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Helium

Das Helium-Problem und Möglichkeiten zur Lösung

| Autor/ Redakteur: Jeremy Good* / Dr. Ilka Ottleben

Flüssiges Helium ist wichtig für verschiedene Analytikanwendungen wie bildgebende und spektroskopische Verfahren mit supraleitenden Magneten. Doch die Helium-Reserven werden knapper und Helium wird immer teurer. Aus Großbritannien kommen nun Lösungsmöglichkeiten.

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(Bild: Javier Castro/Fotolia.com)

Die Kryotechnik befasst sich mit der Erzeugung extrem niedriger Temperaturen und der Nutzung physikalischer Effekte bei tiefen Temperaturen. Forscher brauchen Temperaturen nah am absoluten Nullpunkt, um die speziellen Atom- und Materialeigenschaften in diesem Temperaturbereich zu untersuchen: Makroskopische Quanteneffekte wie Supraleitung und Supraflüssigkeit etwa können bei solchen Temperaturen beobachtet werden. Die Erkenntnisse aus diesen Untersuchungen haben zur Entwicklung sehr starker supraleitender Magneten geführt, die neue industrielle Prozesse und Forschungsverfahren ermöglicht haben – beispielsweise die Kernspinresonanz-Spektroskopie und die Magnetresonanztomographie. Beide Verfahren kommen heute in Analytiklaboren und in der Medizintechnik umfassend zum Einsatz.

Die ursprüngliche Methode zur Kühlung auf extrem niedrige Temperaturen nutzt flüssiges Helium, das bei 4,2 Kelvin (-269 °C) seinen Siedepunkt erreicht – also nur vier Grad über dem absoluten Nullpunkt. Doch die weltweiten Heliumvorräte gehen zur Neige und flüssiges Helium wird immer teurer. Damit schnellen auch die Kosten der Forschungs- und Analytikverfahren, die flüssiges Helium einsetzen, in die Höhe. In den vergangenen Jahren musste so manches große Forschungslabor wegen der Heliumknappheit bereits seine Millionen Euro teuren Anlagen kurzfristig stilllegen. Und das Problem wird sich voraussichtlich noch verschärfen. Langfristig kann die Lösung daher nur eine Alternative sein, die nicht von einer ständigen Heliumzufuhr abhängt.

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Niedrige Temperaturen in der Analytik

Bevor supraleitende Magneten in den sechziger Jahren des letzten Jahrhunderts entwickelt wurden, erzeugte man Magnetfelder im Labor standardmäßig mit einem Eisenkern-Elektromagneten. Das stärkste Magnetfeld, das sich so erzeugen ließ, hatte eine magnetische Flussdichte von zwei Tesla. Nur ein oder zwei Labore weltweit hatten die Möglichkeit, stärkere Magnetfelder zu generieren, indem sie Kupferdrahtspulen einsetzten, die mit Wasser gekühlt wurden. Um so 14 T innerhalb eines Durchmessers von 25 mm zu erzeugen, war eine elektrische Leistung von 2 MW nötig. Mit derselben elektrischen Leistung konnte eine magnetische Flussdichte von 4 T innerhalb eines Durchmessers von 100 mm erreicht werden.

Erst supraleitende Magneten erlauben die Erzeugung stärkerer Felder bei relativ niedrigen Kosten, mit Flussdichten von mehr als 20 T. Daneben bieten sie zwei weitere Vorteile: Erstens erzeugen sie ein außergewöhnlich stabiles Magnetfeld. Zweitens kann das Feld auch über ein großes Volumen hinweg sehr homogen sein. Diese Eigenschaften haben zu der Entwicklung neuer bildgebender Verfahren geführt, die z.B. für die medizinische Diagnostik den größten Fortschritt seit der Entdeckung der Röntgenstrahlen Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts bedeuteten. Die Magnetfelder werden dazu eingesetzt, die Atomkerne in Proben resonant anzuregen. Dies induziert elektrische Signale, aus denen sich Informationen zur chemischen Struktur ableiten und Bilder generieren lassen.

Zur Erzeugung dieser starken Magnetfelder sind Magnete aus Materialien notwendig, die bei 9 - 18 Kelvin supraleitend werden. Normalerweise werden diese Magnete bei 2 - 4 Kelvin betrieben.

Vor einigen Jahren wurde eine neue Klasse von Supraleitern entdeckt, die bei 100 Kelvin oder mehr supraleitend werden. Es wurde diskutiert, ob diese sich für den Einsatz in Magneten und Geräten eignen, die sich mit flüssiger Luft oder flüssigem Stickstoff betreiben ließen. Diese Hochtemperatursupraleiter sind jedoch schwierig herzustellen, teuer und problematisch im Einsatz. Ein Meter eines Hochtemperatursupraleiters kostet zwischen 25 und 50 US-Dollar – im Vergleich zu einem Niob-Titan-Supraleiter, der nur 20 bis 30 Cent kosten würde. Es ist deshalb kostengünstiger, den höheren Preis für die Kühlung auf 4 Kelvin zu bezahlen und den Niob-Titan-Supraleiter einzusetzen, als einen Hochtemperatursupraleiter zu nutzen und ihn bei 77 Kelvin – dem Siedepunkt flüssigen Stickstoffs – zu betreiben. Dies ist kaum überraschend, wenn man bedenkt, dass ein typischer Labormagnet 10 bis 100 km des supraleitenden Materials benötigt.

Ein weiterer Faktor spielt hier ebenfalls eine Rolle: Die Eigenschaften eines Hochtemperatursupraleiters verbessern sich bei niedrigeren Temperaturen, mit höheren elektrischen Strömen und einer höheren maximal erreichbaren Magnetfeldstärke. Es ist möglich, dass eine der ersten praktischen Anwendungen das Erzeugen besonders starker Magnetfelder über 20 T sein wird, bei denen der Hochtemperatursupraleiter auf 4,2 Kelvin gekühlt wird. Auch bei dieser Anwendung wird also flüssiges Helium benötigt.

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