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Inerte Gase: Das unterschätzte Element

Helium gehört zu den unscheinbarsten Elementen im Periodensystem. In Medizin und Grundlagenforschung ist es jedoch unerlässlich. Jetzt warnen Forscher vor einer drohenden Knappheit.
Heliumballons

Für Chemiker ist Helium ziemlich langweilig. Es riecht nicht, brennt nicht, und Verbindungen mit anderen Elementen scheut es mit beeindruckender Beharrlichkeit. Dennoch ist der nach dem Sonnengott Helios benannte Stoff ein Geschenk des Himmels: Beim Schweißen von Stahllegierungen hemmt es den Funkenschlag. In der Halbleiterindustrie flutet man mit ihm Produktionskammern, um eine möglichst inerte – also reaktionsträge – Umgebung bei der Chipherstellung zu gewährleisten. Und die NASA spült damit Raketentanks: Weil Helium leichter als Luft ist, verdrängt es verbrannten Treibstoff rasch aus dem Behälter.

Der wichtigste Einsatzort für das Edelgas sind aber Teilchenbeschleuniger und Kernspin- oder Magnetresonanztomografen (MRT), wo es der Kühlung dient. Denn auch knapp über dem absoluten Temperaturnullpunkt bleibt es flüssig – eine Eigenschaft, die kein anderes Element vorweisen kann. So ist Helium immer dann gefragt, wenn Magnetspulen auf Niob-Titan-Basis supraleitend gemacht werden sollen. Das passiert erst bei frostigen zwei Grad Kelvin. Ohne das resultierende, extrem starke Magnetfeld ließen sich lichtschnelle Atomkerne genauso wenig auf einer Kreisbahn halten, wie sich das magnetische Moment einzelner Atomkerne im menschlichen Gewebe abbilden ließe.

"In MRTs und Teilchenbeschleunigern ist Helium bisher unverzichtbar", resümiert Wolfgang Sandner, Vizepräsident der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG). Bereits vergangenen September hat die DPG einen Schwerpunktartikel herausgegeben, in dem sie vor einer anstehenden Heliumknappheit warnt. "Wir müssen vorausschauender als bisher damit umgehen", mahnt Sandner darin. Jüngst legten drei Forscher im Wissenschaftsmagazin "Nature" nach. Sie fanden drastischere Worte: "Hört auf, Helium zu verschwenden!", fordern William Nuttall, Richard Clarke und Bartek Glowacki.

Heliumballons
Heliumballons | Nicht nur damit Ballons frei schweben, wird Helium benötigt. Wichtiger ist das Edelgas noch für medizinische und technische Anwendungen.

Die Warnung der Wissenschaftler um Nuttall von der University of Cambridge hat handfeste Gründe: Zwar schlummern laut Zahlen der United States Geological Survey noch 31 Milliarden Kubikmeter des Gases im Boden, die bei aktuellem Verschleiß noch über 200 Jahre reichen würden. Aber der Verbrauch wächst rasant. Allein in Asien stieg der Bedarf seit 2009 um ein knappes Drittel, schätzt das Branchenmagazin "Cryogas International". Marktanalysen gehen zudem davon aus, dass technologische Anwendungen im Jahr 2030 doppelt so viel Helium wie derzeit benötigen werden.

Ein endlicher Rohstoff

Dass Helium ein endlicher Rohstoff ist, spürt die Branche aber schon heute. "Seit einigen Monaten erleben wir eine besonders ausgeprägte Knappheit", sagt Thomas Menne vom Heliumlieferanten Air Products. Das Unternehmen bietet einen Heliumnotfallservice an, der Kunden innerhalb von 24 Stunden Kühlmittelnachschub liefert. In Anspruch nehmen das vor allem Kliniken und Forschungsinstitute, deren Magnete kaputtgehen, wenn sie zu lange nicht gekühlt werden. Aktuell gebe es zwei- bis dreimal pro Woche solche Notfälle, erzählt Menne, weil die Lieferungen anderer Versorger ausbleiben.

Aus einer kosmischen Perspektive weist der irdische Mangel eine gewisse Ironie auf: Denn Helium ist im Universum das zweithäufigste Element überhaupt – schon kurz nach dem Urknall entstand es in riesigen Mengen, und noch heute erbrüten es Kernfusionsprozesse im Inneren von Sternen. Auf der Erde ist man allerdings auf spontane Zerfälle von Uran- oder Thoriumatomkernen angewiesen, die tief im Erdmantel stattfinden. Das meiste des so im Lauf von Millionen von Jahren entstandenen Heliums entweicht über kurz oder lang aus der Erde und entflieht in den Weltraum. Nur wenn es unterhalb von speziell geformten, unterirdischen Kavernen entsteht (in denen sich auch Erdgas sammelt), bleibt es auf seinem Weg nach oben gefangen.

Aber solche geologischen Konstellationen sind selten. Nur wenige der bekannten Gasfelder bestehen zu wenigstens 0,3 Prozent aus Helium; ab dann gilt eine Abspaltung des Edelgases als rentabel. Zunächst muss mit einer speziellen Aufbereitungsanlage "Rohhelium" aus dem Erdgas extrahiert werden – dort nutzt man aus, dass der Stoff bei hohen Drücken und Temperaturen gasförmig bleibt, Erdgas hingegen flüssig wird. Anschließend wird das Helium gereinigt, selbst verflüssigt und schließlich in knapp 40 000 Liter fassende Tanks gepresst. Auf dem Rücken von Lastwagen fahren diese dann meist über tausende Kilometer zum Verbraucher.

Von strategischer Bedeutung

Europas Helium kommt aus Algerien, Polen oder den Vereinigten Staaten, wo das weltweit größte Heliumvorkommen schlummert. Das Hugoton-Erdgasfeld erstreckt sich über hunderte Kilometer aus dem Westen von Kansas bis nach Texas. Schon in den 1920er Jahren begann man dort mit der systematischen Gewinnung. Im Ersten Weltkrieg hatte sich gezeigt, dass Helium als Füllgas von Zeppelinen und Luftschiffen dem leicht entzündlichen Wasserstoff klar überlegen ist. Im Kalten Krieg wuchs seine Bedeutung weiter. So wurde während des Apollo-Programms bereits zehnmal so viel Helium verwendet wie noch 1945. Allein der Start einer Saturn-V-Trägerrakete verbrauchte 370 000 Kubikmeter.

Auf dem Höhepunkt des Kalten Kriegs beschloss die US-Regierung, Helium wegen seiner strategischen Bedeutung zu horten. Bis Mitte der 1990er Jahre pumpten staatliche und private Erzeuger 900 Millionen Kubikmeter in die "Nationale Helium Reserve", eine unterirdische Kaverne nahe dem texanischen Amarillo. Die Lagerkosten von 1,3 Milliarden Dollar trug jedoch ausschließlich der Steuerzahler. Nach dem Ende des Kalten Kriegs dachte Washington dann um und warf die Vorräte auf den Markt, um die Kosten der Speicherstätte wieder einzunehmen. Bis 2015 soll dem "Helium Privatication Act" zufolge alles eingelagerte Helium verkauft sein.

Das Gesetz führte dazu, dass der fossile Stoff um die Jahrtausendwende zu Spottpreisen verschleudert wurde. Egal ob zum Aufblasen schriller Plastikfiguren und Ballons auf Paraden und Kindergeburtstagen, als Beimischung in Tauchergasflaschen oder Airbags: Billiges Helium floss in Hülle und Fülle, weil jedes Jahr eine gesetzlich vorgeschriebene Menge Helium aus der Amarillo-Reserve den Markt überschwemmte. Zwar hat Amerika das Problem mittlerweile erkannt, und der Kongress erörtert, die National Helium Reserve doch nicht bis 2015 zu leeren. Wenn das nicht geschehe, werde man innerhalb von 10 oder 15 Jahren zum Heliumimporteur, prognostizierte eine Expertenkommission um den Physik-Nobelpreisträger Robert Richardson in einem 2010 veröffentlichten Bericht.

Hört auf, Helium zu verschwenden!
(William Nuttall)

Aktuell werden noch 77 Prozent des Heliums in den Vereinigten Staaten gefördert. Aber bald wird sich der Schwerpunkt in Richtung Katar verlagern: Ab 2013 soll dort die weltgrößte Produktionsanlage in Betrieb gehen. Auf lange Sicht werden auch russische Gasfelder interessant, etwa in Kovykta, wo das Unternehmen Gazprom Ende des Jahrzehnts Helium aus Erdgas extrahieren will.

Neue Quellen verzweifelt gesucht

Aber was, wenn auch diese Vorkommen versiegen? Andere Heliumquellen als Erdgas sind nicht in Sicht. Zwar ist das Gas auch in der Atmosphäre enthalten. Die Konzentrationen sind jedoch so gering, dass das Filtern als hoffnungslos ineffizient gilt. Auch die Kernfusion, bei der – ähnlich wie im Inneren der Sonne – zwei Wasserstoffkerne zu Helium verschmelzen, kommt nicht als Lieferant in Frage. "Die in einem Reaktor anfallende Menge ist vernachlässigbar", sagt der "Nature"-Autor Richard Clarke, der auch am Culham Centre for Fusion Research forscht. Das in einem ausgewachsenen Fusionsreaktor anfallende Helium reiche nicht einmal, dessen Eigenbedarf zu decken, so Clarke. Denn auch der Fusionsreaktor braucht wegen seiner supraleitenden Spulen große Mengen Flüssighelium. Und diese durch Hochtemperatursupraleiter zu ersetzen, die auch anders gekühlt werden können, scheitert an deren Materialeigenschaften: Sie sind bislang zu brüchig, um sie zu Spulen zu biegen.

Auch die Vision, Helium vom Mond zu fördern, kann das Problem nicht lösen. Denn bei den vom Sonnenwind auf der Mondoberfläche deponierten Edelgasspuren handelt es sich um Helium-3; eines von zwei stabilen Heliumisotopen, das jedoch nur in speziellen Varianten von Kühlmaschinen als Beimischung zu Helium-4 Verwendung findet. Interesse an dem vermeintlichen Wunderstoff vom Mond haben vor allem amerikanische Sicherheitsbehörden. Sie schätzen Helium-3 wegen seiner Verwendung in Neutronendetektoren, die im September 2011 an jedem amerikanischen Flughafen installiert wurden und dort schmutzige Bomben aufspüren sollen.

Als Antwort auf die Heliumknappheit bleibt somit zunächst einmal nur das Sparen. Zum Schweißen sowie zum Ausspülen von Raketentanks könne man größtenteils andere Edelgase verwenden, sagen Experten wie Wolfgang Sandner. Und überall dort, wo Helium alternativlos ist, muss der Verbrauch des Edelgases so gut wie möglich gesenkt werden. Wie das aussehen kann, zeigt bereits heute das Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) in Dresden. Helium, das beim Kühlen der Kernspintomografen des Instituts erwärmt und dadurch wieder gasförmig wurde, wird in eine Aufbereitungsanlage geleitet und verflüssigt.

Sparen führt lediglich dazu, dass die derzeitige Knappheit etwas entschärft wird
(Christoph Haberstroh)

Nur zehn Prozent des Heliums gehen beim Recyceln verloren, berichtet Dirk Lindackers vom IFW. Nun müsse man das Gas deutlich seltener nachbestellen. Außerdem sind die Zeiten vorbei, in denen man den Rohstoff in die Atmosphäre entweichen lassen muss, weil es wegen seines 750-fachen Volumens im Vergleich zur flüssigen Phase innerhalb kürzester Zeit sämtliche zur Verfügung stehende Tanks füllt. Auch am Genfer Kernforschungszentrum CERN ist eine Wiederaufbereitungsanlage installiert. Sie kann jedoch nur drei Viertel der 850 000 Kubikmeter Helium wiederverwenden, die zu jeder Zeit durch die Magnete des "Large Hadron Collider" fließen.

Das Sparen dürfe aber nur ein erster Schritt sein, fordern Experten. Richard Clarke und seine Kollegen plädieren in "Nature" für die Schaffung einer Behörde, welche die globalen Heliumvorräte verwaltet. "Sparen führt lediglich dazu, dass die derzeitige Knappheit etwas entschärft wird", erläutert Christoph Haberstroh von der Technischen Universität Dresden, der in seiner Habilitationsschrift die globale Versorgung mit Flüssighelium analysiert hat. Wenn man in einigen hundert Jahren noch Helium haben wolle, müsse man jetzt die Extraktion massiv ausbauen und mehr Helium gewinnen, als aktuell auf dem Markt absetzbar ist. Diesen Überschuss könne man für kommende Generationen in einem Lager zurücklegen. "Bei jeder Erdgasförderung sollte man Helium abtrennen – auch wenn die Konzentration gering ist", sagt er. Sonst gehe immer dann, wenn unbehandeltes Erdgas verbrannt wird, der Menschheit etwas mehr von dem wertvollen Stoff verloren.

27. KW 2012

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 27. KW 2012

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