Helium (altgr. ἥλιος hélios „Sonne“) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol He und der Ordnungszahl 2. Im Periodensystem steht es in der 18. Gruppe (früher 8. Hauptgruppe) und zählt damit zu den Edelgasen. Es ist ein farbloses, geruchloses, geschmacksneutrales, ungiftiges Gas.
Helium bleibt bis zu sehr tiefen Temperaturen gasförmig, erst nahe dem absoluten Nullpunkt wird es flüssig. Es ist die einzige Substanz, die bei Normaldruck selbst am absoluten Nullpunkt (0 K bzw. −273,15 °C) nicht fest wird. Helium ist die Substanz mit der größten bekannten chemischen Reaktionsträgheit. Auch unter Extrembedingungen konnten bis jetzt keine Verbindungen des Heliums nachgewiesen werden, die nicht sofort nach der Bildung zerfallen. Soweit bekannt, kommt Helium nur atomar vor. Das häufigste stabile Isotop ist 4He; ein weiteres stabiles Isotop ist das sehr seltene 3He.
Aktuell wird Helium in elf Ländern produziert, von denen Katar, die USA und Algerien die größte Bedeutung haben. Besonders im Fall von Katar und Algerien sind jedoch nur Schätzungen der Heliumproduktion bekannt, die offensichtlich großen Schwankungen unterliegt. Dies führt weltweit immer wieder zu erheblichen Preisausschlägen und auch Verknappungen, zu deren Ursachen auch technische Probleme bei der Produktion gehören.
Helium wird industriell gewonnen 1:
a) bei der Verflüssigung von Erdgas zu Flüssigerdgas („liquified natural gas“ = LNG) in LNG-Anlagen, derzeit in Algerien, Australien und Katar. Hierbei wird – stark vereinfacht dargestellt – das Rohgas durch verschiedenste Methoden von allen unerwünschten Bestandteilen, wie N2, CO2, H2O, H2S, H2, O2, Hg, He, Ne, Ar und den schweren Kohlenwasserstoffen befreit. Das verbleibende, mit 98 % CH4 fast reine Methan, wird unterhalb seiner Siedetemperatur von -162 °C heruntergekühlt und damit zu einem versand- bzw. verkaufsfähigen Produkt verflüssigt.
Aus dem verbleibenden Restgas werden auch dessen Bestandteile nacheinander und voneinander getrennt, wobei unterhalb -246,06 °C, der Siedetemperatur von Neon, nur noch Helium als Gas zurückbleibt und als letztes abgezogen wird. In zahlreichen Prozessschritten kann so Helium mit einer Reinheit von 99,999 % He produziert werden. Zumeist wird das Helium dann auch noch verflüssigt, da es so wesentlich leichter – in Spezialbehältern - über große Entfernungen transportier- und vermarktbar ist.
b) bei der Denitrifikation von Erdgas, derzeit z. B. in den USA, Russland und Polen. Um die in einigen Erdgaslagerstätten zu hohen Gehalte an nicht-brennbarem Stickstoff zu reduzieren (und zugleich, bzw. in China und Indien sogar vorrangig, als weitere Verkaufsprodukte Stickstoff und Helium zu gewinnen) werden Stickstoff und Helium abgetrennt. Vor allem in den USA fällt dabei in einigen älteren Heliumanlagen zuerst Rohhelium etwa 60 – 80 % He an, das anschließend in anderen Anlagen noch zu Reinhelium etwa 99,995 % He aufgereinigt werden muss. Im Einzelnen gibt es dazu zahlreiche Varianten und Patente.
In den USA und Kanada werden aufgrund der stark gestiegenen Heliumpreise seit einigen Jahren auch heliumreiche Stickstoffgase gefördert und auf ähnliche technische Weise vorrangig auf Helium hin aufbereitet.
c) bei der Reinigung von Kohlendioxidnaturgas. Kohlendioxid wird in den USA beim Fracking eingesetzt, so dass sich ein großer Gasproduzent entschloss, ein sehr CO2-reiches Naturgas aufzubereiten und dabei Helium als Verkaufsprodukt zu gewinnen. Im Jahr 2015 wurde die weltweit erste Heliumanlage auf CO2-Gasbasis am Standort Doe Canyon/Colorado eingeweiht.
d) bei der Luftzerlegung, derzeit z. B. in Leuna in Sachsen-Anhalt, in der Ukraine und in mehreren Anlagen in China. Hierbei fällt Helium als Nebenprodukt der Neongewinnung an, wobei es mit bis zu 24 % Anteil in der Rohneon‑Helium-Fraktion enthalten ist. Aus dieser wird es dann in mehreren weiteren Schritten abgetrennt. Da die Helium- und Neongehalte in der Luft sehr gering sind, ist diese Form der Heliumgewinnung sehr aufwändig und teuer und auch die dadurch gewonnene Heliummenge im Vergleich zu den anderen Heliumgewinnungsverfahren a) bzw. b) sehr gering.
Unter einer Helium Isotopenanalyse versteht man die Bestimmung des Verhältnisses 3He/ 4He. Dieses Verhälnis ist eine Indikator für die Herkunft des Heliums.
Im Erdmantel ist 3He häufiger (typisches Verhältnis 3He zu 4He von 1:104) als in der Erdkruste und Atmosphäre (typisches Verhältnis 1:106). Grund ist, dass die Erdkruste Richtung Atmosphäre ausgast, und aus radioaktivem Zerfall nachgebildetes Helium immer 4He ist. In Gebieten mit hoher vulkanischer Aktivität, in denen Mantelplumes aus dem Erdmantel aufsteigen, findet sich daher oft eine höhere 3He Konzentration.
Auch geothermische Tiefenwässer können nutzbare Anteile an Helium enthalten. Diese können dem Thermalwasser in übertägigen Anlagen entzogen werden. Wirtschaftlich betriebene Annlagen existieren noch nicht, langfristig kann dies jedoch, auch in Bezug auf die immer wieder auftretende Heliumverknappung, neben Lithium und anderem ein weiterer Bestandteil der Mineralkoproduktion in Geothermieanlagen sein.
Die Beprobung des Gundwassers und die Isotopenanalyse der Proben gibt oft Hinweise auf die Anwesenheit von Mantelhelium im oberflächennahen Grundwasser. Dies kann nur dadurch zu erklären sein, dass eine Wasserwegsamkeit von großen Tiefen (Mantel) bis zur Erdoberfläche besteht, die auch noch rezent verfügbar ist. Die Helium Isotopenanalyse ist damit eine wichtige Methode, um nachzuweisen , ob tiefliegende Störungen heute noch durchlässig sind.
1) Elsner, Harald, BGR, Helium ‒ von einer Knappheit zur nächsten, Commodity TopNews, 70, 2024
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