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epa04491665 A picture made available on 16 November 2014 shows Scientist Arnold Nicolaus holding a silicon sphere which weighs exactly one kilogram as he is reflected on it, at the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB, physical and technical federal institute) in Braunschweig, Germany, 05 November 2014. Scientists of the PTB used the balls in an international project to redefine the prototype kilogram.  EPA/JULIAN STRATENSCHULTE

Die Siliziumkugel, die Arnold Nicolaus, Wissenschaftler an der deutschen Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig, in der Hand hält, wiegt exakt ein Kilogramm.  Bild: EPA/DPA

Das Ur-Kilogramm hat ausgedient

Gewinnt ein Schweizer den Wettlauf um das neue Kilo?

Seit 1889 steht ein kleiner Metallzylinder in einem Tresor bei Paris: das Ur-Kilogramm. Weil die Mutter aller Gewichte und ihre Kopien sich immer mehr unterscheiden, suchen Physiker nach einer Alternative. An der Neudefinition des Kilos arbeiten auch Schweizer Forscher mit. 



Wie schwer ist ein Kilogramm? Die Frage scheint trivial, doch der Teufel steckt, wie immer, im Detail. Vorderhand gilt: Ein Kilogramm ist die Masse des Zylinders aus Platin-Iridium, der seit nunmehr 125 Jahren unter drei Glasglocken vom Internationalen Büro für Mass und Gewicht (BIPM) im Pariser Vorort Sèvres verwahrt wird. 

Das kleine Metallstück, 39 Millimeter Höhe auf 39 Millimeter Durchmesser, ist jedoch nicht mehr zeitgemäss. Alle anderen Basis-Masseinheiten (Länge: Meter, Zeit: Sekunde, Temperatur: Kelvin, Stromstärke: Ampere, Stoffmenge: Mol und Lichtstärke: Candela) sind durch Bezug auf Naturkonstanten definiert. Sie können durch Laborexperimente hergestellt und weitergegeben werden – und sind daher überall auf der Welt nachprüfbar. Nicht bei der Masse: Hier ist immer noch das Ur-Kilogramm in Paris das Mass aller Dinge. 

Masse Internationaler Prototyp Ur-Kilogramm in Paris Bureau International des Poids et Mesures (BIPM)

Unter drei Glasglocken aufbewahrt: Das Ur-Kilogramm in Paris. Bild: BIPM.org

Um ein Salzkorn leichter

Als wäre dies nicht schon umständlich genug, kommt noch eine zunehmende Gewichtsdifferenz zwischen dem Ur-Kilogramm und den mittlerweile rund 80 nationalen Kilogramm-Prototypen hinzu. Entweder wird das Ur-Kilo leichter, oder die meisten Kopien werden schwerer. Der bisher nicht erklärbare Unterschied beträgt inzwischen 50µg (Mikrogramm) – etwa das Gewicht eines Salzkorns. Ein Nichts für Laien, ein Problem für Metrologen, die Experten der Messung. 

Bis vermutlich 2018 wird diese unbefriedigende Situation noch andauern. Dann aber soll auch die Masse durch den Bezug auf eine Naturkonstante definiert werden – das Plancksche Wirkungsquantum (h), das Verhältnis von Energie und Frequenz eines Lichtquants (Photon). Zwei verschiedene Verfahren liegen derzeit beim Wettlauf um das neue Kilogramm vorn. 

Das «elektrische Kilo»

Das eine Verfahren ist die sogenannte Watt-Waage, ein hochkompliziertes Messinstrument, an der auch das Eidgenössische Institut für Metrologie (Metas) in Bern arbeitet. Es beruht auf einem präzisen Vergleich von mechanischer und elektrischer Leistung, der das Kilogramm über elektrische Einheiten mit der Planckschen Konstante in Beziehung setzt. 

Bei der Watt-Waage befindet sich auf einer Seite ein Gewicht von einem Kilo und auf der anderen eine Spule, durch die Strom fliesst. Das daraus entstehende Magnetfeld zieht die Spule nach unten. Gemessen wird dann die Spannung und Stromstärke, die nötig ist, um die Waage im Gleichgewicht zu halten. Das Problem liegt bei der Justierung: Kleinste Einflüsse von aussen – zum Beispiel der Pegel der Aare – müssen berücksichtigt werden. 

Watt-Waage Eidgenössisches Institut für Metrologie Bern METAS Kilogramm Plancksches Wirkungsquantum Plancksche Konstante

Hochkompliziertes Messinstrument: Watt-Waage des Metas. Bild: METAS

Neben den Metas-Wissenschaftlern in Bern arbeiten auch Teams in den USA, in Kanada, Frankreich und China daran, das «elektrische Kilogramm» genauer zu messen. Derzeit liegen die Kanadier vorn: Sie haben eine Genauigkeit von 20µg erreicht. Das Verhältnis zu diesen Forschern – die Welt der Metrologen ist überschaubar, man kennt sich – sei von Kollegialität und Rivalität zugleich gekennzeichnet, erklärt David Lehmann vom Metas. 

«In der Metrologie ist Genauigkeit gefragt und, nicht Geschwindigkeit.»

David Lehmann, eidgenössisches Institut für Metrologie (metas)

«Jedes Institut will natürlich das erste sein, das die Plancksche Konstante mit der verlangten Genauigkeit – auf acht Stellen hinter dem Komma – misst», sagt Lehmann. Zugleich sei man aber auch auf Zusammenarbeit angewiesen, betont er, denn es brauche insgesamt drei unabhängige Resultate, die das Ergebnis bestätigten. «In der Metrologie ist Genauigkeit gefragt, und nicht Geschwindigkeit.»

Die perfekte Kugel

Das zweite aussichtsreiche Verfahren, das die Plancksche Konstante bestimmen soll, ist das Avogadro-Projekt. Es beruht auf der Avogadro-Konstante, die angibt, wie viele Teilchen in einem Mol eines Stoffes enthalten sind. Wissenschaftler der deutschen Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig sind dabei, die Avogadro-Konstante möglichst genau zu bestimmen, indem sie die Atome in einer nahezu perfekten Kugel aus reinstem Silizium zählen. 

Die Kugel aus dem Halbmetall weist einen Durchmesser von knapp zehn Zentimetern auf und ist ein Gemeinschaftsprojekt: Sie besteht aus russischem Silizium, wurde in Berlin hergestellt und in Australien poliert. Die Bestimmung von Durchmesser und Formabweichungen erfolgte in Deutschland und Italien. Die Unebenheiten sind winzig: Wäre die Kugel so gross wie die Erde, der Unterschied zwischen tiefster Stelle im Meer und dem höchsten Berggipfel betrüge weniger als zehn Meter. 

21'000'000'000'000'000'000'000'000 Atome

Sind Durchmesser und Volumen der Kugel bestimmt, werden die Abstände zwischen den Atomen in der Gitterstruktur gemessen. Daraus errechnen die Forscher dann das Volumen eines Atoms und in einem weiteren Schritt die Zahl der Atome. Kennt man das Gewicht eines Atoms, kann man das Gewicht einer Kugel exakt bestimmen. Die Siliziumkugel in Braunschweig hat etwa 21 Quadrillionen Atome. Mittlerweile haben die deutschen Atomzähler eine Genauigkeit von 30µg erreicht. 

Wer wird die Nase vorn haben? Egal, welches Verfahren sich am Schluss durchsetzt – beide werden benötigt, um sich gegenseitig zu überprüfen und Fehlerquellen auszuschliessen. Und unabhängig davon, ob die Watt-Waage oder die Silizium-Kugel das Rennen gewinnt: Am Ende braucht es für praktische Eichzwecke doch wieder ein Massestück als Referenz. 

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«World's Roundest Object!» (engl.) Video: Youtube/Veritasium

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