High Noon im Wettstreit um die Neudefinition des Kilogramms

16. November 2014, 18:27
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Seit 1889 wird das Urkilogramm in einem Pariser Tresor gehütet - Nun steht eine Neudefinition bevor, die von Naturkonstanten abgeleitet werden kann

Braunschweig - Es sind zwei handliche Kugeln von perfekter Form, aus reinstem Silizium, glatt, eben und rund, mehr als zwei Mio. Euro Wert: Damit wollen Wissenschafter der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig in einem Projekt, an dem acht Metrologieinstitute in aller Welt beteiligt sind, das Kilogramm neu definieren. Doch damit sind sie nicht alleine.

Die Wissenschafter am PTB haben Methoden entwickelt, mit denen sie die Atome in einer Siliziumkugel zählen und in eine Formel packen, die - weil sie auf Naturkonstanten beruht - überall auf der Welt gilt. Dabei haben sie inzwischen eine Messgenauigkeit von acht Stellen hinter dem Komma erreicht, oder - anders ausgedrückt - die Messunsicherheit beim Kilogramm auf 30 Millionstel Gramm gedrückt. Damit haben sie die wichtigste Vorgabe erfüllt, die das Internationale Büro für Maß und Gewicht (IBMG) in Paris für die Neudefinition des Kilogramms gestellt hat.

Generalkonferenz im November

Andere internationale Forschergruppen haben mit der Methode der Watt-Waage, die elektromagnetische Kräfte misst, inzwischen ähnliche Ergebnisse erzielt. "Es ist ein Wettlauf", sagt Horst Bettin, der bei der PTB eine entsprechende Arbeitsgruppe leitet. Eine Entscheidung über das künftig gültige Verfahren und den Zeitplan für dessen Implementierung werden für die kommende Generalkonferenz für Maß und Gewicht erwartet, die vom 18. bis 21. November 2014 im Pariser Vorort Sèvres tagt. Dann dürfte die Generalkonferenz des IBMG über eine Neudefinition des Kilogramms entscheiden.

Bis auf weiteres gilt also noch das Urkilogramm, das seit 1889 in einem Pariser Tresor aufbewahrt wird: Ein Zylinder aus Platin und Iridium - der alleinige Maßstab für die Kalibrierung und Eichung aller Waagen der Welt. Es sei die einzige der sieben internationalen Maßeinheiten, die noch durch einen realen Körper und nicht mit Formeln aus Naturkonstanten dargestellt werde, sagt PTB-Forscher Arnold Nicolaus.

Problematisches Urkilogramm

Genau das sorgt für Probleme: Die Gewichtsdifferenz zwischen dem Urkilo und seinen mehr als 80 Kopien, die nationale Messbehörden nutzen, ist inzwischen auf rund 50 Mikrogramm gewachsen. Die Ursachen sind unklar. "Für Laien scheint diese Differenz nicht dramatisch, aber viele physikalische Gleichungen und Werte sind von einer exakten Massedefinition abhängig", so Nicolaus.

Und schließlich könnte die ganze Gewichtswelt durcheinander geraten, wenn beispielsweise das Urkilo in Paris beschädigt oder verloren gehen würde. Deshalb wird seit Jahren an einer Neudefinition gearbeitet.

Verbesserungen möglich

Die PTB-Forscher haben ihre Kugeln nach dem Urkilogramm in Paris ausgerichtet. Sie bestehen zu 99,9957 Prozent aus Silizium 28, das sehr rein ist und dessen Atome gleichmäßig verteilt sind. Mit aufwendigen hochpräzisen Messverfahren, die mit Röntgen und Lasertechnik arbeiten, ermitteln sie mehrere Parameter. "Wir bestimmen zunächst den Durchmesser und das Volumen der Kugel, messen dann die Abstände zwischen den Atomen, die in einer Gitterstruktur angeordnet sind", so Bettin. "Daraus errechnen wir dann Anzahl und Volumen der Atome."

Die bisher erreichte minimale Messunsicherheit von 30 Mikrogramm lasse sich bei den Siliziumkugeln möglicherweise noch halbieren, hofft Bettin. Denn die Kugeln würden noch immer winzige, mit dem bloßen Auge nicht wahrnehmbare Unebenheiten und Verunreinigungen aufweisen. (APA/red, derStandard.at, 16.11.2014)

  • PTB-Forscher Arnold Nicolaus mit einer der Siliziumkugeln, die das Urkilogramm ablösen könnten.
    foto: apa/epa/julian stratenschulte

    PTB-Forscher Arnold Nicolaus mit einer der Siliziumkugeln, die das Urkilogramm ablösen könnten.

  • Ein Prototyp des Urkilogramms aus Platin und Iridium unter drei Glasglocken.
    foto: apa/dpa

    Ein Prototyp des Urkilogramms aus Platin und Iridium unter drei Glasglocken.

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