Helium

Helium (von gr. hélios, Sonne) ist ein chemisches Element und hat die Ordnungszahl 2. Sein Elementsymbol ist He. Im Periodensystem steht es in der 18. IUPAC-Gruppe, der früheren VIII. Hauptgruppe, und zählt damit zu den Edelgasen. Es ist ein farbloses, geruchloses, geschmacksneutrales und ungiftiges Gas.

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.

Das Verhalten der beiden flüssigen Phasen Helium I und Helium II (insbesondere das Phänomen der Suprafluidität) von ⁴He ist Gegenstand aktueller Forschungen auf dem Gebiet der Quantenmechanik. Flüssiges Helium ist ein unverzichtbares Hilfsmittel zur Erzielung tiefster Temperaturen. Diese sind unter anderem zur Kühlung von Infrarotdetektoren von Weltraumteleskopen und zur Untersuchung von Eigenschaften wie der Supraleitung von Materie bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt erforderlich.

Helium ist nach Wasserstoff das zweithäufigste Element im Universum und macht etwa ein Viertel der Gesamtmasse der Materie im Universum aus. Nach anerkannter Theorie vereinigten sich rund zehn Sekunden nach dem Urknall Protonen und Neutronen durch Kernfusion zu ersten Atomkernen. Etwa 25 % von deren gesamter Masse sind ⁴He, 0,001% Deuterium sowie Spuren von ³He. Somit ist der größte Teil des Heliums schon 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 wird ⁴He in Form von Alphateilchen bei dem Alphazerfall verschiedener radioaktiver Elemente wie Uran oder Radium 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 natürlichen Erdgasvorkommen in Konzentrationen bis zu 16 Volumenprozent. Daher kann Helium durch fraktionierte Destillation aus Erdgas gewonnen werden.

Erste Hinweise auf Helium entdeckte 1868 der französische Astronom Jules Janssen bei Untersuchungen des Lichtspektrums der Chromosphäre der Sonne, wobei er die bis dahin unbekannte gelbe Spektrallinie von Helium fand.

Helium findet Anwendungen in der Tieftemperaturtechnik, besonders als Kühlmittel für supraleitende Magneten, in Tiefsee-Atemgeräten, bei der Altersbestimmung von Gesteinen, als Füllgas für Luftballons, als Traggas für Luftschiffe und als Schutzgas für verschiedene industrielle Anwendungen (zum Beispiel beim Metallschutzgasschweißen, als Trägergas bei der Kapillargaschromatographie und bei der Herstellung von Silizium-Wafern). Nach dem Einatmen von Helium verändert sich aufgrund der im Vergleich zu Luft höheren Schallgeschwindigkeit kurzzeitig die Stimme („Micky-Maus-Stimme“).

Geschichte

Hinweise auf das Element Helium erhielt man zum ersten Mal aufgrund einer hellen gelben Spektrallinie bei einer Wellenlänge von 587,49 Nanometern im Spektrum der Chromosphäre der Sonne. Diese Beobachtung machte der französische Astronom Jules Janssen in Indien während der totalen Sonnenfinsternis 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 Engländer Norman Lockyer, dass die gelbe Linie tatsächlich im Sonnenspektrum 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) der Fraunhofer-Doppel-D-Linie (D2 = 589,00 nm, D1 = 589,60 nm) des Metalls Natrium lag, nannte er die Linie D3, um sie von diesen Linien D1 und D2 des Natriums zu unterscheiden. Er und sein englischer Kollege Edward Frankland schlugen vor, das neue Element Helium (von griechisch helios, Sonne) zu nennen.

14 Jahre später, im Jahre 1882, gelang es Luigi Palmieri durch die Spektralanalyse von Vesuv-Lava erstmals, das Element Helium auch auf der Erde nachzuweisen.

Am 23.03.1895 gewann der britische Chemiker William Ramsay Helium, indem er das Uran-Mineral Cleveit, eine Varietät des Uraninits, mit Mineralsäuren versetzte und das dabei austretende Gas isolierte. Er war auf der Suche nach Argon, konnte jedoch die gelbe D3-Linie beobachten, nachdem er Stickstoff und Sauerstoff von dem isolierten Gas getrennt hatte. Dieselbe Entdeckung machten fast gleichzeitig der britische Physiker William Crookes und die schwedischen Chemiker Per Teodor Cleve und Nicolas Langlet in Uppsala in Schweden. Diese sammelten ausreichende Mengen des Gases, um dessen Atommasse feststellen zu können.

Im Jahr 1903 gelang Ramsay erstmals die „Umwandlung“ von Radium in Helium.

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.

Die erste Verflüssigung von Helium wurde 1908 vom niederländischen Physiker Heike 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 1926 Willem 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 als Onnes-Effekt bekannt ist.

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.

Quellen

• A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 417–429.