstarrt. Onnes' Schüler Willem Hendrik Keesom gelang es schließlich 1926, 1 cm³ Helium zu verfestigen, indem er zusätzlichen Druck von außen ausübte. ⓘ

1913 veröffentlichte Niels Bohr seine "Trilogie" über die Atomstruktur, die eine erneute Betrachtung der Pickering-Fowler-Reihe als zentralen Beweis für sein Atommodell enthielt. Diese Reihe ist nach Edward Charles Pickering benannt, der 1896 Beobachtungen von bis dahin unbekannten Linien im Spektrum des Sterns ζ Puppis veröffentlichte (heute weiß man, dass diese Linien auch bei Wolf-Rayet und anderen heißen Sternen auftreten). Pickering führte die Beobachtung (Linien bei 4551, 5411 und 10123 Å) auf eine neue Form von Wasserstoff mit halbzahligen Übergangsstufen zurück. Im Jahr 1912 gelang es Alfred Fowler, ähnliche Linien in einem Wasserstoff-Helium-Gemisch zu erzeugen, und er bestätigte Pickerings Schlussfolgerung hinsichtlich ihres Ursprungs. Bohrs Modell lässt keine halb-ganzzahligen Übergänge zu (ebenso wenig wie die Quantenmechanik), und Bohr kam zu dem Schluss, dass Pickering und Fowler falsch lagen, und ordnete diese Spektrallinien stattdessen ionisiertem Helium, He⁺, zu. Fowler war zunächst skeptisch, war aber schließlich überzeugt, dass Bohr Recht hatte, und bis 1915 hatten "die Spektroskopiker [die Pickering-Fowler-Reihe] definitiv [von Wasserstoff] auf Helium übertragen". Bohrs theoretische Arbeit an der Pickering-Reihe hatte gezeigt, dass "eine erneute Untersuchung von Problemen, die im Rahmen der klassischen Theorien bereits gelöst schienen", notwendig war, und lieferte eine wichtige Bestätigung für seine Atomtheorie. ⓘ

Im Jahr 1938 entdeckte der russische Physiker Pjotr Leonidowitsch Kapiza, dass Helium-4 bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt fast keine Viskosität aufweist, ein Phänomen, das heute als Suprafluidität bezeichnet wird. Dieses Phänomen ist mit der Bose-Einstein-Kondensation verwandt. Im Jahr 1972 wurde das gleiche Phänomen von den amerikanischen Physikern Douglas D. Osheroff, David M. Lee und Robert C. Richardson bei Helium-3 beobachtet, allerdings bei Temperaturen, die viel näher am absoluten Nullpunkt liegen. Es wird angenommen, dass das Phänomen in Helium-3 mit der Paarbildung von Helium-3-Fermionen zu Bosonen zusammenhängt, analog zu den Cooper-Paaren von Elektronen, die Supraleitung erzeugen. ⓘ

Das vollständige Spektrum der Sonne ⓘ

Spektrum einer Helium-Gasentladung ⓘ

Während einer Ölbohrung in Dexter in Kansas wurde eine Erdgasquelle gefunden, deren Erdgas 12 Volumenprozent eines unbekannten Gases enthielt. Die amerikanischen Chemiker Hamilton Cady und David McFarland der Universität 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 stellten Ernest Rutherford und Thomas Royds fest, dass Alphateilchen Heliumkerne sind. ⓘ

Im frühen 20. Jahrhundert wurden große Mengen Helium in Erdgasfeldern der amerikanischen Great Plains gefunden, und damit wurden die Vereinigten Staaten zum führenden Weltlieferanten für Helium. Nach einem Vorschlag von Sir Richard Threlfall förderte die US-Marine drei kleine experimentelle Heliumproduktionsbetriebe während des Ersten Weltkrieges, um Helium als Füllgas für Sperrballone zu gewinnen. Eine Gesamtmenge von 5.700 Kubikmeter Gas mit einem Heliumanteil von 92 % wurde von diesen Betrieben gewonnen. Dieses Helium wurde 1921 im ersten heliumgefüllten Luftschiff benutzt, dem C-7 der US-Navy. ⓘ

Die Regierung der USA ließ 1925 die National Helium Reserve in Amarillo in Texas errichten, um eine Versorgung von militärischen Luftschiffen in Kriegszeiten und Verkehrsluftschiffen in Friedenszeiten zu sichern. Das Lager befindet sich in einer natürlichen Gesteinsformation 20 km nordwestlich von Amarillo. Obwohl die Nachfrage nach dem Zweiten 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 das Helium Acts Amendments of 1960 (Public Law 86-777) beschlossen worden war, wurden weitere fünf private Heliumförderanlagen errichtet. Das US-Minenministerium ließ dafür eine 685 Kilometer lange Pipeline von Bushton in Kansas 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 soll 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 diesen Reinheitsgrad zu erreichen, ist Aktivkohle nötig, um verbliebene Verunreinigungen – meistens bestehend aus Neon – mittels Druckwechsel-Adsorption zu entfernen. ⓘ

Vorkommen

Weltall

Helium macht ungefähr 19 % von Neptuns äußeren Gasschichten aus. Neptuns Hauptbestandteil ist Wasserstoff; die blaugrüne Färbung entsteht durch Methan. ⓘ

Nach der Urknalltheorie entstand der größte Teil des heute im Weltraum vorhandenen Heliums in den ersten drei Minuten nach dem Urknall. Helium ist nach Wasserstoff das zweithäufigste Element. 23 % der Masse der gewöhnlichen (baryonischen) Materie bestehen aus Helium, obwohl Wasserstoffatome achtmal so häufig sind. Außerdem wird Helium durch Kernfusion in Sternen produziert. Dieses sogenannte Wasserstoffbrennen liefert die Energie, die die Sterne auf der Hauptreihe, 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 fortgesetzen. Bei einer Supernovaexplosion werden die erzeugten Elemente (einschließlich auch schwererer Elemente als Eisen, die durch die Explosion entstehen) im Weltraum verteilt. Im Verlauf der Zeit reichert sich die interstellare Materie dadurch mit Helium und schwereren Elementen an, sodass später daraus entstandene Sternpopulationen auch einen größeren Anteil an Helium und schwereren Elementen haben. ⓘ

Auf Sternoberflächen und in Nebeln kommt Helium vorwiegend neutral („He I“ in der Nomenklatur der Astronomie) oder einfach ionisiert („He II“) vor. ⓘ

Helium ist auch in Planeten-Atmosphären in unterschiedlichen Anteilen vorhanden. Nachfolgend beispielhaft der bodennahe bzw. bei den Gasplaneten äußere Stoffmengenanteil:

Neptun	019 % ± 3,2 % ⓘ
Uranus	15,2 % ± 3,3 %
Jupiter	10,2 %
Saturn	03,25 %
Venus	00,0012 % (12 ppm)
Erde	00,00052 % (5,2 ppm)

Meteoriten, Asteroiden und Mond

Helium kann in Meteoriten und oberflächlichem Mondgestein auch durch Wechselwirkung (Spallation) mit Kosmischer Strahlung erzeugt werden. Besonders ³He kann deswegen benutzt werden, um das sogenannte Bestrahlungsalter, welches meist dem Zeitraum vom Losschlagen des Meteoriten vom Mutterkörper bis zu seiner Ankunft auf der Erde entspricht, zu bestimmen. Daneben entsteht ⁴He in Meteoriten durch Zerfall schwerer radioaktiver Elemente. Auch gibt es in Meteoriten weitere Heliumanteile, welche aus der Zeit der Entstehung des Sonnensystems stammen. ⓘ

Der Hauptanteil des auch im Regolith des Mondes gebundenen Heliums stammt aus dem Sonnenwind, 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 (siehe Ionenimplantation). 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 Isotop Helium-3, welches auf der Erde äußerst selten ist und dessen Verwendung in Fusionsreaktoren diskutiert wird. ⓘ

Erde

Die Erde produziert Helium durch radioaktive Vorgänge im Erdinneren. ⓘ

⁴He entsteht im Erdkörper beim radioaktiven Zerfall (Alphazerfall) schwerer Elemente wie Uran oder Thorium, wobei Helium-Kerne als Alphateilchen ausgesandt werden und anschließend Elektronen einfangen. Es kann in verschiedenen uran- und thoriumhaltigen Mineralen wie der Pechblende gefunden werden. ⓘ

Aus der Entstehungszeit der Erde stammt ein Anteil von ³He im Erdmantel, der weit über dem atmosphärischen Wert liegt, das sogenannte Mantelhelium; das ⁴He/³He-Verhältnis liegt im oberen Erdmantel, der weitgehend entgast ist und dessen Heliumbestand daher im Wesentlichen durch ⁴He 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 von ³He ist höher. Von besonderem geodynamischem Interesse ist dies im Hinblick auf die Ursachen von Hotspot-Vulkanismus: während für Basalte 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 viermal ³He-reicher. Dies wird gemeinhin damit erklärt, dass dieser Vulkanismus durch Mantelplumes verursacht wird, deren Ursprung an der Kern-Mantel-Grenze liegt und die daher zumindest teilweise aus Material des unteren Erdmantels bestehen. ⓘ

Helium-3 ist auch das Zerfallsprodukt von Tritium. 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 und ausgast. 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 – in Erdgas (mit bis zu 16 Volumenprozent Anteil) und in geringen Mengen im Erdöl (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. ⓘ

In unteren Schichten der Erdatmosphäre, besonders der vom Wetter durchmischten Troposphäre 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 in Kernreaktoren in vielfältiger Weise Helium „produziert“. Zum einen sind alle Actinoide entweder Alphastrahler oder betazerfallen 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 auch Kernfusion in Form von Wasserstoffbomben und dem Fusor 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 % 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, wie Kohlenwasserstoffen (vorwiegend Methan) und Stickstoffverbindungen, zu trennen. Bei der Herstellung von LNG zum internationalen Handel per Schiff erfolgt dieser Vorgang zwangsläufig, wodurch unter Umständen auch weniger lohnenswerte Helium-Konzentrationen wirtschaftlich gewinnbar werden können. ⓘ

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 in Kanada, Polen, Russland (wobei große Mengen in den unzugänglichen Gebieten Sibiriens liegen) und anderen Ländern geliefert. Nach der Jahrtausendwende kamen Algerien und Katar dazu. Algerien konnte sich rasch zum zweitwichtigsten Heliumlieferanten entwickeln. 2002 stellte Algerien 16 % des Heliums her, das in der Welt vertrieben wurde. Das Helium wird dort im Zuge der Erdgasverflüssigung gewonnen. ⓘ

Bei Amarillo in Texas lagerte 2004 etwa das Zehnfache des Weltjahresbedarfs an Helium im sogenannten Cliffside Field. Diese ehemals strategische Reserve der US-amerikanischen Regierung muss jedoch aufgrund des Helium Privatization Act der Clinton-Regierung aus dem Jahr 1996 bis 2015 an die Privatwirtschaft verkauft werden. 2021 waren noch 85,7 Mio. m³ im Bundesspeicher vorhanden. ⓘ

Dadurch wurde zunächst eine Heliumschwemme mit sehr niedrigen Preisen verursacht, die zu verschwenderischem Umgang führte und lange Zeit keine Maßnahmen zur Sparsamkeit aufkommen ließ. Weil der Verbrauch jedoch ständig steigt, droht Helium knapp zu werden, und Anlagen zur Wiedergewinnung des Heliums wurden bei Großverbrauchern zunehmend in Betrieb genommen. Experten warnen sogar vor einem Heliummangel, da Helium nur aus einigen Erdgasvorkommen gewonnen werden kann. Im Jahr 2016 wurde jedoch ein gewaltiges Helium-Vorkommen in Tansania entdeckt, so dass die Heliumkrise vorerst als abgewendet gilt. Da ebenfalls die geologischen Bedingungen ermittelt werden konnten, unter denen sich Helium bildet, erhofft man sich weitere Funde in der Zukunft. Im September 2019 wurde wieder auf eine drohende weltweite Heliumkrise hingewiesen. Die US-amerikanische USGS kam bei ihrer 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. 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. ⓘ

Die weltweiten Erzeugermengen verteilen sich wie folgt:

Land	2019	2020 ⓘ
	(in Millionen m³)
Vereinigte Staaten	89 (davon 21 aus Cliffside-Speicher)	83 (davon 7 aus Cliffside-Speicher)
Algerien	14	14
Australien	4	4
Kanada	<1	<1
Volksrepublik China		1
Polen	1	1
Katar	45	51
Russland	5	5
Gesamt (gerundet)	160	160

Das Isotop ³He 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 auch in Kernreaktionen gewonnen werden. Vielfach ist es dabei ein Koppelprodukt oder eigentlich gänzlich unerwünscht. Helium ⁴He entsteht durch Neutronenbeschuss von Lithium ⁶Li in einem Kernreaktor; als Nebenprodukt entsteht Tritium ³H (überschwerer Wasserstoff). Tritium ist aufgrund seines deutlich höheren Preises zumeist das Hauptziel dieser Reaktion:

\mathrm {{}^{6}Li+n\ \rightarrow \ {}^{3}H+{}^{4}He}

ⓘ

Tritium zerfällt zu ³He durch Betazerfall 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 die Wirkungsquerschnitte relativ gering. ⓘ

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Der Beschuss von Lithium-7 mit Protonen wurde noch vor Entdeckung der Kernspaltung in Uran als „smashing the atom“ (in etwa „Atome auseinander hauen“) bekannt. John Cockcroft und Ernest Walton erhielten für dieses Experiment aus dem Jahr 1932 den Physiknobelpreis 1951. ⓘ

Auch werden sehr geringe Mengen von Helium ³He in mit Wasser moderierten 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 Neutroneneinfang Tritium, das wiederum durch Betazerfall zu Helium ³He 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):

\mathrm {{}_{1}^{1}H\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{1}^{2}H\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{1}^{3}H\ {\xrightarrow[{12{,}33\ a}]{\beta ^{-}}}\ _{2}^{3}He}

Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten. ⓘ

In kanadischen CANDU-Reaktoren, bei denen schweres Wasser als Moderator und Primärkühlmittel Verwendung findet, ist die Produktion von Tritium derart bedeutsam, dass die aufwendige und teure Isotopentrennung lohnend ist, um Tritium bzw. dessen Zerfallsprodukt Helium-3 zu verkaufen. ⓘ

Ein gewisser Anteil (etwa 0,2-0,4 % im thermischen Spektrum) der Kernspaltungen sind auch so genannte :en:ternary fission, das heißt, es entstehen drei 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 in Druckwasserreaktoren wird eine gewisse Menge Helium durch das Versetzen des Kühlwassers mit Borsäure erzeugt. Die Borsäure dient der Verringerung der Reaktivität durch Neutroneneinfang. Wegen des besseren Wirkungsquerschnittes wird hierbei zumeist ¹⁰B angereichert, welches in natürlichen Bor nur gut 20 % ausmacht. Trifft ein schnelles Neutron auf ¹⁰B kann es passieren, dass dieses ein Neutron „los schlägt“ und ⁹B entsteht. Dieses ist höchst instabil und zerfällt unter Abgabe eines Protons zu ⁸Be, welches im Vergleich zu zwei Alphateilchen energetisch höchst ungünstig ist und daher entsprechend schnell zerfällt. Die Bruttoreaktionsgleichung lautet daher: Fehler beim Parsen (Syntaxfehler): {\displaystyle \ce{ ^10B + n -> 2 ^4He + p + 2n [https://de.wikipedia.org/wiki/Helium#Erzeugung ⓘ] }}

Fängt ¹¹B ein Neutron ein, erfolgt in 99,6 % der Fälle der Betazerfall zu stabilem ¹²C in den verbleibenden 0,4 % der Fälle wird nach Abgabe eines Betateilchens analog zu oben über den Zwischenschritt ⁸Be das Ausgangsmaterial in drei Alphateilchen umgesetzt. ⓘ

Fehler beim Parsen (Syntaxfehler): {\displaystyle \ce{ ^11B + n -> 3 ^4He + e- [https://de.wikipedia.org/wiki/Helium#Erzeugung ⓘ] }}

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Phasendiagramm von ⁴He:
hcp: hexagonal-dichteste Kugelpackung
bcc: kubisch-raumzentriertes Kristallsystem ⓘ

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 liegt ⁴He in einer suprafluiden 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. Unter Standardbedingungen verhält sich Helium nahezu wie ein ideales 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 größte thermische Leitfähigkeit unter allen Gasen auf und seine spezifische Wärmekapazität ist außergewöhnlich groß. Helium ist ein guter elektrischer Isolator. Die Löslichkeit von Helium in Wasser ist mit 1,5 mg/l (9,3 ml/l) bei 20 °C und 101.325 kPa geringer als bei jedem anderen Gas. Seine Diffusionsrate durch Festkörper beträgt das Dreifache von Luft und ca. 65 Prozent von Wasserstoff. Helium hat bei Standardbedingungen einen negativen Joule-Thomson-Koeffizienten, das heißt, dieses Gas erwärmt sich bei Ausdehnung. Erst unterhalb der Joule-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. ⓘ

Helium-Gasentladungsröhren verschiedener Bauformen ⓘ

Im flüssigen Zustand

Helium I

Bei Normaldruck bildet Helium zwischen dem Lambdapunkt bei 2,1768 K und dem Siedepunkt bei 4,15 K eine farblose Flüssigkeit. ⓘ

Helium II

Flüssiges Helium unterhalb seines Lambda-Punktes (Helium II genannt) weist sehr ungewöhnliche Eigenschaften auf. Aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit bildet es beim Sieden keine Blasen, sondern verdampft direkt an der Oberfläche. Helium-3 hat ebenfalls eine supraflüssige Phase, allerdings nur bei sehr viel niedrigeren Temperaturen; daher ist über die Eigenschaften dieses Isotops weniger bekannt. ⓘ

A cross-sectional drawing showing one vessel inside another. There is a liquid in the outer vessel, and it tends to flow into the inner vessel over its walls.

Im Gegensatz zu gewöhnlichen Flüssigkeiten kriecht Helium II an Oberflächen entlang, um ein gleiches Niveau zu erreichen; nach kurzer Zeit gleichen sich die Niveaus in den beiden Behältern an. Der Rollin-Film bedeckt auch das Innere des größeren Behälters; wäre er nicht versiegelt, würde das Helium II herauskriechen und entweichen. ⓘ

Helium II ist ein Superfluid, ein quantenmechanischer Zustand (siehe: makroskopische Quantenphänomene) der Materie mit seltsamen Eigenschaften. Wenn es beispielsweise durch Kapillaren mit einer Dicke von 10-7 bis 10-8 m fließt, hat es keine messbare Viskosität. Bei Messungen zwischen zwei sich bewegenden Scheiben wurde jedoch eine Viskosität beobachtet, die mit der von gasförmigem Helium vergleichbar ist. Die aktuelle Theorie erklärt dies mit dem Zwei-Fluid-Modell für Helium II. Nach diesem Modell enthält flüssiges Helium unterhalb des Lambda-Punktes einen Anteil von Heliumatomen im Grundzustand, die supraflüssig sind und mit genau null Viskosität fließen, und einen Anteil von Heliumatomen im angeregten Zustand, die sich eher wie eine normale Flüssigkeit verhalten. ⓘ

Beim Fontäneneffekt wird eine Kammer konstruiert, die mit einem Reservoir von Helium II durch eine Sinterscheibe verbunden ist, durch die suprafluides Helium leicht entweicht, durch die aber nicht-superfluides Helium nicht hindurchtreten kann. Wird das Innere des Behälters erwärmt, geht das suprafluide Helium in nicht-suprafluides Helium über. Um den Gleichgewichtsanteil an suprafluidem Helium aufrechtzuerhalten, entweicht suprafluides Helium und erhöht den Druck, so dass Flüssigkeit aus dem Behälter fließt. ⓘ

Die Wärmeleitfähigkeit von Helium II ist größer als die aller anderen bekannten Stoffe, eine Million Mal höher als die von Helium I und mehrere hundert Mal höher als die von Kupfer. Das liegt daran, dass die Wärmeleitung durch einen außergewöhnlichen Quantenmechanismus erfolgt. Die meisten Materialien, die Wärme gut leiten, verfügen über ein Valenzband mit freien Elektronen, die zur Übertragung der Wärme dienen. Helium II hat kein solches Valenzband, leitet aber dennoch gut Wärme. Der Wärmefluss wird durch Gleichungen bestimmt, die der Wellengleichung ähneln, mit der die Schallausbreitung in der Luft beschrieben wird. Wenn Wärme zugeführt wird, bewegt sie sich mit 20 Metern pro Sekunde bei 1,8 K in Form von Wellen durch Helium II - ein Phänomen, das als zweiter Schall bekannt ist. ⓘ

Helium II weist auch einen Kriecheffekt auf. Wenn eine Oberfläche über das Niveau von Helium II hinausragt, bewegt sich das Helium II entgegen der Schwerkraft an der Oberfläche entlang. Helium II entweicht aus einem Gefäß, das nicht versiegelt ist, indem es an den Seiten entlangkriecht, bis es eine wärmere Region erreicht, wo es verdampft. Es bewegt sich in einem 30 nm dicken Film, unabhängig vom Oberflächenmaterial. Dieser Film wird als Rollin-Film bezeichnet und ist nach dem Mann benannt, der diese Eigenschaft als Erster beschrieben hat, Bernard V. Rollin. Aufgrund dieses Kriechverhaltens und der Fähigkeit von Helium II, schnell durch winzige Öffnungen zu entweichen, ist es sehr schwer einzuschließen. Wenn der Behälter nicht sorgfältig konstruiert ist, kriecht das Helium II an den Oberflächen entlang und durch die Ventile, bis es an einen wärmeren Ort gelangt, wo es verdampft. Für Wellen, die sich über einen Rollin-Film ausbreiten, gilt dieselbe Gleichung wie für Schwerkraftwellen in flachem Wasser, nur dass hier nicht die Schwerkraft, sondern die van-der-Waals-Kraft als Rückstellkraft wirkt. Diese Wellen werden als dritter Schall bezeichnet. ⓘ

Onnes-Effekt des Helium II ⓘ

1971 gelang David M. Lee, Douglas D. Osheroff und Robert C. Richardson, das Helium-Isotop ³He 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 Atome ³He ein Paar bilden, ähnlich einem Cooper-Paar. Dieses Paar besitzt ein magnetisches Moment und einen Drehimpuls. Die drei Wissenschaftler erhielten für diese Entdeckung 1996 den Nobelpreis 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 beim Phasenübergang 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 ihre Brechungsindizes fast gleich sind. ⓘ

In einem anderen Fall kann bei Unterschreiten von etwa 200 mK und gleichzeitigem Zentrifugieren ein Zustand erreicht werden, den man suprasolide oder auch suprafest nennt. 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. ⓘ

Atomare Eigenschaften

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 höheren Ionisierungsenergie und einer geringeren Elektronenaffinität. 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 vom Parahelium im Falle von zwei einander entgegengerichteten Spins (S = 0) und von Orthohelium bei zwei parallelen Spins (S = 1). Beim Orthohelium befindet sich eines der Elektronen nicht im 1s-Orbital, da dies das Pauli-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, dass Carl Runge und Louis 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 metastabile Energieniveaus bezeichnet. ⓘ

Chemische Eigenschaften

Helium ist ein Edelgas. 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 keine chemische Bindung. Beim Helium ist das 1s-Orbital mit einem Elektronenpaar besetzt. Bei der Kombination zweier dieser voll besetzten Atomorbitale (a) und (b) ist sowohl das bindende als auch das antibindende Molekülorbital 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 keine Bindung zustande. ⓘ

Besetzung der Orbitale eines hypothetischen He2-Moleküls. ⓘ

Besetzung der Orbitale eines hypothetischen He₂-Moleküls.

Aufgrund der für alle Atome und Moleküle wirksamen Van-der-Waals-Wechselwirkung existiert jedoch auch bei Helium ein Dimer, allerdings mit einer äußerst kleinen Bindungsenergie von circa 1,1 mK (= 9,5 · 10⁻²⁶ J) und einem entsprechend großen Bindungsabstand von circa 52 Å. ⓘ

Ionische Bindungen

Struktur des Heliumhydrid-Ions, HHe^{+ ⓘ}

Struktur des vermuteten Fluorheliat-Anions, OHeF- ⓘ

Helium hat eine Wertigkeit von Null und ist unter normalen Bedingungen chemisch nicht reaktiv. Es ist ein elektrischer Isolator, sofern es nicht ionisiert ist. Wie die anderen Edelgase hat auch Helium metastabile Energieniveaus, die es ihm ermöglichen, in einer elektrischen Entladung mit einer Spannung unterhalb seines Ionisierungspotenzials ionisiert zu bleiben. Helium kann mit Wolfram, Jod, Fluor, Schwefel und Phosphor instabile Verbindungen, so genannte Excimere, bilden, wenn es einer Glimmentladung oder dem Beschuss mit Elektronen ausgesetzt oder auf andere Weise zu Plasma reduziert wird. Die molekularen Verbindungen HeNe, HgHe₁₀ und WHe₂ sowie die molekularen Ionen He⁺
₂, He²⁺
₂, HeH⁺
und HeD⁺
sind auf diese Weise entstanden. HeH⁺ ist in seinem Grundzustand ebenfalls stabil, aber extrem reaktiv - es ist die stärkste bekannte Brønsted-Säure und kann daher nur isoliert existieren, da es jedes Molekül oder Gegenion, mit dem es in Berührung kommt, protonieren wird. Mit dieser Technik wurden auch das neutrale Molekül He₂, das eine große Anzahl von Bandensystemen aufweist, und HgHe, das offenbar nur durch Polarisationskräfte zusammengehalten wird, hergestellt. ⓘ

Van-der-Waals-Verbindungen von Helium können auch mit kryogenem Heliumgas und Atomen einer anderen Substanz gebildet werden, wie LiHe und He₂. ⓘ

Theoretisch sind auch andere echte Verbindungen möglich, wie z. B. Heliumfluorhydrid (HHeF), das dem im Jahr 2000 entdeckten HArF entsprechen würde. Berechnungen zeigen, dass zwei neue Verbindungen, die eine Helium-Sauerstoff-Bindung enthalten, stabil sein könnten. Zwei neue Molekülarten, die mit Hilfe der Theorie vorhergesagt wurden, CsFHeO und N(CH₃)₄FHeO, sind Derivate eines metastabilen FHeO-Anions, das erstmals 2005 von einer Gruppe aus Taiwan theoretisiert wurde. Sollte sich diese Theorie im Experiment bestätigen, wäre Neon das einzige verbleibende Element, für das keine stabilen Verbindungen bekannt sind. ⓘ

Die Heliumatome wurden durch Erhitzen unter hohem Druck in die hohlen Kohlenstoffkäfigmoleküle (die Fullerene) eingebaut. Die entstehenden endoedrischen Fullerenmoleküle sind bei hohen Temperaturen stabil. Wenn chemische Derivate dieser Fullerene gebildet werden, bleibt das Helium im Inneren. Wenn Helium-3 verwendet wird, kann es leicht durch Helium-Kernresonanzspektroskopie nachgewiesen werden. Es sind viele Fullerene bekannt, die Helium-3 enthalten. Obwohl die Heliumatome nicht durch kovalente oder ionische Bindungen miteinander verbunden sind, haben diese Stoffe eindeutige Eigenschaften und eine bestimmte Zusammensetzung, wie alle stöchiometrischen chemischen Verbindungen. ⓘ

Unter hohem Druck kann Helium mit verschiedenen anderen Elementen Verbindungen eingehen. Helium-Stickstoff-Clathrat-Kristalle (He(N₂)₁₁) wurden bei Raumtemperatur und einem Druck von ca. 10 GPa in einer Diamant-Ambosszelle gezüchtet. Das isolierende Elektron Na₂He hat sich bei Drücken über 113 GPa als thermodynamisch stabil erwiesen. Es hat eine Fluoritstruktur. ⓘ

Unter extremen Bedingungen ist es möglich, eine quasichemische Verbindung von Helium mit einem Proton (HeH⁺) zu erzeugen. Diese Verbindung ist bei Normalbedingungen sehr instabil und kann nicht in Form eines Salzes wie HeH⁺X⁻ isoliert werden. ⓘ

Eine entsprechende Reaktion kann zwischen zwei Helium-Atomen ablaufen, wenn die zur Ionisierung notwendige Energie zugeführt wird. ⓘ

\mathrm {He+He\longrightarrow HeHe^{+}+e^{-}}

ⓘ

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. ⓘ

Das Heliumatom

Das Heliumatom. Dargestellt sind der Kern (rosa) und die Elektronenwolkenverteilung (schwarz). Der Kern (oben rechts) von Helium-4 ist in Wirklichkeit sphärisch symmetrisch und ähnelt der Elektronenwolke, obwohl dies bei komplizierteren Kernen nicht immer der Fall ist. ⓘ

Isotope

Verschiedene Eigenschaften der Heliumisotope ⓘ
	³He	⁴He
Ruheenergie in MeV	2809	3728
Dichte in kg/m³	0,134	0,178
Kritische Temperatur in K	3,32	5,20
Lambdapunkt in K	0,0025	2,1768
Schmelzdruck bei T = 0 K in MPa	3,439	2,536
Siedepunkt in K	3,19	4,21

Von den acht bekannten Isotopen des Heliums sind lediglich ³He und ⁴He stabil. In der Erdatmosphäre existiert pro Million ⁴He-Atome nur ein ³He-Atom. Jedoch variiert die Proportion der beiden Isotope je nach dem Herkunftsort der untersuchten Heliumprobe. Im interstellaren Medium sind ³He-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 Abschnitt Erde). ⓘ

³He und ⁴He weisen aufgrund der unterschiedlichen Symmetrieeigenschaften (³He-Atome sind Fermionen, ⁴He-Atome sind Bosonen) einige unterschiedliche physikalische Eigenschaften auf, die sich insbesondere bei tiefen Temperaturen zeigen. So trennen sich gleiche Anteile von flüssigem ³He und ⁴He unter 0,8 Kelvin aufgrund ihrer unterschiedlichen Quanteneigenschaften in zwei unmischbare Flüssigkeiten, ähnlich Öl und Wasser. Dabei schwimmt eine Phase aus reinem ³He auf einer Phase, die hauptsächlich aus ⁴He besteht. Weiterhin unterscheiden sich die zwei Isotope deutlich in ihren suprafluiden Phasen (siehe Abschnitt Helium II). ⓘ

Kernfusion

In Ankündigungen neuer Raumfahrt-Missionen der USA, Russlands und Chinas, weiterhin auch Europas, Indiens und Japans zum Mond wurden mehrfach die dortigen anteilig größeren Vorkommen von ³He als lohnende Quelle genannt, um Kernfusionsreaktoren auf Basis dieses Isotops auf der Erde zu ermöglichen. Im Gegensatz zur Deuterium-Tritium-Fusionsreaktion liefert die Deuterium-³He-Reaktion bei ähnlich großem Energiegewinn keine freien Neutronen, sondern Protonen. Dies würde die Radioaktivitätsprobleme der Fusionsenergiegewinnung dramatisch verringern. Andererseits ist die Herbeiführung dieser Reaktion wegen der nötigen viel höheren Plasmatemperatur eine noch ungelöste technische Herausforderung. ⓘ

Hypothetisches Diproton

Ein besonderes, fiktives Isotop des Heliums ist ²He, dessen Kern, das Diproton, im Falle seiner Existenz lediglich aus zwei Protonen bestünde. Für ein System aus zwei Protonen gibt es jedoch keinen gebundenen Zustand, da sich diese wegen des Pauli-Prinzips – im Gegensatz zum Proton und Neutron beim Deuteron – nur in einem Singulett-Zustand mit antiparallelen Spins befinden dürfen. Auf Grund der starken Spinabhängigkeit der Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung ist dieser aber energetisch angehoben und daher nicht gebunden. ⓘ

Verwendung und Handelsformen

Schematische Darstellung eines Helium-Neon-Lasers ⓘ

Das im Großhandel angebotene Helium stammt weltweit aus Großanlagen in fünf Ländern (USA, Russland, Polen, Katar und Algerien), die Gewinnung von Helium erfolgt aus Erdgas. ⓘ

Ausgeliefert im Bereich Technische 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). 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 deutlich nichtideal 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 oder Tube Trailern mit typisch zehn 12 m langen Rohren gefüllt mit etwa 200 bar Helium, in Summe 5000 Normkubikmeter. ⓘ

Helium wird auch tiefkalt verflüssigt in Kryo-Schiffen transportiert, etwa von einer Produktionsstätte in Afrika zu einem Hafen westlich nahe bei Marseille. Helium für Endverbraucher wird im Handel mit geringer Reinheit von ca. 98 % bis über 99 % primär in Form von Einweggasflaschen als sogenanntes „Ballongas“ angeboten, um damit auf Veranstaltungen und Feiern einfach und gefahrlos kleinere Mengen von Luftballons aufblasen und aufsteigen lassen zu können. Ballongas kann grundsätzlich auch als Traggas für größere Ballone wie Wetterballone eingesetzt werden, ist aber im Vergleich zu Wasserstoff 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 professionellen Tauchen werden verschiedene Gemische mit Helium wie Trimix (bestehend aus Sauerstoff, Stickstoff und Helium), Hydreliox (Wasserstoff, Helium und Sauerstoff) und Heliox (Helium und Sauerstoff) als Atemgas verwendet. Nachteilig wirkt sich hier die hohe Wärmekapazität des Heliums aus, was (bei kalter Umgebung) zum Auskühlen der Lunge und damit des Tauchers führt.
In der Lebensmittelindustrie wird es als Treibgas oder Packgas verwendet und ist als Lebensmittelzusatzstoff E 939 zugelassen.
Helium ist ein bevorzugtes Traggas für Ballons und Luftschiffe, 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 brennbaren Wasserstoff, 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 der Schweißtechnik wird Helium in Reinform oder als Zumischung als Inertgas eingesetzt, um die Schweißstelle vor Sauerstoff 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 von Aluminium und rostfreien Stählen.
Technisch wird verflüssigtes Helium (die Isotope ⁴He und ³He) als Kühlmittel zum Erreichen sehr tiefer Temperaturen eingesetzt (siehe dazu: Kryostat). Mit ⁴He lassen sich durch Verdampfungskühlen Temperaturen bis etwa 1 K erreichen, mit dem Isotop ³He bis etwa 240 mK. Mit dem Verfahren der ³He-⁴He-Mischungskühlung werden bis etwa 5 mK erreicht, wobei dieses Verfahren deutlich kostengünstiger als eine reine ³He-Kühlung ist. Beim Einsatz von supraleitenden Magneten dient Helium als Kühlmittel, um damit den Supraleiter unter seiner Sprungtemperatur zu halten. Praktische Anwendungen sind hier besonders die Kernspintomographie (MRT) für medizinische Anwendungen sowie die Magnetresonanzspektroskopie (NMR) und der Betrieb von Teilchenbeschleunigern 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 sind: IRAS, ISO, das Spitzer- und das Herschel-Weltraumteleskop. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Herstellung von optischen 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 Hauptkomponente ⁴He, während ³He durch thermische Neutronen leicht in radioaktives Tritium überführt wird. Als Beispiel sei der Thorium-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 molare Wärmekapazität 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.
Die Suche nach Undichtigkeiten in Druckgasarmaturen wird durch eine Befüllung mit Helium erleichtert. Außen an der Druckarmatur wird ein Lecksuchspray 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 ein Massenspektrometer 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 die Leckrate gemessen werden. Diese rasche und empfindliche Lecksuchmethode wird auch an Chemieanlagen und bei der Fertigung von Wärmetauschern für Klimaanlagen oder Benzintanks für Autos benutzt.
Helium wird in Gasform in der Raketentechnik 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 aggressive hypergolische Treibstoffe kein Problem dar.
Helium wird als Hilfsgas in verschiedenen Lasertypen eingesetzt, zum Beispiel dem Helium-Neon-Laser, dem Helium-Cadmium-Laser sowie einiger Typen des Kohlendioxidlasers. Es dient als Stoßpartner zur An- oder Abregung der Laserniveaus der eigentlichen aktiven Lasermedien.
Reinsthelium dient als Trägergas in der Gaschromatographie (Analytik).
In Gasentladungsröhren leuchtet Helium gelblich/weiß.
Aufgrund seiner thermodynamischen Eigenschaften ist Helium ein sehr gutes Arbeitsmedium für Stirlingmotoren.
Hyperpolarisiertes ³He wird in der Diagnostik versuchsweise als Kontrastmittel für kernspintomografische Aufnahmen der Lunge verwendet.
Statt Druckluft zum Antrieb von Schlagschraubern beim Radwechsel im Formel-1-Automobilsport. Damit konnten diese bei einem bestimmten Druck um 30 % schneller betrieben werden. Um Kosten zu vermeiden, ab 2012 per Reglement verboten.
Bei Festplattenlaufwerken 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. ⓘ

Gefahren

Helium zählt zu den Inertgasen und ist ungiftig. Bei der Handhabung von größeren Mengen gasförmigen Heliums müssen dann Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden, wenn aufgrund der Gasmenge und der räumlichen Situation die Gefahr besteht, dass es zu einer Verdrängung von Atemluft kommen kann. Die Unfallzahlen durch Ersticken sind bei Helium im Gegensatz zu anderen häufig als Inertgas eingesetzten Gasen (z. B. Stickstoff) niedriger, da aufgrund der geringen Dichte gasförmiges Helium sofort aufsteigt und es somit auch in schlecht belüfteten Räumen in unteren Bereichen nur in seltenen Fällen zu einer vollständigen Sauerstoffverdrängung der Umgebungsluft und damit zu der Gefahr einer Erstickung kommt. Potentielle Gefahrenbereiche können Ansammlungen von Heliumgas in nach oben dichten baulichen Strukturen sein, beispielsweise Dachstühle, unter denen sich eine „Heliumblase“ bilden kann. ⓘ

Beim Hantieren mit Flüssig-Helium (UN-Nummer UN 1963) – es ist um 73 K kälter als Flüssig-Stickstoff, der ebenfalls als „tiefkalt“ bezeichnet wird – 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 durch LN₂ aus, da Flüssig-Helium selbst nur eine extrem geringe Kühlleistung (220 ml LHe hat die Kühlleistung von 1 ml LN₂) hat. Eine Schutzbrille schützt die Augen oder ein Visier das ganze Gesicht, dichte Handschuhe einer gewissen Dicke und mit Stulpe die Hände. Offene Taschen oder Stiefelschäfte sind Eintrittspforten für Spritzer und daher zu vermeiden. Weitere Gefahren gehen durch Vereisung und damit verbundener Verstopfung und Explodieren von Leitungen und Gefäßen aus. ⓘ

Heliumdruckgasbehälter – meist nahtlose Stahlzylinder 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 einer Berstscheibe löst einen Gasstrahl mit gefährlichen Folgen aus. ⓘ

Auswirkungen

Neutrales Helium ist unter Standardbedingungen ungiftig, spielt keine biologische Rolle und ist in Spuren im menschlichen Blut enthalten. ⓘ

Wirkung von Helium auf eine menschliche Stimme

Die Wirkung von Helium auf die menschliche Stimme

Die Schallgeschwindigkeit in Helium ist fast dreimal so hoch wie die Schallgeschwindigkeit in Luft. Da die natürliche Resonanzfrequenz eines gasgefüllten Hohlraums proportional zur Schallgeschwindigkeit im Gas ist, kommt es beim Einatmen von Helium zu einem entsprechenden Anstieg der Resonanzfrequenzen des Vokaltrakts, der den Stimmklang verstärkt. Diese Erhöhung der Resonanzfrequenz des Verstärkers (des Vokaltrakts) bewirkt eine stärkere Verstärkung der hochfrequenten Komponenten der Schallwelle, die durch die direkte Vibration der Stimmlippen erzeugt wird, als wenn der Stimmkasten mit Luft gefüllt ist. Wenn eine Person spricht, nachdem sie Heliumgas eingeatmet hat, bewegen sich die Muskeln, die den Stimmlippenkasten steuern, immer noch auf dieselbe Weise wie bei einem mit Luft gefüllten Stimmlippenkasten, so dass sich die durch die direkte Vibration der Stimmlippen erzeugte Grundfrequenz (auch Tonhöhe genannt) nicht ändert. Die hochfrequente Verstärkung bewirkt jedoch eine Veränderung der Klangfarbe des verstärkten Tons, was zu einer schilfartigen, entenartigen Stimmqualität führt. Der gegenteilige Effekt, die Absenkung der Resonanzfrequenzen, kann durch Inhalation eines dichten Gases wie Schwefelhexafluorid oder Xenon erreicht werden. ⓘ

Nach dem Einatmen von Helium klingt, solange die Atemwege einen relevant hohen Anteil an Helium enthalten, die menschliche Stimme erheblich höher. (Populär wird dieser Effekt „Micky-Maus-Stimme“ genannt, die allerdings durch schnelleres Abspielen von Tonband, also Erhöhung aller Frequenzen (und des Tempos) um einen bestimmten Faktor erzielt wurde.) Die Klangfarbe einer Stimme hängt dagegen von der Lage der Formanten im Mundraum ab, die durch Faktoren wie Zungen- und Lippenstellung beeinflusst werden. (Formanten sind diejenigen Frequenzbereiche, die am stärksten durch Resonanzwirkung verstärkt werden.) Diese Formanten hängen auch von der Schallgeschwindigkeit c im entsprechenden Medium ab (c_Luft = 350 m/s, c_Helium = 1030 m/s). Beträgt zum Beispiel die Lage der ersten drei Formanten in Luft 220, 2270 und 3270 Hz, so ändert sich dies in (reinem) Helium zu 320, 3900 und 5500 Hz. Dadurch ergibt sich ein anderes Stimmbild und die Stimme erscheint insgesamt höher, selbst wenn die Höhe des Stimmtones durch das Edelgas unverändert bliebe. ⓘ

Einen ähnlichen Effekt gibt es, wenn ein (anfangs nur luftgefülltes) Blasinstrument mit Helium angeblasen wird. ⓘ

Vorkommen und Produktion

Befürworter der Konservierung

Nach Ansicht von Heliumkonservatoren wie dem Physik-Nobelpreisträger Robert Coleman Richardson, der 2010 schrieb, hat der freie Marktpreis von Helium zu einer "verschwenderischen" Nutzung (z. B. für Heliumballons) beigetragen. Die Preise waren in den 2000er Jahren durch den Beschluss des US-Kongresses gesenkt worden, die großen Heliumvorräte des Landes bis 2015 zu verkaufen. Richardson zufolge musste der Preis mit dem Faktor 20 multipliziert werden, um die übermäßige Verschwendung von Helium zu beseitigen. In ihrem Buch The Future of Helium as a natural resource (Routledge, 2012) schlagen Nuttall, Clarke & Glowacki (2012) außerdem vor, eine Internationale Heliumagentur (IHA) zu gründen, um einen nachhaltigen Markt für diesen wertvollen Rohstoff aufzubauen. ⓘ

Anwendungen

Die größte Einzelanwendung von flüssigem Helium ist die Kühlung der supraleitenden Magneten in modernen Kernspintomographen. ⓘ

Geschätzter Heliumverbrauch in den USA im Jahr 2014 nach Kategorie. Der Gesamtverbrauch liegt bei 34 Millionen Kubikmetern.

Kryogenik (32%)

Druckbeaufschlagung und Spülung (18%)

Schweißen (13%)

Kontrollierte Atmosphären (18%)

Lecksuche (4%)

Atemgasgemische (2%)

Sonstiges (13%) ⓘ

Obwohl Ballons vielleicht die bekannteste Verwendung von Helium sind, machen sie nur einen kleinen Teil der gesamten Heliumverwendung aus. Helium wird für viele Zwecke verwendet, die einige seiner einzigartigen Eigenschaften erfordern, wie seinen niedrigen Siedepunkt, seine geringe Dichte, seine geringe Löslichkeit, seine hohe Wärmeleitfähigkeit oder seine Trägheit. Von der 2014 weltweit produzierten Gesamtmenge von etwa 32 Millionen kg (180 Millionen Normkubikmeter) Helium pro Jahr entfällt der größte Teil (etwa 32 % der Gesamtmenge im Jahr 2014) auf kryogene Anwendungen, vor allem auf die Kühlung der supraleitenden Magneten in medizinischen MRT-Scannern und NMR-Spektrometern. Weitere wichtige Verwendungszwecke waren Druckbeaufschlagungs- und Spülsysteme, Schweißen, die Aufrechterhaltung kontrollierter Atmosphären und die Lecksuche. Andere Verwendungszwecke nach Kategorien waren relativ unbedeutend. ⓘ

Kontrollierte Atmosphären

Helium wird als Schutzgas bei der Züchtung von Silizium- und Germaniumkristallen, bei der Herstellung von Titan und Zirkonium und in der Gaschromatographie verwendet, da es inert ist. Aufgrund seiner Inertheit, seiner thermisch und kalorisch einwandfreien Beschaffenheit, seiner hohen Schallgeschwindigkeit und seines hohen Wertes des Wärmekapazitätsverhältnisses ist es auch in Überschallwindkanälen und Impulsanlagen nützlich. ⓘ

Wolfram-Schutzgasschweißen

Helium wird als Schutzgas beim Lichtbogenschweißen von Werkstoffen verwendet, die bei Schweißtemperaturen durch Luft oder Stickstoff verunreinigt und geschwächt werden. Beim Wolfram-Lichtbogenschweißen werden verschiedene inerte Schutzgase verwendet, aber Helium wird anstelle des billigeren Argons vor allem beim Schweißen von Werkstoffen mit höherer Wärmeleitfähigkeit, wie Aluminium oder Kupfer, eingesetzt. ⓘ

Geringfügige Verwendungen

Medizinische Anwendungen

Helium wurde im April 2020 in den Vereinigten Staaten zur medizinischen Verwendung für Menschen und Tiere zugelassen. ⓘ

Als Schadstoff

Obwohl Helium chemisch inert ist, beeinträchtigt eine Kontamination mit Helium den Betrieb von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS), so dass iPhones ausfallen können. ⓘ

Einatmen und Sicherheit

Gefahren

Das Einatmen von Helium kann bei übermäßigem Gebrauch gefährlich sein, da Helium ein einfaches Erstickungsmittel ist und somit den für die normale Atmung benötigten Sauerstoff verdrängt. Es wurden bereits Todesfälle gemeldet, darunter ein Jugendlicher, der 2003 in Vancouver erstickte, und zwei Erwachsene, die 2006 in Südflorida erstickten. Im Jahr 1998 wurde ein australisches Mädchen aus Victoria bewusstlos und lief vorübergehend blau an, nachdem es den gesamten Inhalt eines Partyballons eingeatmet hatte. Das Einatmen von Helium direkt aus Druckflaschen oder sogar Ballonfüllventilen ist äußerst gefährlich, da die hohe Durchflussrate und der hohe Druck zu einem Barotrauma führen können, bei dem Lungengewebe tödlich reißt. ⓘ

Ein durch Helium verursachter Tod ist selten. Der erste in den Medien bekannt gewordene Fall war der eines 15-jährigen Mädchens aus Texas, das 1998 auf der Party eines Freundes an einer Heliuminhalation starb; die genaue Art des Todes durch Helium ist nicht bekannt. ⓘ

In den Vereinigten Staaten wurden zwischen 2000 und 2004 nur zwei Todesfälle gemeldet, darunter ein Mann, der 2002 in North Carolina an einem Barotrauma starb. Ein Jugendlicher erstickte 2003 in Vancouver, und ein 27-jähriger Mann in Australien erlitt im Jahr 2000 eine Embolie, nachdem er aus einer Flasche geatmet hatte. Seitdem erstickten 2006 zwei Erwachsene in Südflorida, und 2009 und 2010 gab es weitere Fälle, darunter ein Jugendlicher in Kalifornien, der mit einem an einer Heliumflasche befestigten Sack über dem Kopf aufgefunden wurde, und ein weiterer Jugendlicher in Nordirland, der an Erstickung starb. In Eagle Point, Oregon, starb 2012 ein Teenager an einem Barotrauma auf einer Party. Ein Mädchen aus Michigan starb später im Jahr an einer Hypoxie. ⓘ

Am 4. Februar 2015 wurde bekannt, dass ein 12-jähriges Mitglied (Name zurückgehalten) der japanischen Mädchengruppe 3B Junior während der Aufzeichnung ihrer Fernsehshow am 28. Januar eine Luftembolie erlitt, das Bewusstsein verlor und ins Koma fiel, weil Luftblasen die Blutzufuhr zum Gehirn blockierten, nachdem es im Rahmen eines Spiels große Mengen Helium eingeatmet hatte. Der Vorfall wurde erst eine Woche später publik gemacht. Die Mitarbeiter von TV Asahi hielten eine Notfall-Pressekonferenz ab, um mitzuteilen, dass das Mitglied ins Krankenhaus gebracht wurde und Anzeichen der Rehabilitation zeigt, wie z. B. das Bewegen der Augen und Gliedmaßen, aber ihr Bewusstsein noch nicht ausreichend wiederhergestellt ist. Die Polizei hat eine Untersuchung wegen der Vernachlässigung von Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet. ⓘ

Die Sicherheitsprobleme bei kryogenem Helium ähneln denen von flüssigem Stickstoff; die extrem niedrigen Temperaturen können zu Kälteverbrennungen führen, und das Ausdehnungsverhältnis von Flüssigkeit zu Gas kann zu Explosionen führen, wenn keine Druckentlastungsvorrichtungen installiert sind. Behälter mit Heliumgas von 5 bis 10 K sollten so gehandhabt werden, als enthielten sie flüssiges Helium, da sich Heliumgas von weniger als 10 K bei Erwärmung auf Raumtemperatur schnell und stark ausdehnt. ⓘ

Bei hohem Druck (mehr als 20 atm oder zwei MPa) kann ein Gemisch aus Helium und Sauerstoff (Heliox) zu einem Hochdruck-Nervensyndrom führen, einer Art umgekehrter Betäubungswirkung; die Zugabe einer kleinen Menge Stickstoff zu dem Gemisch kann das Problem lindern. ⓘ