Supraflüssiges Helium: Die Bedeutung von flüssigem Helium und seine Anwendungen

Was ist flüssiges Helium und warum wird es als Supraflüssigkeit bezeichnet?

Flüssiges Helium bezeichnet bei normalem Atmosphärendruck den physikalischen Zustand von Helium bei sehr niedrigen Temperaturen. Wenn sich Helium in diesem flüssigen Zustand befindet, wird es als „supraflüssiges Helium“ bezeichnet. Ein Suprafluid ist ein Zustand, in dem sich Materie wie eine nicht viskose Flüssigkeit verhält. Die Substanz verhält sich nicht wie eine normale Flüssigkeit. Sie fließt ohne Reibung über Oberflächen und zirkuliert innerhalb eines Behälters, nur ihrer eigenen Trägheit unterliegend, durch jedes Hindernis oder jede Pore.

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Abundanz und Isotope

Jedes Heliumatom hat zwei Protonen im Kern, aber wie bei allen Elementen gibt es auch hier Isotope von Helium. Die identifizierten Heliumisotope enthalten zwischen einem und sechs Neutronen, ihre Masse reicht also von 3 bis 8. Von diesen sechs Isotopen sind zwar die mit den Massen 3 (Helium-3 oder 3He) und 4 (Helium-4 oder 4He) stabilisiert, die anderen sind jedoch alle radioaktiv und zerfallen sehr schnell in andere Verbindungen.

Das Helium auf der Erde ist kein Kernelement und wird durch Kernfusion in der Sonne erzeugt. Die Kerne des Isotops Helium-4 sind die Kerne von Alphateilchen, die aus dem Kern von schwereren radioaktiven Verbindungen ausgestoßen werden. Das Helium sammelt sich in der Umwelt nicht in großen Mengen an, da die Schwerkraft des Planeten nicht ausreicht, um es daran zu hindern, allmählich in den Weltraum zu strömen. Helium-4 ist das weitaus häufigere der beiden natürlich vorkommenden Helium-Isotope: In atmosphärischem Helium sind Helium-4-Atome im Verhältnis von über 700.000:1 vorhanden und in einigen heliumhaltigen Mineralien im Verhältnis von etwa 7.000.000:1.

Zusammensetzung von flüssigem Helium

Es ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 2. Es hat das Symbol He und ein Standard-Atomgewicht von 4,0026. Es gehört zur Gruppe 18 des Periodensystems der Elemente, da es die Eigenschaften eines Edelgases mit dem gesamten Energieniveau aufweist.

Unterscheidung zwischen der supraflüssigen Heliumform von flüssigem Helium 3 und Helium 4

Die supraflüssige Form von flüssigem Helium-4 tritt bei viel höheren Temperaturen auf als bei Helium-3. Jedes Helium-4-Molekül ist aufgrund des Spins von Null ein Bosonen-Teilchen. Zudem ist Helium 3 ein Fermionteilchen, das nur bei weitaus niedrigeren Temperaturen Bosonen bilden kann, wenn es kombiniert wird, und zwar auf eine Weise, die mit der Elektronenpaarung in der Supraleitung vergleichbar ist.

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Grundlegende Eigenschaften von flüssigem Helium

Bei absoluter Temperatur ist Helium so niedrig, dass es einen flüssigen Zustand annimmt. Die Flüssigkeit siedet bei 4,2 K (-452°F oder -269°C), einer wesentlich niedrigeren Temperatur als jede andere Substanz, mit Ausnahme von Wasserstoff, und hat unterhalb von 2.172 K (-455,76°F) außergewöhnliche Suprafluiditätseigenschaften, darunter insbesondere die Möglichkeit, ohne Reibung zwischen kleinen Strömen zu fließen.

Die wichtigsten Vorteile der Verwendung von flüssigem Helium

Flüssiges Helium hat das größte Ionisierungspotenzial (24,587 eV). Da sich Helium näher am absoluten Nullpunkt befindet als fast jede andere Komponente, werden die relativ niedrige Betriebstemperatur und der niedrige Druck eines jeden Kältemittels mit flüssigem Helium erreicht. Heliumgas hat eine sehr hohe spezifische Wärme und Wärmeleitfähigkeit. Bei Luftdruck bleibt Helium bis zum absoluten Nullpunkt flüssig und kann erst bei 25 atm verfestigt werden. Helium ist in seiner festen Form außerordentlich komprimierbar und ermöglicht Volumenänderungen von mehr als 30%.

• Kryogenik (derzeitige Verwendung von flüssigem Helium): Kryotechnik ist die am häufigsten verwendete Anwendung von Helium. Die Menge an Helium, die 1996 in der Kryotechnik verwendet wurde, betrug etwa 620 Millionen SCF. Die primären kryogenen Anwendungen sind die Magnetresonanztomographie, halbleitende Prozesse sowie groß- und kleinskalige Grundlagenforschung, die Heliumtemperaturen erfordern. Allerdings wird die für jeden der oben genannten Zwecke verwendete Menge nicht ausdrücklich angegeben.

• Magnetresonanztomographie (MRT): Für Magnetresonanztomographen (MRT) wird flüssiges Helium meist medizinisch verwendet. Die supraleitenden Magnete, die in so vielen weiteren Geräten unverzichtbar sind, werden mit flüssigem Helium als Kühlmittel geliefert. Die Erschwinglichkeit von Helium und die Stabilisierung des Marktes haben dazu geführt, dass sich die Kernspintomographie als diagnostisches Hilfsmittel im öffentlichen Gesundheitswesen der Vereinigten Staaten schnell entwickelt hat. In den USA und weltweit gibt es eine große und stabile Basis von supraleitenden Maschinen, die jährlich um 15% wachsen könnte. 

• Aerostatik: Helium steht im Periodensystem an zweiter Stelle hinter Wasserstoff (die zweitleichteste Komponente) und hat eine geringere Dichte als Luft. Daher wurde Helium während des Zweiten Weltkriegs als Auftriebsgas für Bälle, Wetterballons und Flugzeuge verwendet. Helium scheint das bevorzugte Auftriebsgas zu sein, auch wenn es nicht den gleichen Boom erlebt wie Wasserstoff, da es nicht brennbar ist. Seit seiner Entdeckung auf der Erde wurde Helium zunächst als Traggas verwendet. Zur Erzeugung von Auftrieb kann Wasserstoff oder eine Kombination aus Wasserstoff und Stickstoff anstelle von Helium verwendet werden.

• Halbleiterverarbeitung: Die Hauptnutzer von Helium in der Halbleiterindustrie sind die Hersteller von Siliziumwafern. Das Verfahren der 12-in (300 mm) Kristalle wird eingesetzt, um die heißen Kugeln aus Halbleitermaterial mit einem heliumgekühlten supraleitenden Magneten zu stabilisieren. Plasmaätzung und Vakuumpumpen sind weitere industrielle Prozesse, bei denen Helium verwendet wird. Bei jeder der Prozeduren könnten Recycling-Strategien zur Reduzierung des Heliumverbrauchs eingesetzt werden. Die Gesamtmenge des von der Halbleiterindustrie genutzten Heliums ist nicht bekannt, doch ist diese Schlüsselindustrie zweifellos sehr wertvoll. Der Preis für Helium könnte steigen, allerdings würde die Verarbeitung von Halbleitern stark beeinträchtigt werden, wenn Helium vollständig verschwindet.

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Flüssiges Helium: Wirtschaftliche Vorteile, die es mit sich bringt

Mit 200 Atmosphären bietet Helium im gasförmigen Zustand fast das fünffache Volumen des Atmosphärendrucks seines flüssigen Zustands. Die supraleitenden Resonanzspulen werden in Labors verwendet. Es ist zu einem hochgeschätzten Produkt als Kühlmittel in Laboratorien und in der Chemie geworden, die im Allgemeinen niedrige Temperaturen erfordern. Bei der Herstellung von Glasfasern, Halbleitern und beim Lichtbogenschweißen wird Helium als inerte Schutzatmosphäre verwendet. Helium kann auch zum Aufspüren von Lecks in Autoklimaanlagen und zum Aufblasen von Airbags nach einem Aufprall verwendet werden, da es sich rasch ausbreitet.

Doch wie wir bereits gesagt haben, ist die Kryotechnik die häufigste Anwendung von Helium. Bei Cryospain stellen wir kryotechnische Lösungen bereit, die den spezifischen Anforderungen unserer Kunden entsprechen: von schlüsselfertigen Projekten bis hin zur Lieferung von Ausrüstung, technischer Unterstützung und Wartung.

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