Wegen Gewichtsdifferenz

Neudefinition des Pariser Urkilos

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Braunschweig - Das Pariser Urkilo ist seit 125 Jahren Maß aller Dinge. In Braunschweig arbeiten Forscher nun an einer neuen Version, deren Messgenauigkeit auf acht Stellen hinter dem Komma genau ist.

Es sind zwei handliche Kugeln von perfekter Form: aus reinstem Silizium, auf silbrigen Hochglanz poliert, scheinbar absolut glatt, eben und rund. Der geschätzte Wert: mehr als zwei Millionen Euro. Mit diesen Kugeln wollen Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig in einem internationalen Projekt, an dem acht Metrologie-Institute in aller Welt beteiligt sind, das Kilogramm neu definieren. Sie haben Methoden entwickelt, mit denen sie die Atome in einer Siliziumkugel zählen und sie 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 (BIPM) in Paris für die Neudefinition des Kilogramms gestellt hat. Andere internationale Forschergruppen haben mit der Methode der Watt-Waage, die elektromagnetische Kräfte misst, inzwischen ähnliche Ergebnisse erzielt. „Es ist ein Wettlauf zwischen Forschern“, sagt Horst Bettin, der bei der PTB eine entsprechende Arbeitsgruppe leitet. Und er fügt lächelnd hinzu: „Wir können es noch besser“.

Die Forscher haben vermutlich noch bis 2018 Zeit. Dann werde, sagt Bettin, die Generalkonferenz des BIPM über eine Neudefinition des Kilogramms entscheiden. Bis auf Weiteres gilt also noch das Urkilo in Paris. Das schafft inzwischen Probleme. Die Gewichtsdifferenz zwischen dem Urkilo und seinen mehr als 80 Kopien, die nationale Messbehörden nutzen, ist inzwischen auf rund 50 Mikrogramm (50 Millionstel Gramm) gewachsen. Die Ursachen sind unklar. Für Laien sei diese Differenz nicht beachtenswert, meint Nicolaus. Doch Metrologen irritiere das außerordentlich. Nicolaus: „Viele physikalische Gleichungen und Werte sind von einer exakten Massedefinition abhängig“.Und schließlich könnte die ganze Gewichtswelt durcheinandergeraten, wenn beispielsweise das Urkilo in Paris beschädigt oder verloren gehen würde. Deshalb wird seit Jahren an einer Neudefinition gearbeitet.

Die Braunschweiger Kristallkugeln sind zu 99,9957 Prozent aus Silizium 28, das sehr rein ist und dessen Atome gleichmäßig verteilt sind. Die PTB Forscher bestimmen zunächst den Durchmesser und das Volumen der Kugel, messen dann die Abstände zwischen den Atomen, die in einer Gitterstruktur angeordnet sind. Daraus errechnen sie dann das Volumen eines Atoms. So kann zugleich die Zahl der Atome errechnet werden. Wenn man das Gewicht eines Atoms kennt, kann man das Gewicht einer Kugel exakt bestimmen. Eine Kilo-Siliziumkugel hat rund 21 Quadrillionen Atome.

Und Bettin weiß auch schon, wie man die bisher erreichte Messunsicherheit von 30 Millionstel Gramm noch halbieren könnte. Denn die Kugeln weisen noch immer winzigste, mit dem bloßen Auge gar nicht wahrnehmbare Unebenheiten und Verunreinigungen auf. Bettin: „Wenn man sie auf den Maßstab der Erde bezieht, dann wäre das so, als ob der Unterschied zwischen dem höchsten Berggipfeln und der tiefsten Stelle im Meer nur neun Meter wäre“. Also werden die Kugeln in den PTB-Labors weiter mit äußerster Vorsicht gewaschen, gereinigt und poliert.

Von Klaus Sievers

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