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„Helium“ – Versionsunterschied

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| Oxidationszustände = 0
| Normalpotential =
| Elektronegativität = '''5,50''' (Allred&Rochow); '''4,86''' (Mulliken); '''5,2''' (Durchschnitt);<ref>L. C. Allen, [[J. E. Huheey]]: ''The definition of electronegativity and the chemistry of the noble gases.''</ref><br /> keine Angaben zur
| Quelle GHS-Kz = <ref name="GESTIS" />
| GHS-Piktogramme = {{GHS-Piktogramme|04}}
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}}
 
'''Helium''' (von {{grcS|ἥλιος|hélios|de=[[Sonne]]}}) ist ein [[chemisches Element]] und hat die [[Ordnungszahl]] 2. Sein [[Elementsymbol]] ist He. Im [[Periodensystem]] steht es in der 18.&nbsp;[[Gruppe des Periodensystems|IUPAC-Gruppe]], der früheren VIII. [[Hauptgruppe]], und zählt damit zu den [[Edelgase]]n. 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 [[Absoluter Nullpunkt|absoluten Nullpunkt]] (0&nbsp;[[Kelvin|K]] bzw. −273,15&nbsp;[[Celsius|°C]]) unter [[Normalbedingungen|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 <sup>4</sup>He; ein weiteres stabiles Isotop ist das auf der Erde extrem seltene [[Helium-3|<sup>3</sup>He]].
 
Das häufigste stabile [[Isotop]] ist <sup>4</sup>He mit 99,9998(2) % Anteil; das einzige weitere stabile Isotop ist das auf der Erde extrem seltene [[Helium-3|<sup>3</sup>He]] mit 0,0002(2)% Anteil. Weitere exotische Isotope sind die [[Halokern]]e <sup>6</sup>He und <sup>8</sup>He mit 2 bzw. 4 zusätzlichen Neutronen, die sich in einem unerwartet großen Abstand vom eigentlich Atomkern aufhalten. [[Diproton]] (<sup>2</sup>He) ist ein hypothetisches Heliumisotop aus zwei Protonen und ohne Neutronen im Kern.
Das Verhalten der beiden [[#Im flüssigen Zustand|flüssigen Phasen ''Helium&nbsp;I'' und Helium&nbsp;II]] (rsp. ''Helium-I'' und ''Helium-II'') (insbesondere das Phänomen der [[Suprafluidität]]) von <sup>4</sup>He 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 [[Weltraumteleskop]]en und zur Untersuchung von Eigenschaften wie der [[Supraleitung]] von Materie bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt erforderlich.▼
 
▲Das Verhalten der beiden [[#Im flüssigen Zustand|flüssigen Phasen ''Helium&nbsp;I'' und ''Helium&nbsp;II'']] (rsp. ''Helium-I'' und ''Helium-II'') (insbesondere das Phänomen der [[Suprafluidität]]) von <sup>4</sup>He 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 [[Weltraumteleskop]]en 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.<ref name="Hammond">C. R. Hammond: The Elements. In: R. C. Weast (ed.). ''Handbook of Chemistry and Physics'', 59th edition, CRC Press, 1977</ref> Nach anerkannter Theorie vereinigten sich rund zehn Sekunden nach dem [[Urknall]] Protonen und Neutronen durch [[Kernfusion]] zu ersten [[Atomkern]]en. Etwa 25 % von deren gesamter Masse sind <sup>4</sup>He, 0,001 % [[Deuterium]] sowie Spuren von <sup>3</sup>He. Somit ist der größte Teil des Heliums [[Primordiale Nukleosynthese|schon beim Urknall]] entstanden. Das später im Inneren von Sternen durch Fusion von Wasserstoff entstandene Helium fusionierte zum größten Teil weiter zu schwereren Elementen.▼
 
▲Helium ist nach [[Wasserstoff]] das zweithäufigste Element im Universum und macht etwa ein Viertel der Gesamtmasse der Materie im Universum aus.<ref name="Hammond">C. R. Hammond: The Elements. In: R. C. Weast (ed.). ''Handbook of Chemistry and Physics'', 59th edition, CRC Press, 1977</ref> Nach anerkannter Theorie vereinigten sich rund zehn Sekunden nach dem [[Urknall]] Protonen und Neutronen durch [[Kernfusion]] zu ersten [[Atomkern]]en. Etwa 25 % vonder deren gesamterentstandenen Masse sind <sup>4</sup>He, 0,001 % [[Deuterium]] sowieund Spuren von <sup>3</sup>He. Somit ist der größte Teil des Heliums [[Primordiale Nukleosynthese|schon beim Urknall]] entstanden. Das später im Inneren von Sternen durch Fusion von Wasserstoff entstandene Helium fusionierte zum größten Teil weiter zu schwereren Elementen.
 
{{Anker|Heliumgewinnung}}
Auf der Erde wird <sup>4</sup>He in Form von [[Alphateilchen]] bei dem [[Alphastrahlung|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 [[Erdgas]]<nowiki />vorkommen in Konzentrationen bis zu 16 Volumenprozent.<ref name="römppol">{{RömppOnline |ID=RD-08-00783 |Name=Helium |Abruf=2013-03-27}}</ref> 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.
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== Geschichte ==
[[Datei:FraunhoferLinesDiagram.jpg|mini|links|upright=1.1|Das vollständige Spektrum der [[Sonne]]]]
[[Datei:Helium spectrum.jpg|mini|links|upright=1.1|Die Spektrallinien von Helium.:<ref>[{{Webarchiv|url=http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/teachers/lessons/xray_spectra/worksheet-specgraph2-sol.html |wayback=20111115084746 |text=Spektrum der Sonne und die Anteile von Wasserstoff und Helium] }}.</ref> Besonders auffällig ist die gelbe Spektrallinie.]]
[[Datei:Pierre Janssen.jpg|mini|links|hochkant=0.7|[[Jules Janssen]], erster Entdecker des Heliums]]
[[Datei:Helium-Spektrum einer Gasentladungsröhre.jpg|mini|upright=1.75|Spektrum einer Helium-Gasentladung]]
 
Hinweise auf das Element Helium erhielt man zum ersten Mal aufgrund einer hellen gelben [[Spektrallinie]] bei einer Wellenlänge von 587,49&nbsp;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.&nbsp;Oktober desselben Jahres bestätigte der Engländer [[Joseph Norman Lockyer|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 [[Fraunhoferlinie|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.<ref name="Hammond" />
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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.
 
[[Datei:William Ramsay.jpg|mini|links|hochkant=0.7|Sir William Ramsay]]
 
Am 23. März 1895 gewann der britische Chemiker [[William Ramsay]] Helium, indem er das Uran-Mineral ''Cleveit'', eine Varietät des [[Uraninit]]s, mit [[Mineralsäure]]n versetzte und das dabei austretende Gas isolierte.<ref>William Ramsay: ''Helium, a Gaseous Constituent of Certain Minerals. Part I.'' In: ''Proceedings of the Royal Society of London (1854–1905).'' 58, 1895, S.&nbsp;80–89; [[doi:10.1098/rspl.1895.0010]].</ref> 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„Umwandlung“ von Radium in [[Helium]].<ref>[[Paul Diepgen]], [[Heinz Goerke]]: ''[[Ludwig Aschoff|Aschoff]]: Kurze Übersichtstabelle zur Geschichte der Medizin.'' 7., neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1960, S. 54.</ref>
 
Während einer Ölbohrung in [[Dexter (Kansas)|Dexter]] in [[Kansas]] wurde eine Erdgasquelle gefunden, deren Erdgas 12 Volumenprozent eines unbekannten Gases enthielt. Die amerikanischen Chemiker [[Hamilton Cady]] und [[David McFarland]] der [[University of Kansas|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 [[Alphastrahlung|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&nbsp;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&nbsp;bar bei analoger Temperatur. Kamerlingh Onnes beschrieb zuerst das Phänomen suprafluider Flüssigkeiten, das als [[Onnes-Effekt]] bekannt ist.
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[[Datei:Neptune-visible.jpg|mini|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 im Weltraum vorhandenen Heliums in den ersten drei Minuten nach dem Urknall. Helium ist nach Wasserstoff das zweithäufigste Element. 23 % der Masse der [[Baryonische Materie|gewöhnlichen (baryonischen) Materie]] bestehen aus Helium, obwohl [[Wasserstoffatom]]e achtmal so häufig sind. Außerdem wird Helium durch [[Kernfusion]] in [[Stern]]en 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 ([[Roter Zwerg|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 fortgesetzenfortsetzen. Bei einer [[Supernova]]explosion werden die erzeugten Elemente (einschließlich schwererer Elemente als Eisen, die durch die Explosion entstehen) im Weltraum verteilt. Im Verlauf der Zeit reichert sich die [[Interstellares Medium|interstellare Materie]] dadurch mit Helium und schwereren Elementen an, sodass später daraus entstandene [[Population (Astronomie)|Sternpopulationen]] einen größeren Anteil an Helium und schwereren Elementen haben.
 
Auf Sternoberflächen und in [[Nebel (Astronomie)|Nebeln]] kommt Helium vorwiegend neutral („He&nbsp;I“ in der Nomenklatur der Astronomie) oder einfach ionisiert („He&nbsp;II“) vor.
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| [[Saturn (Planet)|Saturn]] || {{0}}3,25 %
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| [[Venus (Planet)|Venus]] || {{0}}0,0012001&#8239;2 % (12&nbsp;[[Parts per million|ppm]])
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| [[Erde]] || {{0}}0,00052000&#8239;52 % (5,2&nbsp;ppm)
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=== Erde ===
[[Datei:The Earth seen from Apollo 17.jpg|mini|DieHelium-4 Erdeentsteht produziertim HeliumErdinneren durch radioaktiveradioaktivem VorgängeZerfall von im ErdinnerenWesentlichen Thorium-232 und Uran-238.]]
 
<sup>4</sup>He entsteht im Erdkörper beim [[Radioaktivität|radioaktiven α-Zerfall]] ([[Alphazerfall]]) schwerer Elemente wie Uran oder [[Thorium]], wobei Helium-Kerne als [[Alphastrahlung|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 <sup>3</sup>He im Erdmantel, der weit über dem atmosphärischen Wert liegt, das sogenannte Mantelhelium; das <sup>4</sup>He/<sup>3</sup>He-Verhältnis liegt im oberen Erdmantel, der weitgehend entgast ist und dessen Heliumbestand daher im Wesentlichen durch <sup>4</sup>He 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 <sup>3</sup>He ist höher. Von besonderem geodynamischem Interesse ist dies im Hinblick auf die Ursachen von [[Hot-Spot (Geologie)|Hotspot-Vulkanismus]]: während für [[Basalt]]e von mittelozeanischen Rücken, die durch Schmelzprozesse von Material des oberen Mantels entstehen, <sup>4</sup>He/<sup>3</sup>He = 86.000 typisch ist, sind Basalte von einigen Hotspots, zum Beispiel ozeanischen Vulkaninseln wie Hawaii und Island, rund drei- bis viermal <sup>3</sup>He-reicher. Dies wird gemeinhin damit erklärt, dass dieser Vulkanismus durch [[Plume (Geologie)|Mantelplumes]] verursacht wird, deren Ursprung an der Kern-Mantel-Grenze liegt und die daher zumindest teilweise aus Material des unteren Erdmantels bestehen.
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== Gewinnung ==
[[Erdgas]] mit einem Heliumanteil ab 0,2 %<ref name="LindeTech" /> 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 [[Kohlenwasserstoffe]]n (vorwiegend [[Methan]]) und [[Stickstoff]]verbindungen, zu trennen. Bei der Herstellung von [[Flüssigerdgas|LNG]] zum internationalen Handel per Schiff erfolgt dieser Vorgang zwangsläufig, wodurch sich unter Umständen wenigerauch lohnenswertedie Nutzung geringerer Helium-Konzentrationen wirtschaftlich gewinnbar werdenlohnen könnenkann.
 
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 [[Sibirien]]s 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 vertriebenvertriebenen wurdeHeliums her. Das Helium wird dort im Zugebei der Erdgasverflüssigung gewonnen.
 
Bei [[Amarillo (Texas)|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 &nbsp;Mio. &nbsp;m³ im Bundesspeicher vorhanden.<ref name="usgs_2022">[https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2022/mcs2022-helium.pdf U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries 2022: HELIUM].</ref>
 
Dadurch wurde zunächst eine Heliumschwemme mit sehr niedrigen Preisen verursacht, die zu verschwenderischem Umgang führte undfür lange Zeit keinezu Maßnahmenverschwenderischem zurUmgang Sparsamkeit aufkommen ließführte. 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.<ref>hda: [https://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/edelgas-nobelpreistraeger-warnt-vor-weltweitem-helium-mangel-a-713535.html ''Edelgas, Nobelpreisträger warnt vor weltweitem Helium-Mangel''.] [[Spiegel Online]], 24. August 2010; abgerufen am 30. Juni 2012.</ref><ref name="Spektrum">Robert Gast: [http://www.spektrum.de/alias/inerte-gase/das-unterschaetzte-element/1155942 ''Inerte Gase, Das unterschätzte Element''.] Spektrum.de, 29. Juni 2012; abgerufen am 30. Juni 2012.</ref> 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.<ref>{{Internetquelle |autor=Harald Frater |url=http://www.scinexx.de/wissen-aktuell-20326-2016-06-28.html |titel=Rettender Fund wendet Heliumkrise ab: Forscher entdecken gigantisches Helium-Reservoir in Tansania |werk=scinexx.de |abruf=2016-06-30}}</ref> Im September 2019 wurde wieder auf eine drohende weltweite Heliumkrise hingewiesen.<ref>{{Internetquelle |autor=Christoph Seidler |url=https://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/helium-forscher-warnen-vor-weltweiter-knappheit-a-1287198.html |titel=Helium: Forscher warnen vor weltweiter Knappheit |werk=[[Spiegel Online]] |datum=2019-09-17 |abruf=2019-09-24}}</ref> 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.<ref name="usgs_2022"/>
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.<ref name="usgs_2022"/>
 
Die europäische Union hat Helium von der [[Liste der kritischen Rohstoffe]] gestrichen. Dennoch kommt es immer wieder zu Versorgungsengpässen („Heliumkrise“).<ref>{{Internetquelle|autor=Rainer Kurlemann |url=https://www.heise.de/hintergrund/Helium-Warum-die-Versorgung-mit-dem-Edelgas-unuebersichtlich-ist-7285962.html |titel=Helium: Warum die Versorgung mit dem Edelgas unübersichtlich ist |werk=heise.de |datum=2022-10-07 |abruf=2023-04-27}}</ref><ref>{{Internetquelle|autor=Omer Awan |url=https://www.forbes.com/sites/omerawan/2022/11/10/the-helium-crisis-how-it-will-affect-you-and-your-loved-ones/ |titel=Why The Global Helium Shortage May Be The World’s Next Medical Crisis |werk=forbes.com |datum=2022-11-10 |abruf=2023-04-27}}</ref>
Die weltweiten Heliummärkte gelten zudem als ausgesprochen intransparent.<ref>{{Internetquelle|autor=Christoph Seidler |url=https://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/helium-forscher-warnen-vor-weltweiter-knappheit-a-1287198.html |titel=Helium: Forscher warnen vor weltweiter Knappheit |werk=[[Spiegel Online]] |datum=2019-09-17 |abruf=2023-04-27}}</ref> 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.<ref>{{Internetquelle | autor=Norbert Lossau | url=http://www.welt.de/wissenschaft/article238234573/Rohstoffkrise-Warum-das-Edelgas-Helium-jetzt-knapp-und-teuer-ist.html | titel=Rohstoffkrise: Warum das Edelgas Helium jetzt knapp und teuer ist | werk=[[Die Welt#Online-Ausgabe|welt.de]] | datum=2022-04-19 |abruf=2023-04-27}}</ref>
 
Die weltweiten Erzeugermengen verteilen sich wie folgt:
 
{| class="wikitable sortable"
|+ Fördermengen in Millionen Kubikmeter
|-
! Land
! 2019<br><ref name="usgs_2021">[https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2021/mcs2021-helium.pdf U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries 2021: HELIUM].</ref>
! 2020<br><ref name="usgs_2022" />
! 2023<br><ref>{{Internetquelle |url=https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2024/mcs2024-helium.pdf |titel=Helium |hrsg=U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, January 2024 |sprache=en |abruf=2024-03-06}}</ref>
|-
|
|colspan="2" style="text-align:center"| (in Millionen [[Kubikmeter|m³]])
|-
| {{USA}}<br>(aus Cliffside-Speicher) || {{0|(0}}89<br>{{0}}(21) || {{0|(0}}83<br>{{0|00}}(7) || {{0|(0}}79<br>{{0}}(19)
| {{USA}} || 89 (davon 21 aus Cliffside-Speicher) || 83 (davon 7 aus Cliffside-Speicher)
|-
| {{DZA}} || {{0|(0}}14 || {{0|(0}}14 || {{0|(0}}10
|-
| {{AUS}} || {{0|(00}}4 || {{0|(00}}4 || {{0|(00}}1
|-
| {{CAN}} || {{0|(0}}<1 || {{0|(0}}<1 || {{0|(00}}4
|-
| {{CHN}} || || {{0|(00}}1 ||
|-
| {{POL}} || {{0|(00}}1 || {{0|(00}}1 || {{0|(00}}3
|-
| {{QAT}} || {{0|(0}}45 || {{0|(0}}51 || {{0|(0}}66
|-
| {{RUS}} || {{0|(00}}5 || {{0|(00}}5 || {{0|(00}}8
|-
| '''Gesamt (gerundet)''' || {{0|(}}'''160''' || {{0|(}}'''160''' || {{0|(}}'''171'''
|}
 
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=== Erzeugung ===
Prinzipiell kann Helium in [[Kernreaktion]]en gewonnen werden. Vielfach ist es dabei ein [[Koppelprodukt]] oder eigentlich gänzlich unerwünscht. Helium <sup>-4</sup>He entsteht durch Neutronenbeschuss von [[Lithium]] <sup>-6</sup>Li in einem [[Kernreaktor]]; als Nebenprodukt entsteht [[Tritium]] <sup>3</sup>H (überschwerer Wasserstoff). Tritium ist aufgrund seines deutlich höheren Preises zumeist das Hauptziel dieser Reaktion:
 
: <mathchem>\mathrm{{} ^6 Li + n \-> \rightarrow \ {}^3 H + {}^4 He} </mathchem>.
 
Tritium zerfällt zu <sup>Helium-3</sup>He 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 [[Wirkungsquerschnitt]]e relativ gering.:
 
:<chem> ^7Li + p -> 2\ ^4He </chem>
 
:<chem> ^7Li + n -> 2\ ^4He + e^- </chem>.
 
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.
 
Es werden sehr geringe Mengen von Helium <sup>-3</sup>He in mit Wasser [[Moderator (Physik)|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 <sup>-3</sup>He wird. Bei normalem Wasserstoff ist die Einfangrate höher als beim darauf folgenden Schritt des Neutroneneinfanges durch schweren Wasserstoff (deshalb können Kernkraftwerke, [[Schwerwasserreaktor|die Schweres Wasser als Moderator verwenden]], auch mit Natururan betrieben werden):
 
: <math>\mathrm{{}^{1}_{1}H\ \ \xrightarrow {(n,\gamma)}\ \ ^{2}_{1}H\ \ \xrightarrow {(n,\gamma)}\ \ ^{3}_{1}H\ \ \xrightarrow [12{,}33\ \ a]{\beta^-} \ \ ^{3}_{2}He}</math>
:<small>Die angegebenen Zeiten sind [[Halbwertszeit]]en.</small>
 
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 0,2-02…0,4 % im [[thermisches Neutron|thermischen Spektrum]]) der Kernspaltungen sind [[: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 [[Druckwasserreaktor]]en 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 [[Wirkungsquerschnitt]]es wird hierbei zumeist Bor-10 (<sup>10</sup>B) angereichert, welches in natürlichen Bor nur gut 20 % ausmacht. Trifft ein schnelles Neutron auf Bor-10 (<sup>10</sup>B), dann kann es passieren, dass dieses ein Neutron „los schlägt“„losschlägt“ und Bor-9 (<sup>9</sup>B) entsteht. Dieses ist höchst instabil und zerfällt unter Abgabe eines Protons zu Beryllium-8 (<sup>8</sup>Be), welches im Vergleich zu zwei Alphateilchen energetisch höchst ungünstig ist und daher entsprechend schnell zerfällt. Die Bruttoreaktionsgleichung lautet daher:
:<chem> ^10B + n -> 2\ ^4He + p + 2n </chem>
 
Fängt Bor-11 (<sup>11</sup>B) ein Neutron ein, erfolgt in 99,6 % der Fälle der Betazerfall zu stabilem Kohlenstoff-12 (<sup>12</sup>C) in den verbleibenden 0,4 % der Fälle wird nach Abgabe eines Betateilchens analog zu oben über den Zwischenschritt Beryllium-8 (<sup>8</sup>Be) das Ausgangsmaterial in drei Alphateilchen umgesetzt.
 
:<chem> ^11B + n -> 3\ ^4He + e^- </chem>
 
== Eigenschaften ==
=== Physikalische Eigenschaften ===
[[Datei:He4 de.svg|mini|upright=1.2|Phasendiagramm von <sup>Helium-4</sup>He:<br />hcp: [[Hexagonales Kristallsystem|hexagonal-dichteste Kugelpackung]]<br />bcc: [[Kubisches Kristallsystem|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&nbsp;K liegt <sup>4</sup>He in einer [[Suprafluidität|suprafluiden]] Phase vor. Bei Normaldruck wird Helium selbst bei einer Temperatur nahe 0&nbsp;K nicht fest. Erst bei einem Druck oberhalb 2,5&nbsp;MPa (rund 25-facher Atmosphärendruck) geht Helium bei hinreichend tiefen Temperaturen in eine feste Phase über.
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Helium II ist ein [[Suprafluidität|suprafluider]] Stoff. So fließt es etwa durch kleinste Öffnungen in Größenordnungen von 10<sup>−7</sup>&nbsp;bis&nbsp;10<sup>−8</sup>&nbsp;m und hat keine messbare [[Viskosität]]. 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) nach [[László Tisza]] erklärt. Laut dieser Theorie ist Helium&nbsp;II wie ein Gemisch aus <sup>4</sup>He-Teilchen im normalfluiden sowie im suprafluiden Zustand, demnach verhält sich Helium&nbsp;II so, als gäbe es einen Anteil an Heliumatomen mit und einen ohne messbarer Viskosität. Anhand dieser Theorie können viele Phänomene der Tiefentemperaturphysik 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.<ref name="Tiefentemperaturphysik">Enns, Hunklinger: ''Tiefentemperaturphysik''. 2000, S.&nbsp;13&nbsp;ff.</ref> In Helium II konnten die von [[Lew Dawidowitsch Landau|Lew Landau]] postulierten [[Roton (Physik)|Rotonen]] als kollektive Anregungen nachgewiesen werden.
 
[[Datei:Helium-II-creep.svg|mini|hochkant=0.72|{{nowrap|[[Onnes-Effekt]] des Helium&nbsp; II}}]]
Helium&nbsp;II zeigt den [[Onnes-Effekt]]: Wenn eine Oberfläche aus dem Helium hinausragt, bewegt sich das Helium auf dieser Fläche gegen die Schwerkraft. Helium&nbsp;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&nbsp;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&nbsp;II aufzubewahren, ohne dass es entweicht oder verdunstet.
 
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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 [[Atomorbital]]e (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 [[Chemische Bindung|Bindung]] zustande.
 
| :[[Datei:Helium-Orbitale.svg|zentriertlinks|350pxmini|Besetzung der Orbitalehochkant=1.2|Orbitalbesetzung eines hypothetischen He<sub>2</sub>-Moleküls.]]▼
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▲| [[Datei:Helium-Orbitale.svg|zentriert|350px|Besetzung der Orbitale eines hypothetischen He<sub>2</sub>-Moleküls.]]
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|style="text-align:center"| Besetzung der Orbitale eines hypothetischen He<sub>2</sub>-Moleküls.
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{{Absatz}}
 
Aufgrund der für alle Atome und Moleküle wirksamen [[Van-der-Waals-Wechselwirkung]] existiert jedoch bei Helium ein [[Dimer]], allerdings mit einer äußerst kleinen Bindungsenergie von circaca. 1,1&nbsp;mK (k<sub>B</sub>T = 91,5 52&#8239;· &#8239;10<sup>−26</sup>&nbsp;J, k<sub>B</sub>T/e = 9,5&#8239;·&#8239;10<sup>−8</sup>&nbsp;eV)<ref name="Umrechnung_K_Joule">Zur Umrechnung von in Kelvin angegebenen Energieeinheiten in Joule siehe [[Kelvin#Kelvin als Maß für Energie]].</ref> und einem entsprechend großen Bindungsabstand von circaca. 52&nbsp;Å.<ref name="Grisenti2000">R. E. Grisenti, W. Schöllkopf, J. P. Toennies, G. C. Hegerfeldt, T. Köhler, M. Stoll: ''Determination of the Bond Length and Binding Energy of the Helium Dimer by Diffraction from a Transmission Grating''. In: ''Phys. Rev. Lett.'', 85, 11, 2000, S.&nbsp;2284–2287; {{bibcode|2000PhRvL..85.2284G}}.</ref>
 
==== Ionische Bindungen ====
Unter extremen Bedingungen ist es möglich, eine quasichemische Verbindung von Helium mit einem Proton (HeH<sup>+</sup>) zu erzeugen. Diese Verbindung ist bei [[Normalbedingung]]en sehr instabil und kann nicht in Form eines [[Salze]]s wie HeH<sup>+</sup>X<sup>−</sup> isoliert werden.
 
: <mathchem>\mathrm{He + H^+ \longrightarrow-> HeH^+} </mathchem>
: <small>In einem Gemisch aus Helium und Wasserstoff bildet sich während einer elektrischen Entladung ein [[Heliumhydrid-Ion]]</small>
 
Eine entsprechende Reaktion kann zwischen zwei Helium-Atomen ablaufen, wenn die zur Ionisierung notwendige Energie zugeführt wird.
 
: <mathchem>\mathrm{ He + He \longrightarrow-> HeHe^+ + e^-} </mathchem>
 
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.
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== Isotope ==
{| class="wikitable float-right"
|+ Verschiedene Eigenschaften der stabilen Heliumisotope
|-
! || <sup>3</sup>He || <sup>4</sup>He
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|}
 
Von den acht bekannten [[Isotop]]en des Heliums (mit jeweils 2 Protonen und 1 bis 8 Neutronen) sind lediglich [[Helium-3|<sup>3</sup>He]] und <sup>4</sup>He stabil. In der Erdatmosphäre existiert pro Million <sup>4</sup>He-Atome nur ein <sup>3</sup>He-Atom. Jedoch variiert die Proportion der beiden Isotope je nach dem Herkunftsort der untersuchten Heliumprobe. Im interstellaren Medium sind <sup>3</sup>He-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&nbsp;10. Diese Variationen werden in der Geologie benutzt, um die Herkunft des Gesteines zu klären (siehe auch Abschnitt [[#Erde|''Erde'']]).
 
<sup>3</sup>He und <sup>4</sup>He weisen aufgrund der unterschiedlichen Symmetrieeigenschaften (<sup>3</sup>He-Atome sind [[Fermion]]en, <sup>4</sup>He-Atome sind [[Boson]]en) einige unterschiedliche physikalische Eigenschaften auf, die sich insbesondere bei tiefen Temperaturen zeigen. So trennen sich gleiche Anteile von flüssigem <sup>3</sup>He und <sup>4</sup>He unter 0,8&nbsp;Kelvin aufgrund ihrer unterschiedlichen Quanteneigenschaften in zwei unmischbare Flüssigkeiten, ähnlich Öl und Wasser. Dabei schwimmt eine Phase aus reinem <sup>3</sup>He auf einer Phase, die hauptsächlich aus <sup>4</sup>He besteht. Weiterhin unterscheiden sich die zwei Isotope deutlich in ihren suprafluiden Phasen (siehe Abschnitt ''[[#Helium II|Helium&nbsp;II]]'').
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=== Hypothetisches Diproton ===
Ein besonderes, fiktives Isotop des Heliums ist <sup>2</sup>He, dessen Kern, das [[Diproton]], imkein FalleNeutron seinerenthielte, Existenzsondern lediglich aus zwei Protonen bestünde. Für ein System aus zwei Protonen gibt es jedoch keinen gebundenen Zustand, da sich diese wegen des [[Pauli-Prinzip]]s&nbsp;– im Gegensatz zum Proton und Neutron beim [[Deuteron]]&nbsp;– nur in einem [[Singulett|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 ==
[[Datei:Henelaserschema.svg|mini|Schematische Darstellunghochkant=1.2|Prinzipaufbau eines [[Helium-Neon-Laser]]s]]
 
Das im Großhandel angebotene Helium stammt weltweit aus Großanlagen in fünf Ländern ([[USA]], [[Russland]], [[Polen]], [[Katar]] und [[Algerien]]<ref name="LindeTech">{{Internetquelle |url=http://www.the-linde-group.com/internet.global.thelindegroup.global/de/images/6105899016_10186.pdf |titel=Kaltes Gas – heiss begehrt |werk=Linde Technology, #1, 2008 |hrsg=Linde AG |seiten=11–15 |datum=2008 |format=PDF |offline=1 |archiv-url=https://web.archive.org/web/20140317080629/http://www.the-linde-group.com/internet.global.thelindegroup.global/de/images/6105899016_10186.pdf |archiv-datum=2014-03-17 |abruf=2014-09-13}}</ref>), 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).<ref>{{Internetquelle |url=https://produkte.linde-gase.de/db_neu/helium_7.0.pdf |titel=Helium 7.0 Datenblatt |format=PDF |abruf=2018-07-22}}</ref> Stahlflaschen mit typisch 10-5010–50 Liter Volumen enthalten bei 200 bar nur 1,8 bis 9,1 &nbsp;Normkubikmeter Helium, da es sich bei 200&nbsp;bar schon deutlich [[Ideales Gas|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 Trailer]]n mit typisch zehn 12&nbsp;m langen Rohren gefüllt mit etwa 200&nbsp;bar Helium, in Summe 5000 Normkubikmeter.<ref>[https://cmwelding.com/configuration/helium-he-tube-trailer-10-tubes-dot-3t-2850psi-40-ft Helium Tube Trailer - 10 Tubes DOT 3T 2850 psi 40 ft.] cmwelding.com; abgerufen am 30. Oktober 2019.</ref>
 
Helium wird 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 „Ballongas“ angeboten, um damit auf Veranstaltungen und Feiern einfach und gefahrlos kleinere Mengen von Luftballons aufblasen und aufsteigen lassen zu können.<ref name="ballongas">{{Internetquelle |url=https://shop.linde-gas.de/shop/LINDownloadSafetyDataSheets?catalogId=3074457345616681318&langId=-3&storeId=715845184&fromMSDS=true&filename=SDS_TG_8339_DE_DE.PDF |titel=EG Sicherheitsdatenblatt GA342 Ballongas |hrsg=The Linde Group |format=PDF |abruf=2018-07-22}}</ref> Ballongas kann grundsätzlich auch als [[Traggas]] für größere Ballone wie [[Wetterballon]]e eingesetzt werden, ist aber im Vergleich zu [[Wasserstoff]] in dieser Anwendung teurer.
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* 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.<ref>''Technisches Tauchen''. In: ''[[Unterwasser (Zeitschrift)|Unterwasser]]'', Ausgabe 05/2010 vom 13. April 2010.</ref><ref>spez. Wärmekapazität von He / N<sub>2</sub> / O<sub>2</sub> = 5193 / 1040 / 920 J/(kg · K) = ca. 5 : 1 : 0,95 (bei 298 K).</ref>
* In der [[Lebensmittelindustrie]] wird es als Treibgas oder Packgas verwendet und ist als [[Lebensmittelzusatzstoff]] [[Liste der Lebensmittelzusatzstoffe#Liste der Zusatzstoffe mit E-Nummer und/oder INS|E&nbsp;939]] zugelassen.<ref>[[Zusatzstoff-Zulassungsverordnung]]: {{§§EU-Verordnung|zzulv_19982008|juris1333|seitekonsolidiert=anlage_3.html|text=Anlage 3 (zu § 5 Abs. 1 und § 7) Allgemein zugelassene Zusatzstoffe2022-10-31}}.</ref>
* Helium ist ein bevorzugtes [[Traggas]] für [[Gasballon|Ballons]] und [[Luftschiff]]e, 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 [[Schutzgasschweißen|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 <sup>4</sup>He und <sup>3</sup>He) als [[Kühlmittel]] zum Erreichen sehr tiefer [[Temperatur]]en eingesetzt (''siehe dazu:'' [[Kryostat]]). Mit <sup>4</sup>He lassen sich durch Verdampfungskühlen Temperaturen bis etwa 1&nbsp;K erreichen, mit dem Isotop <sup>3</sup>He bis etwa 240&nbsp;mK.<ref name="Temperaturen">Jens Wiebe: [https://www.physnet.uni-hamburg.de/services/biblio/dissertation/dissfbPhysik/___Kurzfassungen/Jens_Bernhard_Reinhold___Wiebe.htm ''Aufbau einer 300-mK-Ultrahochvakuum-Rastertunnelmikroskopie-Anlage mit 14-T-Magnet und Untersuchung eines stark ungeordneten zweidimensionalen Elektronensystems''.] Dissertation, Universität Hamburg, 2003. S.&nbsp;17; {{Webarchiv |url=http://www3.physnet.uni-hamburg.de/services/fachinfo/___Volltexte/Jens_Bernhard_Reinhold___Wiebe/Jens_Bernhard_Reinhold___Wiebe.pdf |text=physnet.uni-hamburg.de |format=PDF; 7,4&nbsp;MB |wayback=20160827042229}} S.&nbsp;23.</ref> Mit dem Verfahren der [[3He-4He-Mischungskühlung|<sup>3</sup>He-<sup>4</sup>He-Mischungskühlung]] werden bis etwa 5&nbsp;mK erreicht,<ref name="Temperaturen" /> wobei dieses Verfahren deutlich kostengünstiger als eine reine <sup>3</sup>He-Kühlung ist. Beim Einsatz von [[Supraleitung|supraleitenden]] [[Magnet]]en 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]] (MRS) und der Betrieb von [[Synchrotron|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: [[Infrared Astronomical Satellite|IRAS]], [[Infrared Space Observatory|ISO]], das [[Spitzer-Weltraumteleskop|Spitzer]]- und das [[HerschelJames-Webb-Weltraumteleskop]]. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Herstellung von [[Lichtwellenleiter|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 <sup>4</sup>He, während <sup>3</sup>He 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 [[Dichtheitsprüfung#Prüfverfahren mit Helium|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.
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== Gefahren ==
Helium zählt zu denals [[Inertgas]]en und ist ungiftig. Bei der Handhabung von größerenGrößeren Mengen gasförmigen Heliums müssenkönnen danndurch SicherheitsmaßnahmenVerdrängen getroffendes werden,Luftsauerstoffs wennerstickend aufgrund der Gasmenge und der räumlichen Situation die Gefahr besteht, dass es zu einer Verdrängung von Atemluft kommen kannwirken. Die Unfallzahlen durch Ersticken sind beidurch Heliumdie imgeringe Gegensatz zu anderen häufig als Inertgas eingesetzten Gasen (z.&nbsp;B. [[Stickstoff]])Dichte niedrigergering, da aufgrund der geringen Dichte gasförmiges Heliumes sofort aufsteigt und essich somit auchnicht in schlecht belüfteten Räumen in unteren Bereichen nur in seltenen Fällen zu einer vollständigen Sauerstoffverdrängung der Umgebungsluft und damit zu der Gefahr einer [[Erstickung]]Mulden kommtsammelt. Potentielle Gefahrenbereiche können Ansammlungen von Heliumgas in nach oben dichten baulichen Strukturen sein, beispielsweise Dachstühle, unter denen sich eine „Heliumblase“ bilden kann.<ref name="a">{{Internetquelle |url=http://www.linde-gas.com/en/legacy/attachment?files=tcm:on17-13909,tcm:n17-13909,tcm:17-13909 |titel=Hazards of inert gases and oxygen depletion |hrsg=European Industrial Gases Association AISBL |datum=2009 |abruf=2018-07-21 |archiv-url=https://web.archive.org/web/20190531223925/http://www.linde-gas.com/en/legacy/attachment?files=tcm:on17-13909,tcm:n17-13909,tcm:17-13909 |archiv-datum=2019-05-31 |offline=ja }}</ref>
 
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 [[Flüssigstickstoff|LN<sub>2</sub>]] aus, da Flüssig-Helium selbst nur eine extrem geringe Kühlleistung (220 ml LHe hat die Kühlleistung von 1 ml LN<sub>2</sub>) hat. Eine [[Schutzbrille]] schützt die Augen oder ein [[Visier (Helm)|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 [[Gasflasche|Stahlzylinder]] für 200&nbsp;bar Hochdruck oder aber geschweißte (oft: Einweg-)Flaschen – stehen unter hohem Druck. Ihr Erhitzen über den Richtwert von 60&nbsp;°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.
 
== Sonstiges ==
NachBefindet demsich Einatmenim vonBereich Heliumdes klingt,Nasen-Rachen-Raumes solangestatt dieLuft Atemwege einen relevant hohen Anteil anein Helium enthalten-Luft-Gemisch, klingt die menschliche Stimme erheblich höher. (Populär wird dieser Effekt „[[Micky Maus|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 [[Formant]]en im Mundraum ab, die durch Faktoren wie Zungen- und Lippenstellung beeinflusst werden. (Formanten sind diejenigen Frequenzbereiche, die am stärksten durch [[Resonanz (Physik)|Resonanzwirkung]] verstärkt werden.) Diese Formanten hängen auch von der Schallgeschwindigkeit ''c'' im entsprechenden Medium ab (c<sub>Luft</sub> =: 350353&nbsp;m/s, c<sub>Helium</sub>: = 10301011&nbsp;m/s)<ref>bei Körpertemperatur von 37 °C</ref>. Beträgt zum Beispiel die Lage der ersten drei Formanten in Luft 220, 2270&nbsp;und 3270&nbsp;Hz, so ändert sich dies in (reinem) Helium zu 320630, 39006500&nbsp;und 55009360&nbsp;Hz. Dadurch ergibt sich ein anderes Stimmbild und die Stimme erscheint insgesamt höher, selbst wenn die Höhe des [[Stimmton]]es durch das EdelgasHelium unverändert bliebe.
 
Einen ähnlichen Effekt gibt es, wenn ein (anfangs nur luftgefülltes) Blasinstrument mit Helium angeblasen wird.
 
<!-- == Siehe auch == -->
 
== Literatur ==
* P. Häussinger, R. Glatthaar, W. Rhode, H. Kick, C. Benkmann, J. Weber, H.-J. Wunschel, V. Stenke, E. Leicht, H. Stenger: ''Noble Gases.'' In: ''[[Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry]].'' Wiley-VCH, Weinheim 2006 ([[doi:10.1002/14356007.a17_485]]).
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== Weblinks ==
{{Commonscat}}
{{Wiktionary}}
{{Commons}}
{{Wikibooks|Wikijunior Die Elemente/ Elemente/ Helium}}
* [http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/helium/heliumcs06.pdf Jahresbericht des Bureau of Land Management] (englisch, PDF, 76&nbsp;KiB)
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[[Kategorie:Lebensmittelzusatzstoff (EU)]]
[[Kategorie:Namensgeber (Asteroid)für einen Asteroiden]]
[[Kategorie:Helium| ]]
Abgerufen von „https://de.wikipedia.org/wiki/Helium“