Helium: Eigenschaften, Produktion und globale Versorgung

Hintergrund

Helium ist das zweitleichte Element im Periodensystem und eines der chemisch inertesten Gase. Seine niedrige Dichte und Nichtbrennbarkeit machen es unverzichtbar für Luft- und Raumfahrtanwendungen – vom Heben von Luftschiffen und Ballons bis hin zu einer sicheren Atmosphäre für Schweißen und Kristallwachstum in der Halbleiterfertigung. Flüssiges Helium ist zudem kritisch in der Forschung, die Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt erfordert, wie Supraleitfähigkeitsexperimente.

Obwohl das Element im Universum reichlich vorhanden ist, enthält die Erdatmosphäre nur Spuren. Helium wurde 1868 erstmals identifiziert, als die Astronomen Pierre Janssen und Sir Joseph Lockyer während einer Sonnenfinsternis eine unidentifizierte gelbe Spektrallinie beobachteten. Lockyer prägte den Namen „Helium“ vom griechischen helios (Sonne).

1895 extrahierte Sir William Helium aus dem Uranmineral Cleveit und bestätigte seine irdische Existenz. Wenige Jahre später offenbarte Erdgas aus einer Bohrung bei Dexter, Kansas, Konzentrationen von bis zu 2 %. Weltweite Untersuchungen zeigten variierende Heliumgehalte, wobei die USA generell die reichhaltigsten Vorkommen beherbergen.

Frühe 20. Jahrhundert-Luftschiffe verließen sich fast ausschließlich auf Wasserstoff, trotz seiner Brennbarkeit. Die USA erkannten den strategischen Vorteil von Helium im Ersten Weltkrieg, stuften es als kritisches Kriegsmaterial ein und beschränkten Exporte. Der Helium Conservation Act von 1925 verbot nicht-staatliche Nutzung. Nach der Hindenburg-Katastrophe 1937 lockerten sich Regulierungen, und Helium ersetzte Wasserstoff für kommerzielle Luftschiffe.

Im Zweiten Weltkrieg bewährte sich Helium erneut; es füllte die Reifen von Langstreckenbombern, reduzierte Flugzeuggewicht und verlängerte Reichweite. Nachkriegsnachfrage stieg, was die Helium Act Amendments von 1960 veranlassten, ein nationales Lagerprogramm einzurichten. 1971 hatte die Produktion ein Plateau erreicht, und das Programm wurde vorübergehend ausgesetzt, nur um später wieder aufgenommen zu werden. 1993 erreichte die staatliche Lagerung rund 35 Milliarden Kubikfuß (1 Milliarde Kubikmeter).

Heute befinden sich die meisten heliumführenden Erdgasfelder in den USA, mit nennenswerten Reserven auch in Kanada und Polen.

Rohstoffe

Helium entsteht unterirdisch, wenn Alphateilchen – Produkte des radioaktiven Zerfalls schwerer Elemente wie Uran und Thorium – Heliumkerne bilden. Ein Teil diffundiert an die Oberfläche und entweicht ins All, der Rest wird unter undurchlässigen Gesteinsschichten eingeschlossen und mischt sich mit Erdgasreservoiren. Heliumkonzentrationen variieren von vernachlässigbar bis zu 4 Vol.-%, aber nur Lagerstätten über 0,4 % sind kommerziell rentabel.

Helium kann auch durch kryogene Lufttrennung extrahiert werden, doch der Prozess ist kostenintensiv und liefert sehr geringe Ausbeuten, was ihn für großtechnische Produktion unpraktisch macht.

Herstellungsprozess

Helium wird primär als Nebenprodukt der Erdgasaufbereitung gewonnen. Das Gas enthält Methan und andere Kohlenwasserstoffe, die den Energiegehalt von Erdgas liefern. Um Marktspezifikationen für Energie zu erfüllen, müssen Verunreinigungen – einschließlich Stickstoff, Wasserdampf, Kohlendioxid und Helium – in einem Aufbereitungsschritt entfernt werden.

Wenn ein Gasstrom mehr als ~0,4 % Helium enthält, wird kryogene Destillation eingesetzt, um das Helium zu isolieren. Das resultierende Rohhelium wird weiter veredelt, um kommerzielle Reinheiten über 99,99 % zu erreichen.

Vorbehandlung

Da die nachgeschaltete kryogene Kolonne bei extrem niedrigen Temperaturen operiert, müssen alle Komponenten, die erstarren könnten – Wasserdampf, CO₂, schwere Kohlenwasserstoffe – vorab entfernt werden, um Rohrverstopfungen zu verhindern.

• 1. Das Erdgas wird auf ~800 psi (5,5 MPa) verdichtet und durch einen Monoethanolamin-Wäscher geleitet, um CO₂ zu absorbieren.
• 2. Ein Molekularsieb trennt Wasserdampf, lässt nur kleinere Moleküle passieren; das Wasser wird dann rückgespült und entfernt.
• 3. Aktivkohlebetten binden schwere Kohlenwasserstoffe; der Gasstrom besteht nun weitgehend aus Methan, Stickstoff und Spuren von Helium, Wasserstoff und Neon.

Trennung

Fraktionale Destillation, oft Stickstoffabtrennung genannt, isoliert die Hauptkomponenten – Methan und Stickstoff – bevor der heliumreiche Strom zur kryogenen Verarbeitung geht. Das Verfahren ist im Diagramm unten illustriert.

• 4. Ein Plattenrippen-Wärmetauscher kühlt den eingehenden Strom, während ein Gegenstrom aus sehr kaltem Methan und Stickstoff die Gase erwärmt.
• 5. Das Gas expandiert durch ein Ventil, der Druck fällt auf ~145–360 psi (1,0–2,5 MPa). Schnelle Expansion kühlt das Gemisch und beginnt die Methanverflüssigung.
• 6. Das teilverflüssigte Gas tritt in die Hochdruckkolonne ein; während es aufsteigt, verflüssigt sich Methan weiter am Boden, während Stickstoff nach oben steigt.
• 7. Das flüssige Methan (Rohmethan) wird entnommen, unterkühlt und durch ein zweites Expansionsventil auf ~22 psi geleitet, bevor es in die Niederdruckkolonne eintritt. Hier wird der meiste Stickstoff entfernt, wodurch ein methanreiches Flüssigprodukt mit ≤4 % Stickstoff entsteht. Die Flüssigkeit wird erwärmt, verdampft und zu Erdgas aufbereitet, während Stickstoff abgeleitet oder recycelt wird.
• 8. Gase aus der Hochdruckkolonne werden in einem Kondensator gekühlt; Stickstoff kondensiert als Dampf, und das verbleibende Gas – Rohhelium – enthält 50–70 % Helium, 1–3 % unverflüssigtes Methan, geringe Mengen Wasserstoff und Neon, der Rest Stickstoff.

Reinigung

Rohhelium durchläuft eine mehrstufige Reinigung, um kommerzielle Reinheitsgrade zu erreichen.

• 9. Abkühlung auf –193 °C (–315 °F) kondensiert Stickstoff und Methan, wobei ~90 % Helium verbleiben.
• 10. Luftzugabe führt Sauerstoff ein; das Gas wird vorgeheizt, dann über einen Katalysator geleitet, der Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasserdampf reagiert, der kondensiert und entfernt wird.
• 11. Eine Druckwechseladsorption (PSA)-Einheit fängt verbleibende Verunreinigungen. Tausende Mikroporen-Partikel adsorbieren Stickstoff, Methan und Restwasser. Nachfolgende Entspannung löst die adsorbierten Gase, wobei ~99,99 % reines Helium verbleibt.

Distribution

Helium wird entweder als Gas bei Umgebungstemperatur oder als Flüssigkeit bei kryogenen Temperaturen versandt. Gasförmiges Helium wird in geschmiedeten Stahl- oder Aluminiumlegierungszylindern bei 900–6.000 psi (6–41 MPa) gelagert. Flüssiges Helium in Großmengen wird in isolierten Behältern mit Kapazitäten bis ~56.000 Liter (14.800 Gallonen) transportiert.

• 12. Für flüssiges oder ultra-reines Helium entfernt ein kryogener Adsorber residuales Neon und Spurenverunreinigungen bei –253 °C (–423 °F), erreichend ≥99,999 % Reinheit.
• 13. Das Gas durchläuft dann Wärmetauscher und Expander in einem Verflüssiger, erreicht –269 °C (–452 °F) zur Verflüssigung.
• 14. Große Lieferungen von flüssigem Helium nutzen doppelwandige, vakuumisolierte Tankwagen oder Container. Die innere Schale enthält Helium; die äußere sorgt für Isolierung, und bei Überseelieferungen absorbiert eine sekundäre Schale mit flüssigem Stickstoff Wärme, verdampft beim Erwärmen.

Qualitätskontrolle

Die Compressed Gas Association stuft Helium nach Verunreinigungsgehalt ein. Kommerzielle Grade beginnen mit M (99,995 % rein) und reichen bis N, P und G (99,9999 % rein). Regelmäßige Probenahme und Analyse verifizieren die Einhaltung dieser Standards.

Zukunft

1996 schlug die US-Regierung vor, das staatlich finanzierte Heliumlagerprogramm zu beenden, was Wissenschaftler beunruhigte. Helium ist im Wesentlichen ein Nebenprodukt der Erdgasverarbeitung; ohne Lagerung würde ein Großteil in die Atmosphäre entweichen und verloren gehen. Einige Experten warnten, dass globale Reserven bis 2015 erschöpft sein könnten, wenn das Programm endete.