Helium wird weltweit am häufigsten zum Befüllen von Einwegballons verwendet, wie die hier in Warschau, Polen, gezeigten Anbieter zeigen. Es gibt einen globalen Heliummangel, und jede einzelne Verschwendung wie dieser verschlimmert das Problem nicht nur, sondern entfernt das verbrauchte Helium dauerhaft vollständig von der Erde. (Jaap Arriens / NurPhoto über Getty Images)

Die Menschheit verschwendet gedankenlos eine wesentliche, nicht erneuerbare Ressource: Helium

Was Hunderte von Millionen von Jahren gedauert hat, wird für ... Partyballons verschwendet?

Unter der Erdoberfläche befindet sich eine natürliche Ressource, die sich seit Hunderten von Millionen von Jahren angesammelt hat. Es spielt eine zentrale Rolle in einigen der wichtigsten wissenschaftlichen und medizinischen Anwendungen der Gesellschaft, von MRT-Geräten über Supraleitung bis hin zu Teilchenbeschleunigern und der Erzeugung der stärksten Magnetfelder auf der Erde. Für diese einzigartige Ressource ist kein Ersatz bekannt. es ist wirklich unersetzlich.

Es gibt auch keinen guten Weg, diesen wesentlichen Bestandteil in irgendeiner wesentlichen Menge zu synthetisieren. Wir haben nur das, was sich in der natürlichen geologischen Geschichte unseres Planeten auf natürliche Weise angesammelt hat. Die fragliche Ressource? Das leichteste in der Natur vorkommende Inertgas: Helium. Anstatt es für diese dringend benötigten medizinischen und wissenschaftlichen Zwecke abzubauen, zu lagern und zu verteilen, verschwenden wir es auf Ballons und quietschenden Stimmen. Deshalb muss diese Verschwendung ein Ende haben.

Es gibt ein ausgedehntes Netzwerk von Helium-Anlagen und -Pipelines oberhalb der Gebiete, in denen die Vereinigten Staaten einen natürlichen Heliumvorrat haben. Wenn wir diesen jedoch nicht erhalten, stürzen wir uns in eine Zukunft, in der wir einfach in einem Zustand leben, in dem wir nicht genug haben Heliumressourcen. Es wird Hunderte von Millionen von Jahren dauern, bis die Erde ihre Heliumvorräte auf natürliche Weise wieder aufgefüllt hat. (BÜRO FÜR LANDVERWALTUNG)

Als Helium auf der Erde entdeckt wurde, ließen sich seine einzigartigen Eigenschaften sofort für unzählige wissenschaftliche Zwecke nutzen. Als Gas, das leichter als Luft ist, kann es zum Auftrieb oder sogar zum Schweben verwendet werden. Da es nicht reaktiv und inert ist, kann es bei hohen Temperaturen und in sauerstoffreichen Umgebungen ohne Explosionsgefahr eingesetzt werden. Die Schallgeschwindigkeit ist in Helium fast dreimal so hoch wie in Luft, was zu akustischen Anwendungen führt.

Am wichtigsten ist vielleicht, dass es bei atmosphärischem Druck und niedrigen Temperaturen verflüssigt, aber niemals erstarrt. Dies macht es zum ultimativen Kühlmittel für Teilchenbeschleuniger, MRI-Geräte und Supraleiter. Bei ausreichend niedrigen Temperaturen wird Helium sogar zu einer Superflüssigkeit: ein äußerst seltener Materiezustand, der keine Reibung oder Viskosität aufweist. Ein Superfluid in Bewegung bleibt für immer in Bewegung, ohne Energieverluste, die es verlangsamen.

Die einzigartigen elementaren Eigenschaften von Helium, wie seine Flüssigkeit bei extrem niedrigen Temperaturen und seine überflüssigen Eigenschaften, machen es für eine Reihe wissenschaftlicher Anwendungen gut geeignet, mit denen kein anderes Element oder Verbindung mithalten kann. Das hier gezeigte superfluide Helium tropft, weil es keine Reibung in der Flüssigkeit gibt, die verhindert, dass es an den Seiten des Behälters hochkriecht und überläuft, was es spontan tut. (ALFRED LEITNER)

Dennoch ist Helium, obwohl es das zweithäufigste Element im gesamten Universum ist, auf der Erdoberfläche äußerst selten vorhanden. Als zweitleichtestes Element im Periodensystem wurde es nach Helios, dem antiken griechischen Sonnengott, benannt, da es spektroskopisch auf der Sonne entdeckt wurde, bevor es jemals auf der Erde gefunden wurde. Es wurde erst 1882 irdisch entdeckt, als wir dieselbe einzigartige Spektrallinie in der Lava sahen, die von einem Ausbruch des Vesuvs ausging.

Einige Jahre später gelang es den Wissenschaftlern, Helium in einem Labor zu isolieren, indem sie magmatisches Gestein chemisch behandelten und die Edelgase von den Atomen trennten, mit denen sie zusammengebunden waren. Es mag überraschen, dass solch eine gemeinsame Zutat im Universum auf der Erde so selten ist, aber mit ein wenig Wissenschaft ist es leicht zu verstehen, warum.

Ein moderner klinischer Hochfeld-MRT-Scanner, der Magnetfelder von 3 Tesla erzielt. Diese Feldstärken können nur mit supraleitenden Magneten erreicht werden, die den Einsatz von flüssigem Helium erfordern. MRT-Geräte sind heute die größte medizinische oder wissenschaftliche Verwendung von Helium. (WIKIMEDIA COMMONS USER KASUGAHUANG)

In den frühen Stadien des Sonnensystems war Helium unglaublich reichlich vorhanden. Die riesige molekulare Gaswolke, die zusammenbrach und fragmentierte, um Sonne und Planeten hervorzubringen, bestand hauptsächlich aus Wasserstoff (70%) und Helium (28%), wobei nur geringe Mengen aller anderen Elemente vorhanden waren. Der Großteil dieser Masse wurde durch Gravitation in das Zentrum gezogen, in das, was schließlich unsere Sonne werden würde, während der größte Teil des Restes auf einer protoplanetaren Scheibe verteilt war.

Als die Planeten zu wachsen begannen und Gestalt annahmen, zog die Schwerkraft alle Elemente in diese massiven Klumpen, einschließlich Wasserstoff und Helium. Aufgrund der Funktionsweise dieser Dichte sanken die schwersten Elemente auf den Kern, während die leichtesten Elemente in den oberen Schichten der Kruste und der Atmosphäre aufgewickelt wurden. Auf den Gasriesenwelten gab es genug Masse, um Wasserstoff und Helium festzuhalten, aber auf der Erde hatten sie keine Chance.

Eine Abbildung einer protoplanetaren Scheibe, bei der sich zuerst Planeten und Planetesimale bilden und dabei Lücken in der Scheibe entstehen. Sobald der zentrale Protostern heiß genug wird, fängt er an, die leichtesten Elemente aus den umgebenden Protoplantarsystemen abzublasen. Ein Planet wie Jupiter oder Saturn hat genug Schwerkraft, um an den leichtesten Elementen wie Wasserstoff und Helium festzuhalten, eine Welt mit geringerer Masse wie die Erde jedoch nicht. (NAOJ)

Helium ist leichter als alle anderen Gase, aus denen sich die Erdatmosphäre zusammensetzt. Infolgedessen steigt es an die Spitze der Exosphäre: an die Grenze zwischen den dünnsten Atomen der Erde und dem Vakuum des Weltraums. In diesen großen Höhen reicht ein starker Tritt von Sonnenlicht oder einem Sonnenwindpartikel aus, um ein Heliumatom an seiner Fluchtgeschwindigkeit vorbei zu treiben und es für immer von der Erde zu schleudern. Obwohl die Erde in großer Menge mit Helium gebildet wurde, wurde sie vor langer Zeit größtenteils von unserem Planeten ausgestoßen. Der verbleibende Heliumanteil unserer Atmosphäre beträgt 0,00052%.

Stattdessen befindet sich die Art und Weise, wie die Natur Helium auf der Erde bildet, tief im Inneren des Planeten, wo sich die schwersten Elemente befinden.

Die Schichten des Erdinneren sind dank der Seismologie und anderer geophysikalischer Beobachtungen klar definiert und verständlich. Tief unter der Kruste sind schwere Elemente wie Radium, Thorium und Uran in großer Menge vorhanden. Ihre radioaktiven Zerfälle erzeugen ungefähr 50% der inneren Wärme der Erde (wobei die andere Hälfte von der Gravitationskontraktion herrührt). Diese Zerfälle sind es, die unsere unterirdischen Heliumvorräte über geologische Zeiträume aufbauen. (WIKIMEDIA COMMONS USER SURACHIT)

Während das meiste, was die Erde ausmacht, stabil ist - Elemente wie Eisen, Nickel, Silizium, Sauerstoff, Schwefel, Blei und mehr -, gibt es einige bemerkenswerte Ausnahmen, und diese treten in größerer Menge auf, je näher wir dem Kern schauen. Elemente wie Radium, Thorium und Uran machen zwar möglicherweise weniger als 1% der Erde aus, sind jedoch für ungefähr die Hälfte der Energie verantwortlich, die im Inneren unseres Planeten erzeugt wird.

Die Art und Weise, wie sie es produzieren, erfolgt durch die Physik, die durch Einsteins größte Gleichung kodiert wird: E = mc². Diese Elemente bestehen aus Atomkernen, die so schwer sind, dass sie von Natur aus instabil sind. Wenn sie genug Zeit haben, zerfallen sie radioaktiv und wandeln einen winzigen Bruchteil ihrer Masse in Energie um, wenn sie genau diese Regel, E = mc², anwenden. Der häufigste Weg für ihren Zerfall ist die Emission eines α-Teilchens aus zwei Protonen und zwei Neutronen.

Ein Alpha-Zerfall ist ein Prozess, bei dem ein schwerer Atomkern ein Alpha-Teilchen (Heliumkern) emittiert, was zu einer stabileren Konfiguration führt und Energie freisetzt. Wenn dieser Zerfall tief unter der Erde stattfindet, können sich die Alphateilchen mit zwei Elektronen wieder vereinigen und über einen ausreichend langen Zeitraum hinweg Vorräte an neutralem Helium aufbauen. (LABOR FÜR KERNPHYSIK, UNIVERSITÄT ZYPERN)

Wenn Sie Ihr Periodensystem kennen, können Sie erkennen, dass ein α-Teilchen mit einem Heliumkern identisch ist. Obwohl viele dieser instabilen Atome eine Halbwertszeit von einer Milliarde Jahren oder mehr haben, ist die Erde mehr als vier Milliarden Jahre alt. Tief in der Erde bedeutet der Zerfall dieser schweren Elemente, dass unser gesamter Planet eine sehr langsame Heliumfabrik ist.

Auf der Zeitskala eines menschlichen Lebens ist das durch radioaktiven Zerfall erzeugte Helium völlig vernachlässigbar. Es dauert Hunderte von Millionen von Jahren, um wesentliche Mengen von Helium unter Tage zu produzieren. Sie bauen sich dort auf, wo Adern dieser Elemente abgelagert wurden, und führen zu enormen unterirdischen Heliumreservoirs. Sobald es extrahiert ist, müssen wir Hunderte von Millionen von Jahren warten, bis sich diese Läden wieder füllen.

Eine Heliumgewinnungsanlage in Amarillo, TX. Jegliches Helium, das die Pflanze verlässt, schwimmt an die Spitze der Atmosphäre, wo es wahrscheinlich mit dem Sonnenlicht interagiert und im interplanetaren Raum landet. (JENNIFER TUTOP, BLM NEW MEXICO INTERN)

Wie verwalten wir diese Ressource? Die Antwort lautet: „Überhaupt nicht“. Auch wenn unser Vertrauen in flüssiges Helium steigt, da die medizinische Diagnostik mit Magnetfeldern großer Stärke und der Bedarf an flüssigem Helium an Routine gewinnt, haben wir keinen langfristigen Plan für die unersetzlichen Heliumvorräte Erde. Das nationale Heliumreservat ist ständig in der Gefahr, einfach versteigert zu werden, da sein derzeitiges Mandat zur Aufrechterhaltung eines riesigen Heliumvorrats in nur zwei Jahren ausläuft.

Die weltweite Situation ist nicht besser. Weltweit fördern und raffinieren nur 14 Anlagen Helium, die Hälfte davon in den USA. Wir haben jetzt unseren dritten weltweiten Heliummangel seit Beginn des 21. Jahrhunderts und den ersten, seit 2016 in Tansania ein riesiger neuer Vorrat an natürlichem Helium gefunden wurde Einmalige Frivolitäten wie Luftballons und Geburtstagsfeiern können nicht aufrechterhalten werden.

In einer von der wissenschaftlichen Forschungsgemeinschaft 2016 durchgeführten Studie wurde versucht, den globalen Heliummangel zu beheben, indem eine Reihe von Schritten empfohlen wurden, die auf eine Steigerung der Produktion, das Heliumrecycling und die weltweite Erhaltung dieser natürlichen Ressource abzielen. Ab 2019 ist klar, dass wir keine wesentlichen Schritte in diese Richtung unternommen haben. (AMERIKANISCHE PHYSIKALISCHE GESELLSCHAFT, MATERIALFORSCHUNGSGESELLSCHAFT, AMERIKANISCHE CHEMISCHE GESELLSCHAFT)

Laut einer Studie der American Physical Society und des Bureau of Land Management aus dem Jahr 2016 stieg der Preis für laborfertiges Helium von 5 USD pro Liter im Jahr 2010 auf über 16 USD pro Liter im Jahr 2013, und gleichzeitig stiegen die Preise für kommerzielles Helium . In den Geschichten, die Sie lesen, geht es jedoch nicht um die wissenschaftlichen und gesellschaftlichen Auswirkungen, darunter:

  • steigende Preise für MRT und andere medizinische Diagnostika,
  • die erhöhten Kosten für grundlegende wissenschaftliche Forschung, die von flüssigem Helium abhängt,
  • das Problem, dass wir unsere terrestrische Heliumversorgung in weniger als 200 Jahren vollständig erschöpfen werden,
  • und die ungeheuerlichste Tatsache: Die geplante Privatisierung der Heliumversorgung des Bundes wird nur die leichtfertige Verschwendung dieser kostbaren und unersetzlichen Ressource beschleunigen.

Stattdessen ist die einzige Nachricht, dass Party City, bekannt als der beste Ort, um Heliumballons zu kaufen, 5% seiner Geschäfte wegen Heliumknappheit schließt.

Jedes Mal, wenn wir einen einzelnen Ballon mit Helium füllen, zerstören wir praktisch alle in diesem Ballon vorhandenen Heliumatome zu einem Schicksal, bei dem sie der Erdatmosphäre entkommen. In nur wenigen Jahrzehnten erschöpfen wir ein natürliches Angebot, für dessen Aufbau Milliarden von Jahren benötigt wurden. (HILKEFROMM / PIXABAY)

Jedes Mal, wenn Sie einen einzelnen Ballon mit Helium füllen, nehmen Sie ungefähr 3 × 10²³ Heliumatome, die über Milliarden von Jahren auf der Erde erzeugt wurden, und entfernen sie vom Planeten. Als Spezies machen wir die gesamte Geschichte der Heliumproduktion unseres Planeten mit nur wenigen Jahrzehnten Missbrauch rückgängig. Sie erschweren und verteuern die Durchführung von wissenschaftlichen und medizinischen Forschungen und Anwendungen. Und Sie tragen zu einer globalen Heliumknappheit bei, die ohnehin schon schlimm ist, und verschärfen diese.

Die anderen Möglichkeiten, es zu ernten, wie andere Welten dafür abzubauen oder es aus der Atmosphäre zu gewinnen, sind im Vergleich dazu astronomisch teuer. Wir bekommen einen einmaligen Schuss auf die Erde, um das Helium unter unserer Oberfläche zu extrahieren und zu konservieren. Jedes Atom, das wir durch Frivolität verlieren, ist eines Tages ein anderes Atom, das wir auf eine viel schwierigere und ressourcenintensivere Weise ernten müssen. Helium ist zwar im Universum reichlich vorhanden, aber auf der Erde selten und kostbar. Es ist an der Zeit, uns so zu verhalten.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu aufgelegt. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.