Helium ist schwer zu ersetzen

• Helium kann nur als Nebenprodukt der Erdgasförderung gewonnen werden und ist daher äußerst anfällig für geopolitische Konflikte oder Störungen in den Lieferketten
• Es ist eine unverzichtbare Ressource für MRT, Halbleiter, Glasfaser, Luft- und Raumfahrt sowie wissenschaftliche Forschung, vor allem wegen seiner Tieftemperaturkühlung und inerten Eigenschaften
• Bei EUV-Lithografie und der Kühlung supraleitender Magnete gibt es aufgrund der physikalischen Eigenschaften kein Ersatzgas
• In einigen Bereichen wird der Verbrauch durch Recyclingsysteme gesenkt, ein vollständiger Ersatz ist jedoch unmöglich
• Da die Heliumversorgung direkt an die Erdgasproduktion gekoppelt ist, führen Umweltauflagen und Verzögerungen beim Infrastrukturausbau langfristig zu Unsicherheiten in der Versorgung

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Helium-Lieferkette und mangelnde Ersetzbarkeit

• Durch den Iran-Krieg und eine Sperrung der Straße von Hormus wird nicht nur Öl, sondern auch die Helium-Lieferkette stark beeinträchtigt
  • Helium wird als Nebenprodukt der Erdgasförderung erzeugt, Katar liefert rund ein Drittel des weltweiten Angebots
  • Durch die Sperrung der Meerenge steigen die Heliumpreise stark an, und Lieferanten erklären höhere Gewalt (force majeure)
  • Die von der US-Regierung gehaltene strategische Heliumreserve wurde 2024 vollständig verkauft

Eigenschaften von Helium und Produktionsstruktur

• Helium ist das zweitleichteste Element nach Wasserstoff und das zweithäufigste Element im Universum
  • In der Erdatmosphäre entweicht es wegen seines geringen Gewichts ins All, daher kann es kommerziell nur aus unterirdischen Erdgaslagerstätten gewonnen werden
  • Es entsteht durch den radioaktiven Zerfall von Uran und Thorium und sammelt sich über Millionen Jahre in Gaslagerstätten an
• Die USA und Katar verantworten rund zwei Drittel der weltweiten Produktion, der Rest kommt aus Russland, Algerien, Kanada, China und Polen
  • Helium hat mit 4,2 K (-452 °F) den niedrigsten Siedepunkt aller Elemente
  • Es kann selbst am absoluten Nullpunkt flüssig bleiben und ist deshalb für Tieftemperaturkühlung unverzichtbar
  • Eigenschaften wie Inertheit, hohe Wärmeleitfähigkeit und geringes Gewicht machen es in vielen Industrien nützlich

Wichtige industrielle Einsatzgebiete von Helium

• Der weltweite Jahresverbrauch liegt bei rund 180 Millionen ㎥ und ist im Vergleich zu Stickstoff oder Erdgas gering, dennoch ist Helium eine unersetzliche Schlüsselressource

• MRT-Geräte

  • Rund 17 % des Heliumverbrauchs in den USA entfallen darauf
  • Es wird zur Kühlung supraleitender Magnete verwendet; NbTi-Magnete bleiben nur bei 9,2 Grad über dem absoluten Nullpunkt supraleitend
  • Früher gingen 0,4 Liter pro Stunde verloren, heute ist dank „Zero-Boil-Off“-Design fast keine Nachfüllung mehr nötig
  • Es gibt zwar auch MRTs mit Hochtemperatur-Supraleitern, doch die meisten der 50.000 MRT-Geräte sind weiterhin auf Helium angewiesen

• Halbleiterindustrie

  • Etwa 25 % des weltweiten Heliums und rund 10 % des US-Verbrauchs entfallen darauf
  • Es wird für Siliziumwachstum nach dem Czochralski-Verfahren, EUV-Lithografie, Reinigung von Vakuumkammern und Lecksuche eingesetzt
  • In EUV-Anlagen ist Helium unersetzlich, weil es EUV-Strahlung kaum absorbiert
  • Laut Branchenberichten wird ein fünffach höherer Heliumverbrauch bis 2035 erwartet

• Herstellung von Glasfasern

  • Dafür werden 5–6 % des weltweiten Heliums verbraucht
  • Es dient als Kühlgas zur Verhinderung von Blasenbildung, wenn Glaskern und Mantel verbunden werden
  • Andere ersetzende Gase gibt es nicht

• Spülgas

  • In der Luft- und Raumfahrt wird es zum Spülen von Tanks für flüssigen Wasserstoff und flüssigen Sauerstoff eingesetzt
  • NASA ist der größte Heliumverbraucher in den USA und steht für rund 7 % des Gesamtverbrauchs
  • Wegen des niedrigen Siedepunkts und der Inertheit ist ein Ersatz durch andere Gase schwierig

• Traggas

  • Wird in Luftschiffen und Ballons eingesetzt und macht in den USA rund 18 % des Verbrauchs aus

    • Es ist sicherer als Wasserstoff, bei Angebotsknappheit jedoch stark preisschwankend

• Wissenschaftliche Forschung und Messtechnik

  • Rund 22 % des US-Verbrauchs entfallen darauf
  • Unverzichtbar für supraleitende Magnete, SQUIDs und Massenspektrometer sowie andere Tieftemperatur- oder Hochpräzisionsgeräte
  • Auch große Forschungseinrichtungen wie der LHC am CERN verbrauchen erhebliche Mengen

• Schweißen

  • Rund 8 % des US-Verbrauchs
  • Dank Inertheit und hoher Wärmeleitfähigkeit eignet es sich als Schutzgas für geschmolzenes Metall
  • Außerhalb der USA wird es oft durch Argon ersetzt

• Tauchen

  • Rund 5 % des US-Verbrauchs
  • Bestandteil von Atemgasgemischen für Tiefseetauchen (Trimix), um Stickstoffnarkose zu verhindern
  • Außer Helium ist nur Neon teilweise als Ersatz geeignet, wegen des hohen Atemwiderstands jedoch wenig praktikabel

Bemühungen zur Einsparung und zum Recycling von Helium

• In einigen Bereichen sinkt der Verbrauch durch Ersatzgase oder Recyclingsysteme
  • Geringere Heliumverluste bei MRT-Geräten und die Einführung von Recyclingsystemen durch die NASA haben den Verbrauch in der Luft- und Raumfahrt von 18,2 Millionen ㎥ (26 %) im Jahr 2010 auf 4 Millionen ㎥ (7 %) gesenkt
  • Dennoch wird der Großteil des Heliums in den USA weiterhin nicht zurückgewonnen, obwohl durch Recycling Einsparungen von über 90 % möglich wären
• Ein vollständiger Ersatz ist unmöglich; Helium gilt als Ressource, bei der „Reduktion“ möglich, „Eliminierung“ jedoch schwierig ist

Angebotsgrenzen und politische Implikationen

• Die Heliumversorgung ist direkt an die Erdgasproduktion gekoppelt
  • Die unmittelbarste Möglichkeit, neues Helium zu erschließen, ist eine Ausweitung der Erdgasförderung
  • In den USA gibt es ungenutzte Gasvorkommen in Alaska, im Golf von Mexiko und im Marcellus-Schiefer
  • Wegen Umweltauflagen und verzögerter Genehmigungen dauert die Freigabe neuer Projekte jedoch oft mehr als zehn Jahre
• Einschränkungen bei der Versorgung mit Helium und Erdgas führen zu Preisschwankungen und Sicherheitsrisiken
  • Daher sind politische Eingriffe und der Ausbau der Infrastruktur die zentralen Aufgaben für eine stabile Versorgung

[GN⁺]

Hacker-News-Kommentare

• Weniger als 10 % der Erdgaskraftwerke gewinnen Helium zurück, der Rest wird in die Atmosphäre freigesetzt
  Das ist kein Problem der Physik, sondern von Engineering und Wirtschaftlichkeit

  • Je stärker die Nutzung fossiler Brennstoffe zurückgeht, desto größer dürfte dieses Problem werden
    Helium per Kernfusion zu erzeugen ist unrealistisch, aber eine Zukunft, in der man Wasserstoff mit Protonen beschießt, um Ballons zu füllen, klingt wirklich nach Science-Fiction
    Helium ist ein Inertgas, es gibt also keine Moleküle, aus denen man es freisetzen könnte, und auch die Gewinnung aus radioaktivem Zerfall hat ihre Grenzen
  • Wenn am Ende ein Verknappungsproblem entsteht, wird sich der Marktpreis anpassen
    Ich denke, dass Unternehmen wegen ihrer Bonusstrukturen nicht mit einer langfristigen Perspektive handeln

• Über einen Heliummangel mache ich mir keine Sorgen
  Technisch lässt es sich gut extrahieren, das Problem ist die Wirtschaftlichkeit
  Wenn der Preis steigt, wird mehr investiert werden und das Angebot wird nachziehen
  Im Moment passen Nachfrageprognosen und Investitionskosten nicht zusammen, daher rechnet es sich nicht

  • Wenn die Nachfrage aber weiter steigt, könnten die „günstigen“ Vorkommen in 40–60 Jahren erschöpft sein
    Bei 3 % Wachstum pro Jahr wären sie in 80–140 Jahren erschöpft, bei 5 % Wachstum in 50–90 Jahren
    „Ich mache mir keine Sorgen“ ist letztlich nur eine generationenegoistische Sichtweise

• Ich habe kürzlich im Bloomberg-Odd Lots Podcast ein Interview mit einem Heliumproduzenten gehört
  Es ging um die Struktur des Heliummarkts und um Versorgungsprobleme

• Als mein Sohn einen schweren Asthmaanfall hatte, hat ihm eine Heliumtherapie das Leben gerettet
  Der Arzt sprach über den Heliummangel und sagte, dass er Helium für Ballons hasse
  Da wurde mir klar, was für eine wertvolle Ressource das ist

• Allein wenn man ersetzbare Anwendungen wie Schweißen, Auftrieb und Spülgas reduziert, könnte man die gesamte Produktion Katars kompensieren
  Wenn man dazu noch Recycling nimmt, ließen sich die Versorgungsprobleme erheblich entschärfen

• Es laufen Experimente, in Tauchgasgemischen einen Teil des Heliums durch Wasserstoff zu ersetzen
  Brandrisiko und physiologische Auswirkungen sind noch unklar, aber für kommerzielles, militärisches und Explorations-Tauchen gibt es Potenzial
  Normale Freizeittaucher werden Wasserstoff wohl nie einsetzen
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  • Ich denke, es wäre besser, statt Menschen direkt tauchen zu lassen Unterwasserdrohnen weiterzuentwickeln
    Wenn man die Präzision ferngesteuerter Roboterarme erhöht, sollte das als Ersatz ausreichen
  • Normale Freizeittaucher verwenden fast nie Helium

• Die Folge des Odd Lots Podcast war interessant
  Es ging um die Geschichte, wie die USA ihre strategischen Heliumreserven mit der Begründung „für Ballons“ zu Schleuderpreisen verkauft haben, sowie um die Schwierigkeiten bei Erzeugung, Reinigung und Transport von Helium

  • Tatsächlich wurde der Verkauf der Reserven nicht auf einmal durchgeführt, sondern schrittweise
    Damals galt der strategische Wert von Helium als gering, und in der Zeit des Kalten Krieges waren militärische Aufklärungsballons ein wichtiger Einsatzbereich
    Dass es später zu einer unverzichtbaren Ressource für die Halbleiterlithografie werden würde, ahnte niemand
  • Da die USA ein Hauptlieferant waren, wurde der Markt verzerrt
    Weil die strategischen Reserven wie eine dauerhafte Bezugsquelle genutzt wurden und dadurch die Preise künstlich gedrückt wurden, ist die heutige Mangellage entstanden
  • Als Scherz gesagt: Vielleicht gibt es in der oberen Atmosphäre jede Menge Helium

• Am meisten beunruhigt mich die Abhängigkeit von EUV-Lithografie
  MRI hat den Verbrauch mit Zero-Boil-Off-Designs um mehr als 90 % gesenkt, aber in der Halbleiterfertigung steigt der Heliumverbrauch pro Wafer sogar noch
  Das ist kein Recyclingproblem, sondern ein Nachfrageanstiegsproblem

  • Trotzdem können EUV-Fabs deutlich höhere Preise zahlen als andere Industrien

• Die wirtschaftlichen Folgen von Störungen in der Helium-Lieferkette könnten über Jahrzehnte anhalten
  Besonders besorgniserregend ist, dass in den USA viel zu wenige Menschen den Ernst dieses Problems erkennen

• Ich musste an Asimovs Essay The Vanishing Element denken, den ich in den 1980er Jahren gelesen habe
  Darin wurde gewarnt, dass Helium, sobald es einmal in die Atmosphäre freigesetzt wird, als Ressource im Weltraum verschwindet
  Es fühlt sich an, als wäre diese Vorhersage Realität geworden

  • Tatsächlich steigt Helium aber nicht einfach nur nach oben und verschwindet dann
    In der Atmosphäre mischt es sich mit der Luft, und nur ein Teil erreicht Fluchtgeschwindigkeit
    Durch komplexe Faktoren wie den Sonnenwind entweicht ein Teil ins All, aber über den genauen Mechanismus wird noch gestritten