Flüssiges Helium ist eine der kältesten Flüssigkeiten der Erde und als solche für viele Einsatzbereiche erforderlich. Es sorgt dabei unter anderem für die Kühlung von Materialien oder Anlagen wie supraleitenden Elektromagneten. Diese haben nahezu keinen elektrischen Widerstand und kommen bei der Magnetresonanztomographie (MRT) oder der Kernspinresonanz zum Einsatz. Welche Eigenschaften Helium flüssig (LHE) aufweist, welche Bezugsformen infrage kommen und für welche Anwendungen sich das tiefkalt verflüssigte Gas außerdem eignet, erklären die folgenden Abschnitte.
Die Themen im Überblick
- Helium ist eine der kältesten Flüssigkeiten der Erde
- Technische Eigenschaften von Helium flüssig (LHE)
- LHE eignet sich als Kühlmittel, Trag- und Schutzgas
- Tiefkalt verflüssigtes Heliumgas bringt zahlreiche Vorteile
- Heliumquellen, Aufbereitung und Gasrückgewinnung
- Helium flüssig (LHE) kaufen: Liefermengen und -formen
- Hinweise zum Umgang mit tiefkalt verflüssigten Gasen
- FAQ: Häufig gestellte Fragen und Antworten zum Thema
Helium ist eine der kältesten Flüssigkeiten der Erde
In einer „normalen“ Umgebung kommt Helium (He) gasförmig vor. Es trägt die Ordnungszahl 2 im Periodensystem der Elemente, steht in der 18. IUPAC-Gruppe und gehört zur Kategorie der Edelgase. Kühlt man den Stoff ab, bleibt er länger als andere im gasförmigen Aggregatzustand. Er wechselt erst nah am absoluten Nullpunkt in die flüssige Phase und gehört damit zu den kältesten Flüssigkeiten der Erde. Als solche ermöglicht es flüssiges Helium, Anlagen und Stoffe so stark herunterzukühlen, dass sich supraleitende Eigenschaften erreichen und erforschen lassen.
Nach Wasserstoff ist Helium übrigens das zweithäufigste Element im Universum. Es macht etwa ein Viertel der Materiemasse im Weltall aus und soll dort schon kurz nach dem Urknall entstanden sein. Irdisches Heliumgas entsteht in der Regel bei dem Zerfall radioaktiver Stoffe. Es hat keinen stellaren Ursprung und ist überwiegend in unterirdischen Erdgaslagerstätten zu finden.
Übrigens:
Entdeckt wurde Helium schon im Jahre 1868. Damals untersuchte der französische Astronom Pierre Jules César Janssen das Lichtspektrum der Chromosphäre der Sonne, als er auf die bis dahin unbekannte gelbe Spektrallinie von Helium stieß.
Technische Eigenschaften von Helium flüssig (LHE)
Im gasförmigen Zustand ist der nicht brennbare Stoff farb-, geruch- sowie geschmacklos. Er besteht aus einem Atom und wirkt erstickend, wenn er über die Atmung aufgenommen wurde. Grundsätzlich ist das Gas dabei leichter als Luft. Es lässt sich nur schwer in Wasser auflösen und geht auch bei hohen Temperaturen keine chemischen Verbindungen mit anderen Stoffen ein. Experten sprechen daher auch von einem Inertgas.
Bemerkenswert ist der Siedepunkt, an dem der Stoff vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand übergeht. Denn dieser liegt bei – 269 Grad Celsius (4,2 Kelvin) und damit nahe am absoluten Nullpunkt. Kühlt man Helium flüssig unter -271 Grad Celsius (2,2 Kelvin) ab, wird es zu einem Superfluid. Als solches hat der Stoff eine sehr niedrige Viskosität, eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Kapillarität. Senkt man die Temperatur weiter, bleibt die Substanz als einzige bekannte auch am absoluten Nullpunkt von -273,15 Grad Celsius (0 Kelvin) bei Normaldruck im flüssigen Aggregatzustand.
Die folgende Tabelle stellt die wichtigsten Eigenschaften von Helium flüssig (LHE) in der Übersicht dar:
| Kriterien | Eigenschaften von Helium flüssig (LHE) |
|---|---|
| Name und Symbol | Helium, He (bzw. Helium flüssig oder LHE) |
| Ordnungszahl und Kategorie | 2, Edelgas |
| Eigenschaften | inert, nicht brennbar, farb-, geruch- sowie geschmacklos, leichter als Luft, schlecht wasserlöslich |
| Aggregatzustand | gasförmig oder tiefkalt verflüssigt |
| Dichte (Gas) | 0,1785 kg/m³ |
| Schmelzpunkt | – 272,2 °C bzw. 0,95 K bei 2,5 MPa |
| Siedepunkt | – 269 °C bzw. 4,15 K |
| Schmelzenthalpie | 0,02 kJ/mol |
| Verdampfungsenthalpie | 0,0840 kJ/mol |
| Spezifische Wärmekapazität (Gas) | 5193 J·/(kg*K) |
| Wärmeleitfähigkeit (Gas) | 0,1513 W/(m*K) |
Bei der Verdampfung von einem Liter Helium flüssig, dehnt sich der Stoff um den Faktor 748,5 aus. Das heißt: Ein Liter verflüssigtes Gas entspricht 748,5 Liter der gleichen Substanz im gasförmigen Zustand. Wie die Umrechnung erfolgt und welches Gewicht tiefkalt verflüssigtes Helium einnimmt, geht aus der folgenden Tabelle hervor.
| Volumen im gasförmigen Zustand (Normzustand) | Volumen im flüssigen Zustand (am Siedepunkt) | Gewicht von gasförmigem und flüssigem Helium |
|---|---|---|
| 1.000 Liter | 1,336 Liter | 0,167 kg |
| 748,5 Liter | 1 Liter | 0,125 kg |
| 5.988 Liter | 8 Liter | 1,00 kg |
Der enorme Volumenunterschied zwischen gasförmigem und flüssigem Helium begünstigt dabei die platzsparende Lagerung. Das tiefkalt verflüssigte Gas lässt sich dabei zum Beispiel in superisolierten Tanks bevorraten und vor der Nutzung mit Verdampfern in die Gasphase überführen.
LHE eignet sich als Kühlmittel, Trag- und Schutzgas
Geht es um die Einsatzbereiche, ist flüssiges Helium sehr vielschichtig. So eignet es sich in tiefkalt verflüssigter Form als Kühlmittel. Darüber hinaus kommt das Gas auch als Trag-, Schutz- und Schweißgas zum Einsatz. Die folgende Übersicht zeigt die wichtigsten Anwendungsgebiete nach der Rückverdampfung in den gasförmigen Zustand im Überblick:
- Atemgas und Tauchgas als Gasgemisch mit Sauerstoff (teilwiese auch Stickstoff und Wasserstoff)
- Treibgas oder Packgas in der Lebensmitteltechnik (Lebensmittelzusatzstoff E 939 zugelassen)
- Schutzgas in der Halbleitertechnik und der Elektrotechnik
- Traggas für Luftballons (Ballongas), Werbeartikel und Luftschiffe
- Schweißgas beim Metall-Inertgas-Schweißen (MIG), beim Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG) und beim Plasmaschweißen
- Leckageortung in Rohrleitungen, Armaturen und Vakuumanwendungen
- Treibstoffersatz in Raketen für die Stabilisierung leerer Tanks
- Schutz- bzw. Lasergas beim Laserschneiden und Hilfsgas in Lasern
- Trägergas in der Gaschromatographie (hohe Reinheit erforderlich)
- Arbeitsmedium in Stirlingmotoren (wärmebetriebene Motoren)
In vielen Bereichen kommt Helium flüssig zum Einsatz. Ziel ist dabei in der Regel die Kühlung auf sehr niedrige Temperaturen, die mit keinem anderen Stoff gleichermaßen funktioniert.
- Kühlmittel zum Erreichen sehr niedriger Temperaturen und supraleitender Eigenschaften, zum Beispiel in Magnetresonanztomographen (MRT-Kühlung) und Kernspintomographen
- Kühlmittel für Magneten in bei der Halbleiterverarbeitung, insbesondere bei der Herstellung von Siliziumwafern
- Kühlmittel in Forschungsanlagen zur Untersuchung von Supraflüssigkeiten und supraleitenden Materialien
Die Übersicht zeigt, dass Helium flüssig und gasförmig in vielen Bereichen der Technik fest verankert ist.
Tiefkalt verflüssigtes Heliumgas bringt zahlreiche Vorteile
Geht es um konventionelle Anwendungen von Heliumgas, steht dieses üblicherweise in Gasflaschen oder Gasflaschenbündeln zur Verfügung. Auch wenn sich letztere zu sogenannten Bündelbatterieanlagen zusammenschließen lassen, ist die Reichweite begrenzt. Abhilfe verschaffen superisolierte Großtanks für tiefkalt verflüssigte Gase. Dies fassen bis zu 40.000 Liter und sorgen für eine zuverlässige und unkomplizierte Versorgung von Großverbrauchern wie Industriebetrieben oder großen Laboranlagen.
Die wichtigsten Vorteile von Helium flüssig (LHE) zeigen sich dabei in der Wirtschaftlichkeit:
- große Lagerkapazitäten bei vergleichsweise geringem Platzbedarf
- große Abnahmemengen von flüssigem Helium zu günstigen Konditionen
- unkompliziertes Gashandling ohne häufigen Flaschen- oder Bündeltausch
- mit anderen Lösungen schwer erreichbare technische Möglichkeiten (Suprakühlung)
Ein Nachteil ist der volatile und intransparente Markt. Es ist nicht sicher, wie weit die förderbaren Heliumvorräte auf der Erde noch reichen, was unter Umständen zu hohen Preisen führen kann. Dieser Fakt gilt allerdings für das Gas im Allgemeinen und nicht für flüssiges Helium im Speziellen.
Heliumquellen, Aufbereitung und Gasrückgewinnung
Wie einleitend beschrieben, entsteht Heliumgas auf der Erde durch den Zerfall radioaktiver Stoffe wie Uran oder Radium. Das Gas sammelt sich dabei in natürlichen Erdgasvorkommen an, aus denen es sich im Zuge der Erdgasförderung zutage befördern lässt. Die Trennung vom Erdgas erfolgt daraufhin mittels fraktionierter Destillation. Dabei wird ein Gasgemisch erhitzt und abgekühlt, sodass verschieden Substanzen kondensieren. Der Prozess wiederholt sich so lange, bis die gewünschte Reinheit erreicht ist und alle anderen Gasbestandteile entzogen werden konnten.
Ressourcenschonend: Heliumrückgewinnung für Industrie und Labor
Helium (flüssig oder gasförmig) ist nur begrenzt auf der Erde vorhanden. Um die natürlichen Ressourcen zu schonen und die eigenen Betriebskosten zu senken, kommen Rückgewinnungsanlagen zum Einsatz. Diese sammeln Heliumgas von Instrumenten oder Anlagen, um es mit Trocknern, Aktivkohle und Kryotechnik zu reinigen. Anschließend strömt das Gas durch einen Verflüssiger, der es in die flüssige Phase überführt. In dieser lässt es sich daraufhin speichern und erneut für technische Anwendungen nutzen. Abhängig vom Aufbau der Anlage spart das nennenswerte Gasmengen ein, was wirtschaftlich von Vorteil ist.
Helium flüssig (LHE) kaufen: Liefermengen und -formen
Möchten Sie Helium flüssig (LHE) kaufen, steht Ihnen die Substanz je nach Bedarf in unterschiedlichen Einheiten zur Verfügung. Kleinere Mengen von drei bis zu 450 Liter liefern Anbieter dabei in Dewargefäßen. Dabei handelt es sich um superisolierte Behälter, die einfach beschrieben, einer Thermoskanne ähneln. Sie bestehen aus einer doppelwandigen Hülle mit Vakuum im Zwischenraum. Letzteres reduziert den Wärmetransport auf ein Minimum und sorgt dafür, dass flüssiges Helium nur sehr langsam erhitzt und verdampft.
Decken die Gefäße den eigenen Bedarf nicht, kommen Großtanks für tiefkalt verflüssigte Gase zum Einsatz, die bis zu 40.000 Liter Helium flüssig bevorraten. Der Vorteil hier: Mit Verdampfern lässt sich die Flüssigkeit kontrolliert in den gasförmigen Aggregatzustand überführen und wie gewohnt als Gas in der Anlage verwenden.
Hinweise zum Umgang mit tiefkalt verflüssigten Gasen
Von tiefkalt verflüssigten Gasen wie flüssigem Helium gehen eine Reihe von Gefahren aus. Diese lassen sich auf die besonders niedrige Temperatur zurückführen und erfordern einige Sicherheitsvorkehrungen. Wichtig ist dabei Folgendes:
- Hinweisschilder und Instruktion aller, die mit den Gasen umgehen
- Einsatz zugelassener Lagerbehälter für verflüssigte Gase
- Umgang und Lagerung in gut belüfteten Räumen
- Beschränkung des Zugangs zu den Lagerbehältern
- Tragen von Schutzkleidung bei dem Umgang mit verflüssigtem Gas (Brille, Kittel, Schutzhandschuhe sowie lange und für Kryotechnik zugelassene Kleidung)
- Substanz nicht trinken und gasförmig nicht einatmen (Gefahr von Kälteverbrennung, Ersticken und Lungenschäden durch kaltes Gas)
- Gase langsam verdampfen, um schlagartiges Ausdehnen zu vermeiden (Achtung: Sauerstoffverdrängung, Erstickungsgefahr und Gefahr von Lungenschäden durch Einatmen kalter Gase)
- ordnungsgemäße Lagerung und Ladungssicherung beim Transport
Die wichtigsten Tipps und Hinweise zum Umgang mit tiefkalt verflüssigten Gasen hat der Industriegasverband e.V. (IGV) in der Schriftenreihe: Sicherheit im Umgang mit tiefkalt verflüssigten Gasen (pdf) übersichtlich zusammengefasst.
FAQ: Häufig gestellte Fragen und Antworten zum Thema
Was ist flüssiges Helium und was macht die Substanz besonders?
Flüssiges Helium ist ein durch Abkühlen verflüssigtes Gas, das bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt in flüssiger Form vorliegt. Es schrumpft durch die Verflüssigung auf 1/748 und lässt sich platzsparend bevorraten. Besonders ist jedoch die Tatsache, dass die Substanz eine der kältesten Flüssigkeiten der Erde ist. Sie erwirkt supraleitende Eigenschaften und wirkt selbst als Supraflüssigkeit (sehr niedrige Viskosität, hohe Wärmeleitfähigkeit und hohe Kapillarität).
In welchen Bereichen kommt Helium flüssig oder gasförmig zum Einsatz?
Gasförmig kommt der Stoff als Trag-, Ballon-, Schutz-, Pack- und Schweißgas zum Einsatz. Flüssig eignet sich der Stoff darüber als Kühlmittel, um supraleitende Eigenschaften nutzbar zu machen. So zum Beispiel in Laboren, bei der Halbleiterherstellung oder in der Medizin (Magnetresonanztomographie (MRT) oder Kernspinresonanz).
Worin liegen die Vorteile des Einsatzes tiefkalt verflüssigter Gase?
Tiefkalt verflüssigte Gase lassen sich im Allgemeinen platzsparend bevorraten. Sie sorgen für günstigere Konditionen und ein einfacheres Gashandling – vor allem gegenüber Gasflaschen und Gasflaschenbündeln. Flüssiges Helium hat darüber hinaus den Vorteil, dass es nahe dem absoluten Nullpunkt in flüssiger Form vorliegt und damit für viele Kryoanwendungen infrage kommt.
In welchen Liefermengen und -formen kann ich Helium flüssig (LHE) kaufen?
Für kleine Bedarfe stehen Dewargefäße zur Auswahl, die zwischen drei und 450 Liter Helium flüssig bevorraten. Genügt das nicht, gibt es auch Großtanks für bis zu 40.000 Liter. Diese eignen sich vor allem für große Labore und Industrieanlagen mit nennenswertem Heliumbedarf.
Was ist im Umgang mit tiefkalt verflüssigten Gasen zu beachten?
Bei tiefkalt verflüssigten Gasen kann es zu Kälteverbrennungen, Verletzungen der Lunge und zum Ersticken kommen. Um das zu verhindern, sind Warnhinweise und Schulungen der Mitarbeiter Pflicht. Die Lagerung muss fachgerecht erfolgen und beim Umgang müssen Arbeiter Schutzkleidung tragen (lange Schachen, Kittel, Brille, Schutzhandschuhe etc.).
