Was ist supraflüssiges Helium?
Wenn Helium unter kryogene Temperaturen (2,17 K) gebracht wird, wird es viskositätsfrei und zu flüssigem Helium.
Helium in diesem Zustand wird als supraflüssiges Helium bezeichnet.
Wenn die Temperatur gesenkt wird, geht Helium in einen gasförmigen Zustand über und wird flüssig. Wird die Temperatur weiter gesenkt, kommt es zu einem zweiten Phasenübergang und es bildet sich supraflüssiges Helium. Die Übergangstemperatur an diesem Punkt wird als λ-Punkt bezeichnet.
Supraflüssiges Helium hat sehr spezifische Eigenschaften.
Im supraflüssigen Zustand werden die Kräfte zwischen den Atomen sehr klein. Aus diesem Grund kann ein einzelnes Heliumatom in einen Raum eindringen, den es durchqueren kann. Der Verlust der Viskosität führt auch zu Phänomenen, die normalerweise nicht auftreten würden.
Bislang wurde bestätigt, dass Helium 3 und Helium 4 zu supraflüssigem Helium werden, obwohl der Lambda-Punkt unterschiedlich ist.
Anwendungen von supraflüssigem Helium
Supraflüssiges Helium wird zur Kühlung verwendet. Es ist ein sehr guter Wärmeleiter. Theoretisch ist die Wärmeleitfähigkeit unendlich, was es zu einem idealen Medium für die Kühlung von Heizelementen macht.
In der Praxis sind die Kosten für die Aufrechterhaltung des supraflüssigen Heliums jedoch beträchtlich, so dass es derzeit manchmal in flüssigem Helium verwendet wird.
Zu den vielversprechenden Anwendungen für supraflüssiges Helium gehört der Einsatz zur Kühlung supraleitender Spiralspulen, wie z. B. in MRT-Geräten.
Solche Geräte erzeugen ein starkes Magnetfeld, so dass die Magnete und andere Teile heiß werden. Eine effiziente Kühlung mit supraflüssigem Helium erzeugt ein starkes Magnetfeld, das mit flüssigem Helium nicht erreicht werden kann und verbessert so die Messgenauigkeit.
Darüber hinaus kann die kleinste Menge an Wärme, die in den Geräten zur Messung von Mikrosignalen erzeugt wird, die Messgenauigkeit beeinträchtigen, so dass supraflüssiges Helium zur effizienten Kühlung der Geräte verwendet werden muss.
Eigenschaften von supraflüssigem Helium
Supraflüssiges Helium liegt in flüssiger Form vor, aber im supraflüssigem Zustand gibt es keine Reibung zwischen den Atomen. Aus diesem Grund hat flüssiges Helium keine Viskosität.
Der Grund dafür ist, dass die Wechselwirkung zwischen den Atomen aufgehoben ist, so dass sich die Atome unabhängig voneinander bewegen können. Infolgedessen kann jeder Raum von der Größe eines Atoms durchdrungen werden. Da sich die Atome frei bewegen können, können sie auch an den Wänden des supraflüssigen Helium-Behälters hochklettern und aus ihm herausfließen (Superfluiditätsphänomen).
Supraflüssiges Helium zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass die Flüssigkeit keine Viskosität hat, d. h. wenn sie einmal zu fließen beginnt, kann sie ewig weiterfließen. Dies ist ein Merkmal von supraflüssigem Helium, das wie die Supraleitung die Eigenschaft des ewigen Flusses hat, d. h., wenn ein elektrischer Strom für einen Moment an einen Supraleiter angelegt wird, fließt er für immer weiter.
Genauso wie ein elektrischer Strom durch einen Supraleiter fließt, hat supraflüssiges Helium die Eigenschaft der ewigen Rotation, wenn es mit hoher Geschwindigkeit gedreht wird.
Darüber hinaus ist es nicht viskos, d. h. es hat die Eigenschaft, unabhängig vom Druck mit einer konstanten Durchflussrate zu fließen, wenn es durch sehr dünne Röhren geleitet wird.
Supraflüssiges Helium stellt kein thermisches Gleichgewicht her, wodurch es möglich ist, hocheffiziente Kühlsysteme durch Wärmeaustausch zu konstruieren.
Um die Eigenschaften von supraflüssigem Helium zu erhalten, müssen kryogene Temperaturen eingehalten werden. Seine Eigenschaften gehen verloren, sobald die Temperatur überschritten wird, bei der supraflüssiges Helium supraflüssig bleibt (der λ-Punkt). Dies ist eine Herausforderung beim Umgang mit supraflüssigem Helium.
Daher weist supraflüssiges Helium besondere Eigenschaften auf, die im normalen Raum nicht vorkommen.
Derzeit wird es hauptsächlich zur Kühlung verwendet, aber es werden auch andere Technologien entwickelt, um seine anderen Eigenschaften zu nutzen.