Helium Knappheit
Helium ist bekannt als das Gas, das Luftballons und Luftschiffe zum Schweben bringt. In flüssiger Form wird Helium für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter zur Kühlung von Magneten in Magnetresonanztomographen (MRT), zur Kühlung von Infrarotdetektoren und als Supraleiterkühlmittel im Large Hadron Collider am CERN.
Helium wird aus Erdgasvorkommen gewonnen, die sich in Gegenwart von Uran und Thorium gebildet haben. Diese radioaktiven Elemente produzieren Helium, wenn sie einem Alpha-Zerfall1 unterliegen, und das Gas bleibt zusammen mit dem Erdgas eingeschlossen, bis es gefördert wird. Das Vorhandensein von Helium zusammen mit Erdgas wurde erstmals 1903 in Kansas entdeckt. 2 Seitdem ist Helium aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften (Reaktionsträgheit, Leichtigkeit, extrem niedrige Flüssigkeitstemperatur) in einer Reihe von Bereichen in Industrie und Wissenschaft unverzichtbar geworden und ist auch von Geburtstagsfeiern nicht mehr wegzudenken. Bei einem Volumenanteil von 0,3 % in Erdgasvorkommen gilt Helium als förderungswürdig, und einige Erdgasvorkommen sollen bis zu 7 % Helium enthalten.
Kurze Geschichte des Heliummangels
1925 gründeten die USA die National Helium Reserve (NHR)4 in den Ebenen von Texas, und ab 1929 waren die USA der weltweit größte Heliumproduzent, wobei das Bureau of Mines die Förder- und Raffinerieprogramme koordinierte. Helium wurde hauptsächlich für militärische Zwecke hergestellt, und bis 1960 war die Bundesregierung der einzige Heliumproduzent in den USA. 1960 änderte der Kongress das Heliumgesetz, um Erdgasproduzenten Anreize zu bieten, rohes Helium zu fördern und an die Regierung zu verkaufen. Ein Großteil dieses Heliums wurde im NHR gelagert und die Preise wurden mit dem Ziel festgelegt, die Kosten des Programms zu decken und Schulden abzuzahlen. Da die Heliumnachfrage des Bundes nach dem Krieg jedoch geringer war als erwartet und die private Nachfrage die Nachfrage des Bundes bei Weitem überstieg, verabschiedete die US-Regierung 1996 das Helium Privatization Act (HPA). Mit dem HPA wurde versucht, die Schulden des Standorts in Höhe von 1,4 Milliarden US-Dollar durch den Verkauf aller nationalen US-Reserven bis 2015 zu tilgen. Private US-Unternehmen haben Helium nicht in den erwarteten Mengen raffiniert, und das potenzielle Versorgungsproblem hat andere Länder dazu veranlasst, mit der Gewinnung von Helium zu beginnen. Inzwischen wird Helium in einer Reihe von Ländern weltweit, darunter Russland, Katar, Algerien und Australien, in Raffinerien produziert.
Warum gibt es einen Heliummangel?
2012 produzierten die USA schätzungsweise 78 % des weltweiten Heliums, wovon etwa 30 % aus dem NHR4 stammten. Der Heliummangel wurde durch eine Reihe von Faktoren verursacht, darunter weltweite Ausfälle und Stilllegungen von Raffinerieanlagen5, wobei geplante Wartungsarbeiten in mehreren Erdgasraffinerien der Welt die Versorgung unterbrachen. Diese Faktoren in Verbindung mit einer steigenden Nachfrage nach Helium aus Schwellenländern wie China bedeuten, dass wir uns einem weltweiten Engpass noch weiter nähern, wobei Kunden bereits starke Preiserhöhungen und Lieferprobleme feststellen, da Privatunternehmen Schwierigkeiten haben, die Nachfrage zu decken. Ein Blick auf die vom United States Geological Survey (USGS) veröffentlichten Zahlen zeigt, dass die Menge des aus Erdgasfeldern gewonnenen Heliums in den letzten 5 Jahren zwar konstant geblieben ist, der Verbrauch aus dem NHR jedoch stetig gestiegen ist. Im gleichen Zeitraum sind die Exporte von US-Helium auf 60 % der Gesamtmenge gestiegen, und da die NHR rapide zur Neige geht, scheint die derzeitige Situation nicht tragbar zu sein. Die weltweite Nachfrage nach Helium übersteigt die Produktion bei Weitem, weshalb für eine Reihe von Technologien nach Alternativen zu Helium gesucht werden muss.
Mögliche Alternativen zu Helium
Kryotechnik Anwendungen, die Temperaturen unter -256 °C erfordern, werden weiterhin flüssiges Helium benötigen, aber es gibt derzeit Alternativen für die Kühlung von MRT-Scannermagneten und anderen Anwendungen, die Supraleiter erfordern. Flüssiger Stickstoff kann in einigen Kühlsystemen verwendet werden, und es gibt inzwischen eine Reihe von Unternehmen, die sich auf wassergekühlte „Kühler“-Lösungen für die Kühlung von MRTs spezialisiert haben.
Schutzgas für das Schweißen
Helium wird häufig als Schutzgas beim Schweißen von Nichteisenmetallen verwendet. Anstelle von Helium kann auch Argon verwendet werden, das für bestimmte Metallarten bevorzugt wird.
Ballons
Helium wird für viele Anwendungen verwendet, bei denen es auf ein geringes Gewicht ankommt, und Wasserstoff ist ein geeigneter Ersatz für viele Anwendungen, bei denen die Entflammbarkeit von Wasserstoff kein Problem darstellt.
Spülgas
Helium und Argon werden aufgrund ihrer Inertheit häufig als Spülgase verwendet, aber Stickstoff ist wahrscheinlich das am häufigsten verwendete Spülgas in industriellen Anwendungen, und die Knappheit von Helium wird wahrscheinlich zu einer verstärkten Nutzung von Alternativen für diese Anwendungen führen.
Kontrollierte Atmosphären
Helium wird häufig in Anwendungen mit kontrollierter Atmosphäre verwendet, aber Stickstoff bietet eine kostengünstigere Alternative für die Langzeitlagerung von Lebensmitteln.
Tiefseetauchgase
Helium wird häufig mit Sauerstoff gemischt, um zu verhindern, dass Tiefseetaucher Symptome der Stickstoffnarkose entwickeln. Es werden jedoch auch Wasserstoff/Sauerstoff-Gemische für das Tieftauchen verwendet, und dies könnte mit steigenden Heliumpreisen noch häufiger der Fall sein.
Gaschromatographie
Wasserstoff bietet gegenüber Helium eine Reihe von Vorteilen für die Gaschromatographie, darunter niedrigere Kosten, Verfügbarkeit durch Elektrolyse von Wasser und eine verbesserte Probenahme-Geschwindigkeit. Viele Chromatographie-Labore stellen derzeit von Helium auf Wasserstoff als Trägergas um.
Ed Connor, Dr.Sc., ist GC-MS-Anwendungsspezialist bei PEAK Scientific, Inchinnan Business Park, Schottland, Großbritannien. Bevor er im Februar 2013 zu PEAK kam, promovierte Ed an der ETH Zürich in der Schweiz mit GC-MS, um pflanzenfresserbedingte flüchtige Pflanzenstoffe und ihre Wechselwirkung mit Nützlingen zu untersuchen. Anschließend wechselte er an die Universität Zürich, wo er sich hauptsächlich mit Methoden zur Sammlung flüchtiger Stoffe und Analysen mittels GC-MS und GC-FID befasste. +44 141 812 8100, econnor@peakscientific.com
Quellen:
1: http://backreaction.blogspot.co.uk/2008/07/liquid-helium.html
2: http://en.wikipedia.org/wiki/Helium
3: http://geology.com/articles/helium/
6: Mineral Commodity Summaries 2013: minerals.usgs.gov/minerals/pubs/mcs/2013/mcs2013.pdf
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