Inhalt
- Was ist Helium?
- Woher kommt Helium?
- Warum ist Helium in etwas Erdgas?
- Wo ist Erdgas reich an Helium?
- Verwendung von Helium
- Magnetresonanztomographie
- Gas heben
- Spülgas
- Controlled Atmosphere Manufacturing
- Leckerkennung
- Mischungen einatmen
- Schweißgas
- Helium: Eine nicht erneuerbare Ressource
- Heliumgluts und Heliumknappheit
Helium-Luftschiff: Die meisten Leute haben von Helium gehört, das als Hebegas für Wetterballons, Luftschiffe und Partyballons verwendet wird. Dies sind sehr geringe Verwendungen von Helium. Die Verwendung, die mehr Helium verbraucht als jede andere, ist die Kühlung der Magnete in MRI-Geräten (Magnetresonanztomographie) in medizinischen Einrichtungen. Goodyear Luftschiff Foto von Derek Jensen.
Was ist Helium?
Helium ist ein chemisches Element und ein farbloses, geruchloses, geschmackloses Inertgas. Es hat den kleinsten Atomradius eines Elements und das zweitniedrigste Atomgewicht. Es ist leichter als Luft.
Die meisten Menschen wissen, dass Helium als Hebegas in Luftschiffen und Partyballons verwendet wird, aber sie können keine andere Art und Weise benennen, wie es verwendet wird. Helium wird vor allem als Kühlgas für Magnetresonanztomographen (MRT) in medizinischen Einrichtungen eingesetzt. Weitere wichtige Verwendungszwecke von Helium sind: Schutzgas zum Schweißen, Inertgas zur Herstellung in kontrollierter Atmosphäre, flüchtiges Gas zur Lecksuche und niedrigviskoses Gas für unter Druck stehende Atemgasgemische.
Woher kommt Helium?
In der Erdatmosphäre ist sehr wenig Helium vorhanden. Es ist ein so leichtes Element, dass die Schwerkraft der Erde es nicht halten kann. Unbegrenztes Helium steigt sofort an der Erdoberfläche an, bis es den Planeten verlässt. Deshalb steigen Partyballons auf!
Das kommerziell hergestellte Helium wird aus dem Boden gewonnen. In einigen Erdgasfeldern ist genug Helium mit dem Gas vermischt, dass es zu wirtschaftlichen Kosten gefördert werden kann. Einige Felder in den Vereinigten Staaten enthalten über 7 Vol .-% Helium. Unternehmen, die in diesen Gebieten nach Erdgas bohren, produzieren das Erdgas, verarbeiten es und entfernen das Helium als Nebenprodukt.
Heliumhaltige Erdgasvorkommen: Lagerstättenmodell für heliumhaltige Erdgasfelder in den USA. Helium entsteht durch den Zerfall von Uran und Thorium in granitoiden Grundgesteinen. Das freigesetzte Helium ist schwimmfähig und bewegt sich in der mit Kellerfehlern verbundenen Porosität zur Oberfläche. Das Helium bewegt sich dann durch die poröse Sedimentschicht nach oben, bis es mit Erdgas unter Anhydrit- oder Salzbetten eingeschlossen wird. Dies sind die einzigen seitlich beständigen Gesteinsarten, die in der Lage sind, die winzigen, schwimmfähigen Heliumatome einzufangen und zu enthalten. Diese geologische Situation tritt nur an wenigen Orten auf der Welt auf, weshalb reichhaltige Heliumansammlungen selten sind.
Verbunden: Eine neue Verwendung von Helium - Festplatten
Warum ist Helium in etwas Erdgas?
Es wird angenommen, dass der größte Teil des Heliums, das aus Erdgas entfernt wird, durch radioaktiven Zerfall von Uran und Thorium in Granitgesteinen der Erdkontinentalkruste entsteht. Als sehr leichtes Gas ist es schwimmfähig und versucht sich nach oben zu bewegen, sobald es sich bildet. Die reichsten Heliumansammlungen werden gefunden, wenn drei Bedingungen vorliegen: 1) Granitoid-Grundgesteine sind reich an Uran und Thorium; 2) die Grundgesteine werden gebrochen und beschädigt, um dem Helium Fluchtwege zu bieten; und 3) poröse Sedimentgesteine über den Kellerfehlern werden durch eine undurchlässige Versiegelung aus Halit oder Anhydrit abgedeckt. Wenn alle drei Bedingungen erfüllt sind, kann sich Helium in der porösen Sedimentgesteinsschicht ansammeln.
Helium hat den kleinsten Atomradius eines Elements, etwa 0,2 Nanometer. Wenn es sich also bildet und beginnt, sich nach oben zu bewegen, kann es durch sehr kleine Porenräume in den Felsen passen. Halit und Anhydrit sind die einzigen Sedimentgesteine, die die Aufwärtswanderung von Heliumatomen blockieren können. Schiefer, deren Porenräume mit reichlich organischem Material (Kerogen) verstopft sind, dienen manchmal als weniger wirksame Barriere.
Heliumhaltige Erdgasvorkommen: Karte mit den Erdgasfeldern, die als wichtige Heliumquellen in den USA dienen. Das aus diesen Feldern gewonnene Erdgas enthält zwischen 0,3% und über 7% Helium. Das Helium wird für den kommerziellen Verkauf aus dem Gas entfernt. Bild unter Verwendung von Standortdaten des United States Geological Survey.
Wo ist Erdgas reich an Helium?
Das meiste unverarbeitete Erdgas enthält mindestens Spuren von Helium. Nur wenige Erdgasfelder enthalten genug, um einen Heliumrückgewinnungsprozess zu rechtfertigen. Eine Erdgasquelle muss mindestens 0,3% Helium enthalten, um als potenzielle Heliumquelle angesehen zu werden.
Im Jahr 2010 stammte das gesamte in den USA für Helium aufbereitete Erdgas aus Feldern in Colorado, Kansas, Oklahoma, Texas, Utah und Wyoming (siehe Karte). Das Hugoton Field in Oklahoma, Kansas und Texas; das Panoma Field in Kansas; das Keyes-Feld in Oklahoma; Die Panhandle-West- und Cliffside-Felder in Texas und das Riley-Ridge-Feld in Wyoming machen den größten Teil der Heliumproduktion in den USA aus.
Im Jahr 2010 produzierten die USA 128 Millionen Kubikmeter Helium. Davon wurden 53 Millionen Kubikmeter Helium aus Erdgas gewonnen und 75 Millionen Kubikmeter aus dem nationalen Heliumreservat entnommen. Andere Länder mit bekannten Produktionsmengen waren: Algerien (18 Mio. cm), Katar (13 Mio. cm), Russland (6 Mio. cm) und Polen (3 Mio. cm). Kanada und China produzierten kleine, aber nicht gemeldete Mengen an Helium.
Helium in MRT-Geräten: Helium wird hauptsächlich zur Kühlung der Magnete in MRT-Geräten (Magnetresonanztomographie) eingesetzt, die zur Diagnose von Krankheiten und Verletzungen in medizinischen Einrichtungen eingesetzt werden.
Eine neue Verwendung für Helium: Die erste mit Helium versiegelte Festplatte wurde 2013 hergestellt. Mit Helium kann die Festplatte weniger Energie verbrauchen, weniger Wärme erzeugen, weniger Geräusche machen, weniger Platz beanspruchen, mehr Daten speichern und weniger Vibrationen erzeugen als eine Standardfestplatte. Mehr erfahren.
Verwendung von Helium
Helium hat eine Reihe von Eigenschaften, die es für bestimmte Anwendungen besonders gut geeignet machen. In einigen dieser Anwendungen ist Helium das bestmögliche Gas, und in einigen Fällen gibt es keinen ausreichenden Ersatz für Helium. Im Folgenden werden verschiedene Verwendungen von Helium sowie die Eigenschaften beschrieben, die es für die Verwendung geeignet machen.
Magnetresonanztomographie
Helium wird hauptsächlich in Magnetresonanz-Bildgebungsgeräten eingesetzt, die in medizinischen Einrichtungen zur Beurteilung von Verletzungen und zur Diagnose von Krankheiten eingesetzt werden. Diese Maschinen nutzen ein Magnetfeld, das von einem supraleitenden Magneten erzeugt wird. Diese Magnete erzeugen eine enorme Wärmemenge. Flüssiges Helium ist die Kühlsubstanz der Wahl, um die Temperatur dieser Magnete zu regulieren. Da Helium die zweitniedrigste spezifische Wärme eines Gases und den niedrigsten Siede- / Schmelzpunkt eines Elements aufweist, ist für diese sehr wichtige Verwendung kein Ersatz für Helium vorgesehen.
Gas heben
Helium hat das zweitniedrigste Atomgewicht aller Elemente. Nur Wasserstoff hat ein geringeres Atomgewicht. Als leichter als Luftgas wurde Helium als "Hebegas" für Luftschiffe und Ballons verwendet. Luftschiffe, Luftschiffe, Zeppeline, Luftabwehrballons, Wetterballons und andere Flugzeuge haben Helium als Hebegas verwendet. Es ist viel sicherer als Wasserstoff, weil es nicht brennbar ist. Dies war die wichtigste Kategorie des Heliumverbrauchs bis zum Ende des Zweiten Weltkriegs. Viel geringere Mengen an Helium werden jetzt als Hebegas verwendet.
Spülgas: Helium wird von der NASA und dem Verteidigungsministerium verwendet, um flüssigen Sauerstoff und flüssigen Wasserstoff aus Kraftstofftanks und Kraftstoffversorgungssystemen von Raketentriebwerken zu entfernen. Helium ist inert und hat eine Gefriertemperatur, die so niedrig ist, dass es während des Spülprozesses ein Gas bleibt. Ein Heliumstrom in diese Systeme wurde sogar in Notfällen zum Löschen von Bränden verwendet. Bild von der NASA.
Helium-Atemmischungen: Helium wird zur Aufbereitung von Atemgasgemischen für das Tiefseetauchen verwendet. Helium ist inert und hat eine niedrige Viskosität unter Druck, was das Atmen erleichtert. Bild von NOAA.
Spülgas
Helium hat den niedrigsten Schmelz- und Siedepunkt aller Gase. Es schmilzt und kocht bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Da es bei sehr niedrigen Temperaturen ein Gas bleibt, kann es als Spülgas für Kraftstofftanks und Kraftstofffördersysteme verwendet werden, die mit sehr kalten Flüssigkeiten wie flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff gefüllt sind. Da es inert ist und eine niedrige Gefriertemperatur aufweist, kann es diese Brennstoffe sicher verdrängen, ohne einzufrieren. Große Mengen Helium werden von der NASA und dem Verteidigungsministerium zum Spülen von Raketenantriebssystemen verwendet.
Controlled Atmosphere Manufacturing
Helium ist ein Inertgas. Das einzige Gas mit einer geringeren Reaktivität ist Neon. Diese geringe Reaktivität macht Helium zu einem wertvollen Gas für Herstellungs- und Reparaturprozesse, wenn eine inerte Atmosphäre erforderlich ist. Helium weist neben einer sehr hohen Wärmeleitfähigkeit auch die zweitniedrigste Dichte aller Gase auf. Diese Eigenschaften von Heliumgas machen es zur bevorzugten Atmosphäre für viele metallurgische Prozesse, die das Züchten perfekter Kristalle in chemischen Dämpfen, die Herstellung optischer Fasern und andere Verwendungen ermöglichen.
Leckerkennung
Helium hat eine sehr niedrige Viskosität, einen hohen Diffusionskoeffizienten und das kleinste Atom eines Elements. Diese Eigenschaften machen es sehr schwierig, Helium zu enthalten. Wenn ein System undicht ist, tritt Helium aus. Heliumgas wird daher verwendet, um Hochvakuumsysteme, Kraftstoffsysteme und andere Sicherheitsbehälter auf Undichtigkeiten zu prüfen.
Mischungen einatmen
Helium und andere Inertgase werden zur Herstellung von Atemgasmischungen für das Tiefseetauchen und für medizinische Behandlungen verwendet. Helium wird hier verwendet, weil es inert ist, eine sehr niedrige Viskosität aufweist und unter Druck leichter zu atmen ist als jedes andere Gas.
Schweißgas
Helium wird beim Schweißen als Schutzatmosphäre verwendet. Eine Inertgasatmosphäre schützt heiße Metalle vor Oxidation und anderen Reaktionen, die bei hohen Temperaturen schnell auftreten können.
Verwendung von Helium: Relative Mengen an Helium, die 2011 in den USA bei verschiedenen Verwendungszwecken verbraucht wurden.
Helium: Eine nicht erneuerbare Ressource
Helium ist ein Gas, das nur dort vorkommt, wo es zu einem Zusammentreffen unwahrscheinlicher Situationen kommt. Obwohl es kontinuierlich durch radioaktiven Mineralverfall in der Erdkruste produziert wird, ist seine natürliche Produktions- und Akkumulationsrate so langsam, dass es als nicht erneuerbare Ressource betrachtet werden muss.
Heliumgluts und Heliumknappheit
1925 gründeten die Vereinigten Staaten das National Helium Reserve, um Helium strategisch zur Verwendung in Luftschiffen und für andere Verteidigungszwecke bereitzustellen. Zu dieser Zeit produzierte das Land viel mehr Helium als verbraucht wurde. Nach dem Zweiten Weltkrieg ging die Menge des als Treibgas verwendeten Heliums zurück, aber die Nachfrage nach Helium als Spülgas beim Betanken von Raketentriebwerken und als Kühlmittel in Kernwaffenanlagen stieg rapide an. Dennoch wurde mehr Helium produziert als verbraucht.
1995 entschied der Kongress, dass die nationale Heliumreserve nicht unbedingt erforderlich ist, und leitete im Rahmen des Heliumprivatisierungsgesetzes von 1996 ein Programm zum Verkauf des Heliums ein. Fast zwei Jahrzehnte lang ermöglichte der Kongress den Verkauf des Heliums zu einem enormen Preisnachlass für den freien Markt Preise. Bis zur Hälfte des weltweiten Heliumbedarfs wurde durch Verkäufe aus dem Nationalen Heliumreservat gedeckt. In einigen Jahren wurde mehr Helium aus den Vereinigten Staaten in andere Länder exportiert, als im Inland verbraucht wurde. Diejenigen, die Helium von der Regierung gekauft haben, haben einen fantastischen Deal bekommen, und diejenigen, die Helium auf dem freien Markt gekauft haben, haben einen viel höheren Preis bezahlt.
Das Einbringen der National Helium Reserve-Aktien in den Markt drückte den Preis für Helium so stark, dass es als billiger Ersatz für Argon und andere Gase mit einem viel weniger begrenzten Angebot verwendet wurde.
Da die kommerzielle Heliumproduktion nicht belohnt oder stark ausgelastet wurde, war der Markt unterversorgt, als die Verkäufe von National Helium Reserve im Jahr 2014 durch ein Auktionssystem ersetzt wurden. In der ersten Auktion erwarben zwei Bieter die gesamte jährliche Zuteilung von 93 Millionen Kubikfuß Helium zu mehr als das Doppelte des Marktpreises der Vorjahre. Nach der Auktion wurden weitere 1 Milliarde Kubikfuß an dieselben zwei Bieter verkauft.
Seit der ersten Auktion ist der Preis für Helium weiter gestiegen, da die Produktion von neuem Helium unter dem Verbrauch liegt. Die Preiserhöhung hat Investitionen in neue Heliumaufbereitungsanlagen ausgelöst. Helium kann jedoch nur aus Erdgasfeldern mit Salz oder Anhydrat als Trap Rock gewonnen werden. Diese kommen nur in wenigen Teilen der Welt vor.
Nach geltendem Recht wird die nationale Heliumreserve bis 2021 ausverkauft sein. Hoffentlich werden die steigenden Investitionen in Heliumrückgewinnungsanlagen ausreichen, um die Bedürfnisse der Heliumverbraucher zu befriedigen, wenn diese wichtige Heliumquelle weg ist.