El helio es más ligero que el aire y a diferencia del hidrógeno no es inflamable, siendo además su poder ascensional un 8 % menor que el de este, por lo que se emplea como gas de relleno en globos "Globo (juguete)") y zepelines publicitarios, de investigación atmosférica e incluso para realizar reconocimientos militares.
Aun siendo la anterior la principal, el helio tiene más aplicaciones:.
• - Las mezclas de helio-oxígeno se emplean en la inmersión a gran profundidad, ya que el helio es inerte, menos soluble en la sangre que el nitrógeno y se difunde "Difusión (física)") 2.5 veces más deprisa que este, todo lo cual reduce el tiempo requerido para la descompresión. Sin embargo, esta última debe comenzar a mayor profundidad, disminuyendo el riesgo de narcosis ("borrachera de las profundidades").
• - Por su bajo punto de licuefacción y evaporación puede utilizarse como refrigerante en aplicaciones a temperatura extremadamente baja, como en imanes superconductores e investigación criogénica a temperaturas próximas al cero absoluto.
• - En cromatografía de gases se usa como gas portador inerte.
• - La atmósfera inerte de helio se emplea en la soldadura por arco y en la fabricación de cristales de silicio y germanio, así como para presurizar combustibles líquidos de cohetes.
• - En túneles de viento supersónicos.
• - Como agente refrigerante en reactores nucleares.
• - El helio líquido encuentra cada vez mayor uso en las aplicaciones médicas de la imagen por resonancia magnética (RMI).
• - Se utiliza en equipos láser como uno de los gases más comunes, principalmente la mezcla helio-neón.
De la producción mundial total de helio en 2008, de 32 millones de kg, su mayor uso (alrededor del 22 % del total en 2008) fue en aplicaciones criogénicas. De estas la mayoría fueron en medicina en el enfriamiento de imanes superconductores en escáneres de resonancia magnética.[62] Otros usos importantes (un total de cerca de 78 % de su uso en 1996) fueron en los sistemas de presurización y saneamiento, el mantenimiento de atmósferas controladas y la soldadura.[63].
El helio se utiliza para muchos propósitos que requieren algunas de sus propiedades únicas, tales como su bajo punto de ebullición, baja densidad, baja solubilidad, alta conductividad térmica, o su baja reactividad química. Asimismo, está disponible comercialmente tanto en forma líquida como gaseosa. Como líquido, puede ser suministrado en recipientes pequeños llamados frascos de Dewar que permiten almacenar hasta 1000 litros de helio, o en los contenedores ISO de gran tamaño que tienen una capacidad nominal de hasta 42 m³. En forma gaseosa, se suministran pequeñas cantidades en cilindros de alta presión que pueden contener un volumen equivalente a 8 m³ estándar, mientras que grandes cantidades de gas a alta presión son suministradas en camiones cisterna que tienen una capacidad que equivale 4.860 m³ estándar. Esto se debe a que el volumen del gas se reduce enormemente al ser sometido a altas presiones.
Debido a que el helio es más ligero que el aire, los dirigibles y globos son inflados con este gas para elevarlos. Mientras que el hidrógeno experimenta una fuerza de empuje aproximadamente un 7 % mayor, el helio tiene la ventaja de no ser inflamable (además de ser retardante del fuego). En la industria espacial, se utiliza como un medio de llenado para desplazar a los combustibles y oxidantes en los tanques de almacenamiento, y para condensar el hidrógeno y el oxígeno a fin de producir combustible para cohetes. También se utiliza para depurar el combustible y el oxidante de los equipos de apoyo en tierra antes del lanzamiento, así como para preenfriar el hidrógeno líquido en vehículos espaciales. Por ejemplo, el propulsor del Saturno V utilizado en el Programa Apolo necesitó cerca de 370.000 m³ de helio para poner en marcha el cohete.
El helio es menos denso que el aire atmosférico, por lo que cambia el timbre (mas no la altura "Altura (música)")) de la voz de una persona cuando se inhala.[64] Esto se debe a que, al ser el helio un gas bastante ligero, se moviliza más rápido por los espacios, produciendo que las cuerdas vocales se muevan a mayor velocidad, provocando una onda sonora más veloz, y por tanto, más aguda. Sin embargo, la inhalación proveniente de una fuente comercial típica, como las utilizadas para rellenar globos, puede ser peligrosa debido al riesgo de asfixia por falta de oxígeno y al número de contaminantes que pueden estar presentes. Entre estos pueden estar incluidas trazas de otros gases, además de aceite lubricante en aerosol. No obstante, al tratarse de productos infantiles, existen mecanismos que exigen garantizar la no toxicidad del gas, como superar la "Conformidad Europea" (marcado CE) obligatorio en juguetes y derivados similares en el mercado europeo, para garantizar la seguridad del público infantil.
Por su baja solubilidad en el tejido nervioso, las mezclas de helio, como trimix, heliox y Heliair se utilizan para el buceo de profundidad para reducir los efectos de la narcosis.[65][66] A profundidades por debajo de 150 metros, se agregan pequeñas cantidades de hidrógeno a la mezcla de helio-oxígeno para contrarrestar los efectos del síndrome nervioso de alta presión").[67] A estas profundidades se ha descubierto que la baja densidad del helio reduce considerablemente el esfuerzo en la respiración.
Los láseres de helio-neón tienen varias aplicaciones, incluyendo lectores de código de barras.
Una de las aplicaciones industriales del helio es la detección de fugas. Debido a que se difunde a través de sólidos a una tasa tres veces mayor que la del aire, se utiliza como gas indicador para detectar fugas en el equipo de alto vacío y recipientes a alta presión.[68].
La tasa de fugas en recipientes industriales (generalmente cámaras de vacío y tanques criogénicos) se mide haciendo uso del helio, debido a su diámetro molecular pequeño y a su condición de gas inerte. Todavía no se conoce otra sustancia inerte que se pueda filtrar a través de microfisuras o microporos en la pared de un contenedor a un ritmo mayor que el helio. Para encontrar fugas en contenedores se utiliza un detector de fugas de helio (véase espectrómetro de masas). Las fugas de helio a través de grietas no deben confundirse con la penetración de gas a través de un material masivo. A pesar de que se han documentado constantes de permeabilidad para el helio a través de vidrios, cerámicas y materiales sintéticos, los gases inertes como el helio no se pueden permear a través de la mayoría de los metales masivos.[69] Si se necesita conocer la tasa de fuga total del producto que se está probando (por ejemplo en bombas de calor o sistemas de aire acondicionado), el objeto se coloca en una cámara de prueba, el aire dentro de ella se extrae con bombas de vacío y el producto es rellenado con helio a una presión específica. El helio que se escapa a través de las fugas es detectado por un espectrómetro de masas aún a tasas de fuga de hasta 10 Pa·m³/s. El procedimiento de medición es normalmente automático, y se conoce «como prueba integral de helio». En una prueba más sencilla, el producto se llena de helio y un operador busca manualmente la fuga con un dispositivo llamado sniffer (del inglés «olfateador»).[70].
Por su ausencia de reactividad y alta conductividad térmica, su transparencia a los neutrones, y debido a que no forma isótopos radiactivos en condiciones de reactor, se utiliza como medio de transmisión de calor en algunos reactores nucleares enfriados por gas.[68] Otra de sus utilidades consiste en usarlo como gas de protección en los procesos de soldadura por arco en materiales que se contaminan con facilidad por vía aérea.
Debido a que es inerte, se utiliza como gas protector en el crecimiento de cristales de silicio y germanio en la producción de titanio y circonio, además de en la cromatografía de gases. Por esta misma razón, por su conductividad térmica y por la alta velocidad del sonido dentro de él, su naturaleza como gas ideal y el alto valor de su coeficiente de expansión adiabática, también es útil en túneles de viento supersónicos y en instalaciones de prueba donde se requiere una liberación súbita de la energía del gas.[71][72].
El helio, mezclado con un gas más pesado, como el xenón, es útil para la refrigeración termoacústica debido al elevado coeficiente de expansión adiabática resultante y su bajo número de Prandtl.[73] El comportamiento inerte del helio tiene ventajas ambientales con respecto a los sistemas de refrigeración convencionales, que contribuyen al agotamiento de la capa de ozono o al calentamiento global.[74].
El uso del helio reduce los efectos de distorsión que provocan las variaciones de temperatura en el espacio en las lentes de algunos telescopios, debido a su bajo índice de refracción. Este método es utilizado especialmente en telescopios solares, en los cuales un tubo de vacío fuertemente sellado resultaría demasiado pesado.[75][76].
Mediante un proceso conocido como datación por helio"), puede estimarse la edad de las rocas y minerales que contienen Uranio y Torio.
El helio líquido se utiliza para enfriar ciertos metales —por ejemplo, los imanes superconductores utilizados en la tomografía por resonancia magnética— a temperaturas extremadamente bajas, las cuales son necesarias para la superconductividad. El Gran Colisionador de Hadrones del CERN usa 96 toneladas de helio líquido para mantener la temperatura a 1.9 K.[77] El helio a baja temperatura, también se usa en criogenia.
El helio es un gas portador comúnmente utilizado en la cromatografía de gases.