Helium – Kühlmittel, Sonnenstoff und Urmaterie

2. Februar 2013 von Andreas Müller in Allgemein

Helium ist - nach Wasserstoff - das zweithäufigste Element im ganzen Universum. Interessanterweise gehört es auch zu den beiden ältesten chemischen Elementen überhaupt. Es ist noch älter als die Erde und das Sonnensystem, die rund fünf Milliarden Jahre alt sind. Denn Helium bildete sich schon wenige Minuten nach dem Urknall, also vor fast 14 Milliarden Jahren. Wie sich herausstellt, hat das kosmische Helium aber nichts mit dem irdischen Helium zu tun.  


BILD: Die Sonne, hier fotografiert von der Raumsonde SOHO, besteht zu 92% aus Wasserstoff und zu 8% aus dem Sonnenstoff Helium. Dazu kommen noch ein paar Beimischungen von Spurenelementen. Die Sonne wurde hier bei der Spektrallinie von einfach ionisiertem Helium bei einer Wellenlänge von 30,4 nm aufgenommen. Das blendet viel anderes Licht aus, und daher sind so viele Details und Strukturen zu erkennen. Bildquelle: Solar and Heliospheric Observatory SOHO, ESA/NASA  

Sonnenstoff Helium
Den Namen verdankt das Helium der Sonne. Denn erstaunlicherweise wurde Helium nicht zuerst auf der Erde entdeckt, sondern im Weltall, genauer gesagt als Bestandteil der Sonne. Dieser "Sonnenstoff" wurde nach dem griechischen Wort für die Sonne, helios, benannt.  

Helium entsteht auf der Sonne aus Verschmelzungsreaktionen von leichteren Atomkernen, nämlich Wasserstoff, dem leichtesten und häufigsten chemischen Element im Universum. Bei dieser Kernfusion wird Energie frei, die letztendlich in Form von Sonnenstrahlen den Weg zu uns auf die Erde findet. Helium ist ein Abfallprodukt, die "Asche", dieser für uns so lebenswichtigen Reaktion.  

BILD: Helium entsteht im Sonneninnern aus Wasserstoff in zwei Stufen. Zunächst verschmelzen zwei Protonen zu Deuterium, schwerem Wasserstoff. Dann fängt sich Deuterium ein weiteres Proton ein und wird zu Helium. Diese Fusionsreaktion heißt auch pp-Kette. Bildquelle: A. Müller  

Das Spektrum der Sonne
Wie kann man ein Element auf der Sonne nachweisen? Naja, hinfliegen und ein Probe nehmen funktioniert jedenfalls nicht so leicht. Astronomen haben da eine viel elegantere, sozusagen minimalinvasive Lösung. Sie analysieren das Licht der Sonne, indem sie es in einzelne Farben zerlegen. Jede Farbe entspricht einer bestimmten Wellenlänge (alternativ Frequenz oder Energie) der Strahlung. Jedes dieser "Scheibchen von Licht" wird von der Sonne mit einer bestimmten Helligkeit (oder Intensität) abgestrahlt. Die eine Farbe ist heller, die andere dunkler. Das größte Helligkeit strahlt die Sonne im Bereich des gelben Lichts ab - gerade der Bereich, wo unsere Augen am empfindlichsten sind. Die biologische Entwicklung unserer Augen hat sich offenbar an das Sonnenlicht angepasst.  

Eine Darstellung der Helligkeit des Sonnenlichts sortiert nach den Farben nennt man Sonnenspektrum. Nun weist das Sonnenlicht bei ganz bestimmten Farben eine äußerst geringe Helligkeit auf. Im Sonnenspektrum befinden sich dort schwarze Linien.  

BILD: Spektren mit Absorptionslinien verschiedener Sterne (von oben nach unten: Spektraltypen O bis M). Das Spektrum der Sonne ähnelt  dem 5. von oben (Spektraltyp G). Bildquelle: U Berkeley  

Schon im Jahr 1814 entdeckte der deutsche Optiker und Physiker Joseph von Fraunhofer diese Linien, die als Fraunhofersche Linien bekannt wurden. Sie werden so erklärt, dass das Licht aus dem Zentrum der Sonne auf die äußeren Schichten der Sonne (Photosphäre) trifft. Dort regt die Strahlung die Elektronen in den dort befindlichen chemischen Elementen in höhere Energieniveaus an. Die zu diesen Energien genau passenden Lichtteilchen, also ganz bestimmte Farben, fehlen aber dann im Sonnenspektrum, so dass es dort zu den schwarzen Linien im Spektrum kommt.  

In der Physik lautet der Oberbegriff für derartige schwarze Linien im Spektrum Absorptionslinien. Spektroskopiker und Astronomen können nun aus den schwarzen Linien sofort lesen, um welches chemische Elemente es sich dabei handelt. Denn jedes Element erzeugt einen bestimmten Satz schwarzer Linien, so dass man wie bei einem Fingerabdruck eindeutig aus den schwarzen Linien Elemente (übrigens auch Moleküle) bestimmen kann. So entdeckte man auf der Sonne das Vorkommen Sauerstoff, Magnesium, Natrium, Eisen.

Ein paar Jahre nach Fraunhofer, im Jahr 1868, machte der französische Astronom Pierre Jule Janssen eine merkwürdige Entdeckung. Er fand eine neue schwarze Linie (zunächst als "Fraunhoferlinie D3" bezeichnet), die keinem bekannten Element auf der Erde zugeordnet werden konnte. Offenbar hatte er ein neues chemisches Element entdeckt! Zusammen mit dem Engländer Edward Frankland schlug er vor, den merkwürdigen, neuen Sonnenstoff nach dem griechischen Wort für die Sonne, helios, zu benennen. Weil sie es für ein Metall hielten sollte das Element die Endung "-ium": Ein neues Element war entdeckt, und der Begriff Helium war geboren. Noch viel später, im Jahr 1882, konnte der italienische Vulkanologe Luigi Palmieri das Helium zum ersten mal als Bestandteil der Vesuv-Lava nachweisen. Er fand, dass es Helium also auch auf der Erde gibt.    

BILD: Pierre Jules Janssen - Auch mit grimmigem Blick kann man Großes leisten. Bildquelle: wikipedia  

Fragen wir den Chemiker
Chemisch betrachtet ist Helium ein Edelgas. "Edel" ist es in dem Sinne, dass es mit anderen Atomen keine chemische Verbindung eingeht - ist sich eben zu piekfein, das Helium. Das liegt physikalisch-chemisch begründet daran, weil die erste und zugleich äußerste Atomschale des Heliumatoms mit zwei Elektronen bereits vollständig mit der maximalen Zahl an Elektronen für diese Schale besetzt ist. Alle anderen Edelgase - Neon, Argon, Krypton, Xenon, Radon - dürfen sich da etwas mehr erlauben, weil sie insgesamt mehr Elektronen in der Atomhülle haben und somit höhere Schalen besetzen. Sie haben in ihrer äußersten mit Elektronen besetzten Schale, der sog. Valenzschale, dann acht Elektronen, das sog. Elektronenoktett. Damit ist die Valenzschale vollständig besetzt und deshalb sind diese Edelgase chemisch so reaktionsunfreudig. 

Helium kommt als einatomiges Gas vor. Bei Wasserstoff und Sauerstoff ist das beispielsweise anders. Denn sie sind zweiatomig, d.h. zwei Gasatome verbinden sich zu einem Molekül. Ozon ist sogar dreiatomig, denn es ist eine Verbindung aus drei Sauerstoffatomen. Dieses "Dreiergespann" kann durch energiereiche UV-Strahlung gespalten werden - gut für uns, denn so schützt uns Ozon vor energiereicher Strahlung. Ohne Ozon kommt die UV-Strahlung auf der Erdoberfläche an und kann so Hautkrebs hervorrufen.  

Und was sagt der Physiker?
Helium ist wie der Wasserstoff ein recht abgefahrenes Zeug. Normalerweise kühlt sich ein Gas ab, wenn es sich ausdehnt. Bei Wasserstoff und Helium ist das gerade umgekehrt: Beide werden beim Ausdehnen heißer! Keine günstige Eigenschaft für ein Gas, das man in Flaschen transportieren möchte, denn die Explosionsgefahr ist beträchtlich. Die Eigenschaft bezeichnen übrigens Angeber mit fortgeschrittenen Kenntnissen in der Wärmelehre als negativen Joule-Thomson-Koeffizienten - vielleicht kein Spruch, um bei der nächsten Party das weibliche Geschlecht zu beeindrucken.  

Die geringste Dichte von allen chemischen Elementen hat Wasserstoff. Also eine optimale Eigenschaft, um damit Luftschiffe fliegen zu lassen. Wie die Explosion des Luftschiffs "Hindenburg" im Jahr 1937 auf grauenvolle Weise demonstrierte, eignet sich Wasserstoff nicht dafür - zu groß ist die Explosionsgefahr. Zum Verhängnis wurde der "Hindenburg" offenbar weniger der Joule-Thomson-Koeffizient, sondern vielmehr, dass Wasserstoff vermischt mit dem Sauerstoff aus der Luft zum explosiven Gemisch "Knallgas" wird.
Helium bietet da viele Vorzüge, weil es sich um ein chemisch extrem träges, unbrennbares Edelgas handelt. Für Luftschiffe und Ballone ist es das ideale Füllgas und bewährte sich dort auch.  

Helium hat die zweitgeringste Dichte nach Wasserstoff. Interessanterweise hat es von allen Elementen den niedrigsten Schmelz- und Siedepunkt. Nur bei extrem tiefen Temperaturen, nahe dem absoluten Nullpunkt, kommt Helium als Flüssigkeit oder Feststoff vor. Dazu ist ein recht hoher Druck von ungefähr 25-fachem Atmosphärendruck nötig. Aufgrund dieser Eigenschaften ist Helium prädestiniert als Kühlmittel.  

Helium in der Alltagsanwendung
Die Verwendung als Kühlmittel ist die wohl praktischste Eigenschaft des Heliums. Diverse Stoffe können mit flüssigem Helium auf Temperaturen wenige Grad oder sogar nur Bruchteile eines Grads über dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Flüssiges Helium hat somit ein breites Anwendungsgebiet in der Tieftemperaturtechnik. Es dient zur starken Kühlung von supraleitenden Magneten (z.B. am Large Hadron Collider am CERN), von Raketentreibstoffen oder von Infrarotkameras bei Weltraumteleskopen (ISO, Spitzer, Herschel).  

Natürliches Vorkommen von Helium auf der Erde
In den unteren Schichten der Erdatmosphäre kommt Helium in starker Verdünnung als Bestandteil der Luft vor. Allerdings beträgt sein Anteil nur rund fünf parts per million (ppm), d.h. auf eine Million Luftteilchen kommen nur fünf Heliumatome. Steigt man in der Atmosphäre nach oben, dann sortieren sich die Luftbestandteile entsprechend ihrer Dichte: Leichtes Gas, wie Wasserstoff und Helium, steigt nach oben und schweres Gas sinkt nach unten. Bei größeren Höhen als 100 Kilometer entmischt sich so die Erdatmosphäre. Helium befindet sich daher vor allem in noch größeren Höhen von rund 400 Kilometern - das ist der Bereich wo die Internationale Raumstation ISS um die Erde kreist. Weil Helium und Wasserstoff so leicht sind, können sie dort sogar in den Weltraum entweichen.  

Dennoch verschwindet das irdische Helium auf diese Weise nicht allmählich. Denn es wird ständig von der Erde nachgeliefert. Interessanterweise kommt nämlich das meiste Helium auf der Erde nicht etwa aus dem Weltall - wo es ja das zweithäufigste Element ist - sondern es entsteht im Erdinnern durch Radioaktivität. Eine Form der Radioaktivität ist der Alphazerfall. Dabei senden schwere Atomkerne aus ihrem Innern Alphateilchen aus und wandeln sich dabei in Atomkerne eines anderen chemischen Elements um. Denn Alphateilchen bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Und aha! Ein solches Alphateilchen ist nichts anderes als ein Heliumatomkern, genauer gesagt Helium-4 (He-4), weil es aus vier Kernteilchen (Nukleonen), nämlich den zwei Protonen und zwei Neutronen besteht. Daneben gibt es noch eine zweite Variante von Helium, ein sog. Heliumisotop, die Helium-3 (He-3) genannt wird. Chemisch betrachtet sind He-4 und He-3 identisch; physikalisch sind sie sehr verschieden! (Eine Diskussion von Bose-Einstein-Kondensaten, Bosonen und Fermionen würde hier zu weit führen. Aber genau das ist das Spannende an den Untersuchungen  von He-4- und He-3-Systemen.)  

BILD: Uran mit 238 Nukleonen ist ein Alphastrahler. Es zerfällt unter Aussendung eines Heliumatomkerns und wandelt sich so in Thorium mit 234 Nukleonen um. Das Helium reichert sich so in uranhaltigen Gesteinen an. Die Halbwertszeit für diesen Alphazerfall von Uran-238 ist recht stattlich und beträgt 4,5 Milliarden Jahre. Bildquelle: A. Müller  

Woher kommt das Helium auf der Erde?
Das Helium auf der Erde ist also nicht kosmischen Ursprungs! Die schweren Elemente wie Uran, Thorium und Radium produzieren über den Alphazerfall Unmengen von Helium in den Gesteinsschichten der Erdkruste. Es wird in Gesteinen wie Pechblenden eingeschlossen, kann aber auch ausgasen, z. B. wenn die Gesteine brüchig oder von Wasser aufgelöst werden. Auf diese Weise sammelt sich Helium auf natürliche Weise in den Vorkommen von Erdgas an und macht einen Anteil von 7% (Volumenprozent) im Erdgas aus. Das Kühlmittel Helium stammt ausschließlich aus der Gewinnung von Erdgas.  

Helium das Urgas
Das Faszinierendste am Helium ist vielleicht, dass es dieses kosmische Element schon so lange gibt. Noch bevor die ersten Sterne, Galaxien und Planeten entstanden, mussten sich die ersten Elementarteilchen, Naturkräfte und Atome bilden. All das geschah in rasanter Geschwindigkeit. Nach allem, was Astronomen und Kosmologen heute als gängige Lehrmeinung akzeptieren, entstand unser Universum vor 13,7 Milliarden Jahren im Urknall. In den ersten Sekundenbruchteilen, Sekunden und Minuten danach, entstanden Elementarteilchen wie Quarks und Leptonen. Sie fügten sich wie in einem Legobausatz zu neuen Teilchen zusammen: Aus zwei Quarks wurden Mesonen wie das Pion. Und aus drei Quarks wurden Baryonen wie Proton und Neutron. Das prominente Elektron, das Atomkerne "umkreist", gehört zu den Leptonen - genau wie das Myon oder das Neutrino. Diese "Teilchensuppe" formierte sich weiter und brachte in den ersten wenigen Minuten die beiden häufigsten Elemente des Universums hervor: rund 75% Wasserstoff und rund 25% Helium - ein paar wenige, etwas schwerere Elemente kamen nur in Spuren vor.  

Das waren die Startbedingungen für die ersten Sterne. Sie mussten aus Wasserstoff und Helium die noch schwereren Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Silizium und Eisen erst über die Fusionsreaktionen herstellen. Die allerschwersten Elemente jenseits von Eisen - wie Platin, Gold und Uran - kamen dann erst mit den ersten Sternexplosionen in den Kosmos. All das geschah viel, viel später einige hundert Millionen bis eine Milliarde Jahre nach dem Urknall.  

Helium im Kosmos und auf der Erde
Der weitaus größte Teil des existierenden Heliums im Universum kommt aus einer Zeit direkt nach dem Urknall. Aber das Helium auf der Erde kommt aus der Radioaktivität in den Gesteinen -  entstanden aus zerfallenden, schweren Atomkernen, die ihrerseits in Sternexplosionen in Einfangreaktionen entstanden. Der Sonnen- und Urstoff Helium bietet somit viele interessante Facetten. Helium ist einfach ein ganz faszinierendes Element.  

Quelle: Eintrag "Helium" in der dt. Wikipedia 


6 Kommentare zu “Helium – Kühlmittel, Sonnenstoff und Urmaterie”

  1. MH Antworten | Permalink

    Farbempfindlichkeit

    Eigentlich liegt die maximale Empfindlichkeit des menschlichen Auges mehr im grünen Spektralbereich.

  2. Martin Holzherr Antworten | Permalink

    Helium wird auf der Erde knapp

    Ich möchte auf die Artikel von Lars Fischer verweisen, die sich mit interessanten Aspekten von Helium befasst haben.
    Helium wird (auf der Erde) knapp
    Die nächste knappe Ressource - das Ende des Heliums? wo man liest: "Auf dem Lindauer Nobelpreisträgertreffen allerdings warnt er [Robert Richardson], dass das für die Kryotechnik unverzichtbare Element binnen weniger Jahrzehnte von der Erde verschwinden könnte." Dazu ein lesenswertes Interview von Lars Fischer mit Robert Richardson.

    Sehr viel Helium enthält die Atmosphäre der Gasriesen Neptun (19%), Uranus (15%) und Jupiter. Planetary Resources oder SpaceX könnten also das Knappheitsproblem irgendwann lösen. Sie müssen sich allerdings beeilen, denn nach Robert Richardson wird es schon in 25 Jahren eine gefährliche Knappheit geben.

    Helium und die Plattentektonik
    Im Beitrag Ursprung der Kontinente berichtet Lars Fischer über das schubweise Entstehen der Kontinente und wie man das anhand verschiedener Heliumisotope rekonstruieren kann (Zitat):".. müssen demnach ältere Magmareservoirs mehr He-3 enthalten als jüngere. Auf diese Weise könnte man die Zeiten bestimmen, zu denen besonders viel Schmelze einer bestimmten Isotopenzusammensetzung entstanden ist. Damit hat man zwei unabhangige Proxies für die Entstehung von kontinentaler Kruste."

    Verdampfendes Helium hält Planck kühl
    Im Beitrag Planck - Blick aufs junge Universum berichtet Lars Fischer über den Planck-Satelliten, der am Lagrange Punkt L2 sitzt und dort über auf extrem tiefe Temperaturen gekühlte Bolometer die Mikrowellenhintergrundstahlung misst, die der Urknall übriggelassen hat.
    Die Kühlung benutzt H2 und Helium (Zitat)"Die nächsten beiden Kühlstufen basieren auf der Expansion von Wasserstoff und Helium. Diese beiden Kreisläufe reduzieren die Temperatur auf unter 5 K – das natürlich ohne störende Vibrationen.

    Die letzte Kühlstufe ist ein Verdünnungskühler, der auf dem bizarren Verhalten ultrakalter Materie basiert. Die Bolometer der Planck-Hochfrequenzsensoren baden in Helium-4. Wenn man das mit Helium-3 verdünnt, verhält es sich wie ein Gas, das in ein Vakuum hineinexpandiert – und kühlt sich ab."

  3. Andreas Müller Antworten | Permalink

    @MH

    Ob unsere Augen am empfindlichsten mehr im gelben oder grünen Bereich sind lässt sich nach dieser Quelle, Abschnitt "Sehzellen", nicht so eindeutig sagen. (Hinzu kommt noch, dass die Farbinterpretation offenbar ein statistischer Prozess ist - wie unter dem Link ebenfalls beschrieben.)

    Physikalisch betrachtet muss es z. B. Sterne geben, die gerade die richtige Oberflächentemperatur haben, dass sie die größte Strahlungsintensität im Grünen abstrahlen. Zufällig sollte das eigentlich bei der Sonne der Fall sein, denn ihre mittlere Oberflächentemperatur beträgt 5780 Kelvin. Setzt man diese Temperatur in das Wiensche Verschiebungsgesetz ein, erhält man als Ergebnis fast genau 500 nm. Das bedeutet physikalisch würde die Sonne eigentlich mehr grün ausschauen müssen. Aber unsere Farbrezeptoren im Auge vermitteln uns den Eindruck, dass sie eher gelb aussieht.
    Aber ich lasse mich da gerne belehren - ich bin kein Biologe.

    Beste Grüße,
    Andreas Müller

  4. Andreas Müller Antworten | Permalink

    @M. Holzherr

    Haben Sie vielen Dank für diese Links, die diesen blog post sehr wertvoll ergänzen! Ich kannte diese Werke von Kollege Fischer noch gar nicht.

    Beste Grüße,
    Andreas Müller

  5. Stephan Schleim Antworten | Permalink

    Interessant!

    Ich wusste noch gar nicht, dass man Helium erst im Weltall entdeckt hat, bevor man es auf der Erde aufspürte... sehr interessant.

    Helium ist auch für die inzwischen weit verbreiteten Magnetresonanztomographen bzw. Kernspintomographen ein unerlässliches Kühlmittel. Damit wird die Spule auf so eine tiefe Temperatur gekühlt, dass sie supraleitend wird und man damit ein starkes Magnetfeld erzeugen kann. Darum geht's wohl auch in dem Teilchenbeschleuniger im CERN.

    Allerdings sind die Heliumvorräte begrenzt. Der Preis ist in den letzten Jahren enorm gestiegen. Das wäre mal einen eigenen Beitrag wert, zumal die Methode damit in der Medizin und der (Hirn-)Forschung stets weniger und weniger kosteneffizient wird. Helium-Recycling ist aber noch viel zu teuer, Wasserstoff aufgrund der Explosionsgefahr keine gute Alternative.

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