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Feature

Abschied vom Sorgen-Kilo

Badische Zeitung  | 24. März 2018
In diesem Jahr wird das System der Basiseinheiten, mit der wir die Welt vermessen, renoviert / Vor allem das Urkilo machte wegen seines Gewichtsverlusts Probleme


Das Physik-Journal liegt auf seinem Schreibtisch, ein Worms-Poster hängt an der Wand. Der deutsche Wissenschaftler Michael Stock sitzt in seinem Büro in Sèvres. Die Vorstadt von Paris liegt an der Seine, sie ist vor allem bekannt für ihre berühmte Porzellanmanufaktur. Aber auch für einen Gegenstand, der in einem Safe im Keller von Stocks Arbeitsplatz aufbewahrt wird: das Urkilo.

Stock ist Leiter der Abteilung Physikalische Metrologie im Internationalen Büro für Maß und Gewicht (BIPM). Hier im Pavillon de Breteuil wird das Urkilo gehütet wie ein wertvoller Schatz. "Ich kann es Ihnen leider nicht zeigen, denn es braucht drei Personen mit drei verschiedenen Schlüsseln, um den Safe zu öffnen", sagt der Physiker. Das Urkilo ist das Kilo aller Kilos, Stock nennt es den "internationalern Kilogrammprototyp", die Franzosen nennen es "le grand K" (das große K). Es ist ein robuster kleiner Metall-Zylinder mit nur 3,9 Zentimetern Durchmesser und 3,9 Zentimeter Höhe aus einer Platin-Iridium-Legierung.

Dieser Metallklops in Sèvres ist die Referenz für Gewichtsmessungen in aller Welt – und das schon seit 1889. Wenige Jahre zuvor hatten 17 Staaten in Paris ein Abkommen unterzeichnet, die Urmeter und Urkilogramm zu den allgemein gültigen Maßeinheiten machte.

Beinahe 100 Nationen halten sich bis heute an das Internationale Einheitensystem (SI), und das Kilo ist die letzte Maßeinheit, die noch mit einem physischen, anfassbaren Objekt verknüpft ist. Von dem Urkilo gibt es weltweit 110 Kopien, sie alle wurden im BIPM hergestellt und dann in die nationalen Metrologie-Institute geliefert. Fast 130 Jahre konnte die Welt gut mit dieser Mess-Lösung leben. Doch seit langem schon bereitet den Metrologen das Urkilo Sorgen.

Denn es hält sein Gewicht nicht. Stock und Kollegen haben bei Vergleichsmessungen mit anderen Kilogramm-Kopien festgestellt, dass es Gewichtsschwankungen gibt - und das, obwohl diese Kilogramm-Normale aus dem gleichen Material sind und unter gleichen Bedingungen am gleichen Ort gelagert werden. "Wir wissen nicht, ob die Kopien schwerer wurden oder das Urkilo abgenommen hat", sagt Stock. Aber wahrscheinlicher ist: Der internationale Prototyp ist leichter geworden.

Die Experten für Maße und Maßsysteme rätseln, warum das Urkilo abnimmt. "Vielleicht hängt es mit der Oberflächenstruktur und minimalen Rissen zusammen, aber es gibt keinen Beweis dafür", sagt Stock. 50 Mikrogramm, also 50 Millionstel Gramm betrug die Abweichung, "das ist nicht viel für ein Jahrhundert, das entspricht gerade mal einem winzigen Sandkorn". Dass dem Urkilo beim gelegentlichen Reinigen mit einem Chamois-Leder, Ether und Alkohol sowie destilliertem Wasserdampf aus Versehen ein bisschen zu viel abgerubbelt wurde, schließen die Metrologen aus.

Auch wenn es hier um das Gewicht eines Sandkorns geht: Wissenschaftler mögen solche Ungenauigkeiten nicht, sie bringen das ganze Einheiten-Gebäude ins Wanken. Deswegen planen die Physiker seit einigen Jahren eine kleine Maß-Revolution: Sie wollen in diesem Jahr das Urkilo in den Ruhestand schicken.

Wenn Schüler heutzutage im Physikunterricht bei einer Prüfung das Kilogramm als eine der sieben Basis-Einheiten definieren müssen, können sie ganz einfach auf den Metall-Zylinder bei Paris verweisen. „In Zukunft haben die Schüler es leider nicht mehr so einfach“, sagt Jens Simon von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig (PTB). „Denn das Kilogramm in der Zukunft ist vielmehr ein Rezept als ein Gegenstand." Es soll wie andere internationale Einheiten mit Hilfe einer Kombination mehrerer Naturkonstanten realisiert werden.

Der Name sagt es bereits: Naturkonstanten wie die Lichtgeschwindigkeit haben in der physikalischen Welt einen großen Vorteil, als Definitionsgrundlage zu dienen – denn sie verändern sich im Gegensatz zu einem Objekt wie dem Urkilogramm nicht. Die Basiseinheit Meter hat diese Neu-Definition schon lange hinter sich: Seit 1983  ist er definiert als die Länge der Strecke, die das Licht im Vakuum während einer 299792458stel Sekunde zurücklegt. Der frühere Urmeter liegt immer noch in Form eines Platin-Iridium-Stabes von x-förmigem Querschnitt in Sèvres. Temperatur oder Beschädigungen hätten diesen Prototyp verändern können, so dass er längst ausgedient hat.

Für das neue Kilogramm soll nun eine entsprechende Naturkonstante, die Planck-Konstante, einen fixen Wert erhalten. Allerdings dürfen die Metrologen nicht einfach einen beliebigen nehmen, sondern sie müssen diesen aus möglichst genauen Messungen ableiten.

Seit Jahrzehnten experimentieren die Forscher deshalb prinzipiell mit zwei unabhängigen Messmethoden, um das neue Kilogramm zu realisieren, welches so schwer sein soll wie das Urkilo. Es ist ein Wettkampf um Messgenauigkeit und möglichst deckungsgleiche Ergebnisse.

Für eine Methode wird eine "Watt-Waage" genutzt, etwa von Forschern in Großbritannien, Kanada und den USA. „Dabei misst man das Kilogramm quasi elektrisch“, erklärt Physiker Jens Simon von der PTB. Will heißen: Bei dem hoch komplexen Experiment wird die Schwerkraft auf eine Masse durch elektromagnetische Kraft kompensiert mit Hilfe elektrischer Leistung (in Watt, daher der Name). Die elektrischen Einflussgrößen werden in diesem Experiment dabei durch Quanteneffekte realisiert, durch spezielle Effekte der Mikrowelt.

Herangehensweise Nummer zwei: das Avogadro-Experiment. Dahinter stecken die Physiker der Physikalisch-Technischen Instituts in Braunschweig. Es heißt so, weil die Forscher als Messergebnis die sogenannte Avogadro-Konstante erhalten. Diese ist eine enorm große Zahl, die angibt, wie viele Teilchen in einer Stoffmenge (1 Mol) enthalten sind. Und wer sie hat, der kann damit zugleich den Wert der Planck-Konstanten berechnen.

Beim Avogadro-Experiment zählen die Wissenschaftler mit extrem präzisen Messinstrumenten die Atome in einer Kugel, die exakt ein Kilo schwer ist. Diese perfekt runden Wunderkugeln sind aus reinstem Silizium hergestellt, das zehntausende von Zentrifugen in Russland angereichert haben. In der PTB verzählen sich die  Wissenschaftler nur alle Hundert Millionen Atome um ein bis zwei Atome.

Die makroskopische Masse, in diesem Fall die Masse einer handtellergroßen Kugel, wird also zurückgeführt auf mikroskopische Masse von Atomen, nämlich Silizium-28-Isotope, die alle identisch sind. Anders gesagt: Die Physiker wollen wissen, wie viel ein Silizium-Atom wiegt, um sagen zu können, wie viele dieser Atome ein Kilogramm ergeben. "Die Kugel ist für uns in erster Linie eine Zählmaschine für Atome", betont Simon.

Klingt kompliziert? Ist es auch. "Beim Meter können wir uns die dahinter liegenden Naturkonstanten noch gut vorstellen, denn wir alle haben ein Gefühl dafür, was Geschwindigkeit ist“, sagt Jens Simon. Anders ist es, wenn es nun um die Dimension einer Wirkung geht. „Das Plancksche Wirkungsquantum, das man für das Kilogramm nimmt, ist so eine Wirkung, nämlich Energie mal Zeit. Deswegen wird das Kilogramm in  Zukunft weit weniger anschaulich sein.“ Und für Schüler leider auch schwerer zu erklären.

Nationale metrologische Institute und Kalibrierlaboratorien können in Zukunft entscheiden, ob sie in Zukunft mit der Watt-Waage oder den Siliziumkugeln arbeiten wollen. Vier dieser Kugeln wurden in Braunschweig bereits hergestellt, acht sind geplant. Taiwan hat als erstes Land bereits eine Kugel gekauft: Wert: eine Million Euro. Allerdings wird es auch preiswertere Kopien geringerer Qualität geben.

Im November treffen sich – wie alle vier Jahre - 400 wissenschaftliche Abgeordnete aus aller Welt in Versailles zur einer Generalkonferenz für Maß und Gewicht. Sie wird historisch sein, denn die Delegierten der Mitgliedsstaaten der Meterkonvention stimmen über das neue Kilogramm ab. Und nicht nur darüber: Im Zuge der Erneuerung des metrischen Systems sollen auch die Einheiten Mol (Stoffmenge, mol), Kelvin (Temperatur, K) und Ampere (Stromstärke, A) neudefiniert und an fixe Naturkonstanten gekoppelt werden. In Kraft treten sollen die neuen Definitionen dann am Weltmetrologie-Tag, dem 20. Mai 2019.

Wer im Supermarkt sein Gemüse abwiegt, der wird die Kilo-Renovierung nicht bemerken. Doch im 21. Jahrhundert wird der technische Fortschritt mehr und mehr sehr präzise Messungen von Mikrogrammmassen erfordern. Dafür ist der Kilo-Prototyp in Sèvres zu ungenau. In der Welt der Wissenschaft oder der Nanotechnologie, in einer Zeit, in der die Industrie immer schnellere Computer und Smartphones herstellen will, ist ein exaktes Kilogramm von großer Bedeutung. "Wenn man fortfahren würde mit der bisherigen Technik im nächsten Jahrhundert, würden wir vielleicht größere Probleme bekommen und die Differenzen würden größer werden", sagt Michael Stock.

Den Metallzylinder aus Sèvres  nicht mehr als Vorbild zu nehmen, habe noch andere gute Gründe. Das Kilogramm wird universeller. "Bisher musste jeder, der wissen wollte, wie schwer ein Kilogramm ist, hierher kommen. In Zukunft kann man das Kilo überall darstellen."

Ein bisschen melancholisch sind Stock und sein Physiker-Team in Sèvres schon. Momentan sind sie das Zentrum der Welt, was die Messung von Masse angeht. „Unsere Hauptrolle in Zukunft wird dagegen sein, sicher zu stellen, dass die Kilos, die etwa in Braunschweig oder Washington hergestellt werden, vergleichbar sind.“

Das Urkilo wird übrigens im Safe von Sèvres bleiben, es bleibt ein wertvolles Museumsstück. Und vielleicht dürfen Physiker damit nun Forschungsprojekte machen, die bisher verboten waren aus Sorge davor, aus Versehen sein Gewicht zu verändern.