Helium ist ein chemisches Element mit dem Symbol He und der Ordnungszahl 2. Es ist ein seltenes, farbloses, geschmackloses, ungiftiges und nicht brennbares Gas, das in der Atmosphäre vorkommt und nur schwer wasserlöslich ist. Die Heliumkonzentration in der Atmosphäre beträgt 5,24 × 10⁻⁴ Volumenprozent. Es hat die niedrigsten Siedepunkte und Schmelzpunkte aller Elemente und existiert – außer unter extrem kalten Bedingungen – ausschließlich als Gas.

Helium wird hauptsächlich als gasförmiges oder flüssiges Helium transportiert und findet Verwendung in Kernreaktoren, Halbleitern, Lasern, Glühbirnen, Supraleitung, Instrumenten, Halbleitern und Glasfaseroptik, Kryotechnik, MRT und in der Forschung und Entwicklung von Laboren.

Die Kältequelle mit niedriger Temperatur

Helium wird als kryogenes Kühlmittel für verschiedene Anwendungen eingesetzt, darunter Magnetresonanztomographie (MRT), Kernspinresonanzspektroskopie (NMR), supraleitende Quantenbeschleuniger (SQP), der Large Hadron Collider (LHC), SQUID-Interferometer, Elektronenspinresonanz (ESR), supraleitende magnetische Energiespeicher (SMES), MHD-Supraleitungsgeneratoren, supraleitende Sensoren, Energieübertragung, Magnetschwebebahnen, Massenspektrometer, supraleitende Magnete, starke Magnetfeldseparatoren, Ringfeld-Supraleitungsmagnete für Fusionsreaktoren und weitere kryogene Forschungsprojekte. Helium kühlt kryogene supraleitende Materialien und Magnete auf nahezu den absoluten Nullpunkt, wodurch der Widerstand des Supraleiters schlagartig auf null sinkt. Dieser extrem niedrige Widerstand ermöglicht die Erzeugung eines stärkeren Magnetfelds. Bei MRT-Geräten in Krankenhäusern führen stärkere Magnetfelder zu detailreicheren Röntgenbildern.

Helium wird als Superkühlmittel eingesetzt, da es die niedrigsten Schmelz- und Siedepunkte besitzt, bei Atmosphärendruck und 0 K nicht erstarrt und chemisch inert ist, wodurch Reaktionen mit anderen Substanzen nahezu ausgeschlossen sind. Zudem wird Helium unterhalb von 2,2 Kelvin superfluid. Bislang wurde diese einzigartige Supermobilität noch nicht industriell genutzt. Bei Temperaturen unter 17 Kelvin ist Helium als Kältemittel in der Kryotechnik unersetzlich.

Luft- und Raumfahrt

Helium wird auch in Ballons und Luftschiffen verwendet. Da Helium leichter als Luft ist, werden Luftschiffe und Ballons mit Helium gefüllt. Helium hat den Vorteil, nicht brennbar zu sein, obwohl Wasserstoff einen höheren Auftrieb hat und weniger leicht aus der Membran entweicht. Eine weitere Anwendung findet sich in der Raketentechnik, wo Helium als Verlustmedium dient, um Treibstoff und Oxidationsmittel in Lagertanks zu verdrängen und Wasserstoff und Sauerstoff zu Raketentreibstoff zu kondensieren. Es könnte auch verwendet werden, um Treibstoff und Oxidationsmittel vor dem Start aus Bodengeräten zu entfernen und flüssigen Wasserstoff im Raumschiff vorzukühlen. Für den Start der Saturn-V-Rakete des Apollo-Programms wurden etwa 370.000 Kubikmeter Helium benötigt.

Leckerkennung und -analyse in Rohrleitungen

Eine weitere industrielle Anwendung von Helium ist die Lecksuche. Sie dient dazu, Lecks in Systemen mit Flüssigkeiten und Gasen aufzuspüren. Da Helium dreimal schneller durch Feststoffe diffundiert als Luft, wird es als Tracergas zur Lecksuche in Hochvakuumgeräten (wie Kryotanks) und Hochdruckbehältern eingesetzt. Das zu prüfende Objekt wird in eine Kammer gegeben, die anschließend evakuiert und mit Helium gefüllt wird. Selbst bei Leckraten von nur 10⁻⁹ mbar·L/s (10⁻¹⁰ Pa·m³/s) lässt sich das austretende Helium mit einem empfindlichen Gerät (einem Helium-Massenspektrometer) nachweisen. Das Messverfahren ist üblicherweise automatisiert und wird als Helium-Integrationstest bezeichnet. Eine andere, einfachere Methode besteht darin, das zu prüfende Objekt mit Helium zu füllen und manuell mit einem Handgerät nach Lecks zu suchen.

Helium wird zur Lecksuche eingesetzt, da es das kleinste Molekül und einatomig ist und daher leicht entweicht. Bei der Lecksuche wird Heliumgas in das zu untersuchende Objekt eingefüllt. Tritt ein Leck auf, kann ein Helium-Massenspektrometer dessen Position bestimmen. Helium eignet sich zur Lecksuche in Raketen, Treibstofftanks, Wärmetauschern, Gasleitungen, Elektronik, Fernsehbildröhren und anderen Bauteilen. Die Lecksuche mit Helium wurde erstmals im Rahmen des Manhattan-Projekts zur Lecksuche in Urananreicherungsanlagen eingesetzt. Helium kann bei der Lecksuche durch Wasserstoff, Stickstoff oder ein Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch ersetzt werden.

Schweißen und Metallbearbeitung

Helium wird aufgrund seiner höheren Ionisierungsenergie als Schutzgas beim Lichtbogen- und Plasmaschweißen eingesetzt. Das Heliumgas um die Schweißnaht verhindert die Oxidation des Metalls im flüssigen Zustand. Dank seiner hohen Ionisierungsenergie ermöglicht Helium das Plasmaschweißen von unterschiedlichen Metallen, die im Bauwesen, Schiffbau und in der Luft- und Raumfahrt verwendet werden, wie beispielsweise Titan-, Zirkonium-, Magnesium- und Aluminiumlegierungen. Obwohl Helium im Schutzgas durch Argon oder Wasserstoff ersetzt werden kann, sind einige Werkstoffe (wie beispielsweise Titan-Helium) für das Plasmaschweißen unersetzlich, da Helium das einzige Gas ist, das bei hohen Temperaturen sicher ist.

Eines der aktivsten Entwicklungsgebiete ist das Edelstahlschweißen. Helium ist ein Edelgas, das heißt, es geht bei Kontakt mit anderen Stoffen keine chemischen Reaktionen ein. Diese Eigenschaft ist besonders wichtig für Schweißschutzgase.

Helium leitet Wärme ebenfalls gut. Daher wird es häufig bei Schweißungen eingesetzt, bei denen eine höhere Wärmezufuhr erforderlich ist, um die Benetzbarkeit der Schweißnaht zu verbessern. Helium eignet sich auch zur Beschleunigung des Schweißprozesses.

Helium wird üblicherweise in unterschiedlichen Mengen mit Argon im Schutzgasgemisch gemischt, um die Vorteile beider Gase optimal zu nutzen. Helium trägt beispielsweise als Schutzgas zu einem breiteren und flacheren Einbrand beim Schweißen bei. Im Gegensatz zu Argon bietet Helium jedoch keine Reinigungswirkung.

Daher ziehen Metallverarbeiter häufig die Beimischung von Argon zu Helium in ihre Arbeitsprozesse in Betracht. Beim Metall-Schutzgasschweißen kann der Heliumanteil im Helium-Argon-Gemisch 25 % bis 75 % betragen. Durch die Anpassung der Zusammensetzung des Schutzgasgemisches kann der Schweißer die Wärmeverteilung in der Schweißnaht beeinflussen, was wiederum Auswirkungen auf die Querschnittsform des Schweißguts und die Schweißgeschwindigkeit hat.

Elektronische Halbleiterindustrie

Als Edelgas ist Helium so stabil, dass es kaum mit anderen Elementen reagiert. Diese Eigenschaft macht es zum Schutzgas beim Lichtbogenschweißen (um eine Verunreinigung durch Sauerstoff in der Luft zu verhindern). Helium hat darüber hinaus weitere wichtige Anwendungsgebiete, beispielsweise in der Halbleiter- und Glasfaserherstellung. Außerdem kann es beim Tieftauchen Stickstoff ersetzen, um die Bildung von Stickstoffblasen im Blutkreislauf und damit die Tauchkrankheit zu verhindern.

Weltweiter Heliumabsatz (2016–2027)

Der globale Heliummarkt erreichte 2020 ein Volumen von 1825,37 Millionen US-Dollar und wird voraussichtlich bis 2027 auf 2742,04 Millionen US-Dollar anwachsen, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 5,65 % (2021–2027) entspricht. Die Branche ist in den kommenden Jahren mit erheblichen Unsicherheiten konfrontiert. Die Prognosedaten für den Zeitraum 2021–2027 in dieser Studie basieren auf der historischen Entwicklung der letzten Jahre sowie auf den Einschätzungen von Branchenexperten und Analysten.

Die Heliumindustrie ist stark konzentriert, basiert auf natürlichen Ressourcen und hat nur wenige globale Hersteller, hauptsächlich in den USA, Russland, Katar und Algerien. Weltweit konzentriert sich der Verbrauchermarkt auf die USA, China, Europa und weitere Länder. Die USA blicken auf eine lange Geschichte und eine unangefochtene Position in der Branche zurück.

Viele Unternehmen besitzen mehrere Fabriken, die jedoch meist nicht in der Nähe ihrer Zielmärkte liegen. Daher sind die Transportkosten für das Produkt hoch.

Seit den ersten fünf Jahren ist die Produktion nur sehr langsam gewachsen. Helium ist ein nicht erneuerbarer Energieträger, und in den Förderländern gibt es Richtlinien, die seine fortgesetzte Nutzung sichern sollen. Manche prognostizieren, dass die Heliumvorräte in Zukunft zur Neige gehen werden.

Die Branche weist einen hohen Anteil an Importen und Exporten auf. Fast alle Länder nutzen Helium, aber nur wenige verfügen über Heliumreserven.

Helium findet vielfältige Anwendung und wird in immer mehr Bereichen eingesetzt. Angesichts der Verknappung natürlicher Ressourcen dürfte die Nachfrage nach Helium in Zukunft steigen, was die Entwicklung geeigneter Alternativen erforderlich macht. Es wird erwartet, dass die Heliumpreise von 2021 bis 2026 weiter steigen werden, von 13,53 $/m³ (2020) auf 19,09 $/m³ (2027).

Die Branche ist von wirtschaftlichen und politischen Faktoren abhängig. Mit der Erholung der Weltwirtschaft und dem wachsenden Interesse an verbesserten Umweltstandards, insbesondere in unterentwickelten Regionen mit hoher Bevölkerungsdichte und schnellem Wirtschaftswachstum, wird die Nachfrage nach Helium steigen.

Zu den derzeit weltweit führenden Herstellern zählen Rasgas, die Linde-Gruppe, Air Chemical, ExxonMobil, Air Liquide (DZ) und Gazprom (Ru) u. a. Im Jahr 2020 wird der Marktanteil der sechs größten Hersteller 74 % übersteigen. Es wird erwartet, dass sich der Wettbewerb in der Branche in den kommenden Jahren weiter verschärfen wird.

HL Kryotechnik

Aufgrund der Knappheit an flüssigem Helium und des steigenden Preises ist es wichtig, den Verlust und die Rückgewinnung von flüssigem Helium bei dessen Verwendung und Transport zu reduzieren.

HL Cryogenic Equipment, gegründet 1992, ist eine Marke der HL Cryogenic Equipment Company (Cryogenic Equipment Co., Ltd.). HL Cryogenic Equipment hat sich auf die Entwicklung und Herstellung von hochvakuumisolierten kryogenen Rohrleitungssystemen und zugehöriger Ausrüstung spezialisiert, um den vielfältigen Kundenbedürfnissen gerecht zu werden. Die vakuumisolierten Rohre und flexiblen Schläuche werden aus hochvakuum- und mehrlagigen Spezialisolationsmaterialien gefertigt und durchlaufen eine Reihe strengster technischer Verfahren sowie eine Hochvakuumbehandlung. Sie eignen sich für den Transport von flüssigem Sauerstoff, flüssigem Stickstoff, flüssigem Argon, flüssigem Wasserstoff, flüssigem Helium, verflüssigtem Ethylen (LEG) und verflüssigtem Erdgas (LNG).

Die Produktreihen Vakuummantelrohre, Vakuummantelschläuche, Vakuummantelventile und Phasenseparatoren der HL Cryogenic Equipment Company, die eine Reihe äußerst strenger technischer Behandlungen durchlaufen haben, werden für den Transfer von flüssigem Sauerstoff, flüssigem Stickstoff, flüssigem Argon, flüssigem Wasserstoff, flüssigem Helium, LEG und LNG verwendet. Diese Produkte werden für kryogene Anlagen (z. B. Kryotanks, Dewargefäße und Kälteboxen usw.) in Branchen wie Luftzerlegung, Gase, Luftfahrt, Elektronik, Supraleiter, Chips, Automatisierungsmontage, Lebensmittel und Getränke, Pharmazie, Krankenhäuser, Biobanken, Gummi, Herstellung neuer Materialien, Chemieingenieurwesen, Eisen und Stahl sowie wissenschaftliche Forschung usw. eingesetzt.

Die HL Cryogenic Equipment Company ist qualifizierter Lieferant/Anbieter von Linde, Air Liquide, Air Products (AP), Praxair, Messer, BOC, Iwatani und der Hangzhou Oxygen Plant Group (Hangyang) etc.