Das Kilogramm bereitet den Metrologen Sorgen. Es ist immer noch definiert als die Masse des internationalen Kilogramm-Prototyps, das einst vom Meter abgeleitet worden ist.
Das Problem dabei: Die Kilogrammstandards verlieren an Gewicht.
Die Bemühungen, das Kilogramm über Naturphänomene zu definieren, gehören zu den interessantesten Projekten der weltweiten Grundlagenforschung.
Ihre Nummern erleichtern den Überblick. Nummer 49 ruht in den Kellern des Bundesamtes für Eich- und Vermessungswesen in Wien, Nummer 52 lagert in den gesicherten Räumen des deutschen Pendants zum BEV, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig. Es handelt sich dabei um sogenannte Kilogrammprototypen: Diese nationalen Artefakte bestehen aus einer Platin-Iridium- Legierung und werden etwa alle zehn Jahre mit dem internationalen „Kilogramm-Prototyp“ verglichen.
Die „Ur-Mutter“ der Gewichtsnormierung ist in den Tresoren des Pavillons de Breteuil im französischen Sèvres bei Paris sicher verwahrt. In dem Jagdschloss aus der Zeit von Ludwig XIV. ist die Weltbehörde für Maße und Gewichte, das Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) zu Hause.Das BIPM beherbergt das Urkilogramm: Der kleine Zylinder aus den Edelmetallen Platin und Iridium – 39 Millimeter hoch, 39 Millimeter im Durchmesser – ist unter drei Glashauben zwar kaum zu sehen; doch garantier t das kleine Richtmaß, dass der globale Handel kein Gewichtsproblem hat, wenn Bananen oder Arzneimittel, Weizen oder Schweinehälften, Kohle oder Gold gewogen und gehandelt werden.
Für Metrologen, wie die Hüter der Maßeinheiten genannt werden, weist das Urkilogramm einen wesentlichen Nachteil auf: Das Kilogramm ist die einzige Größe von den sieben Basiseinheiten des Système International d'Unités (SI-System), die nicht mit einer definierten Messung in einem Labor bestimmt werden kann. Es fehlt ein klares Experiment, mit dem Masse absolut zu bestimmen ist - ohne Unwägbarkeiten bei noch so vorsichtiger Behandlung des Urkilogramms.
Die sieben Basiseinheiten sind Kilogramm, Meter, Sekunde, Kelvin, Mol, Ampere und Candela, mit denen – und den aus ihnen abgeleiteten Größen – der Mensch versucht, die physikalischen Phänomene der Welt in Zahlen zu fassen.
Historischer Zugang
Das Kilogramm (kg) ist gleich der Masse des internationalen Kilogrammprototyps, so die Definition für die weltweit bestimmende Maßeinheit für Masse.Wie für den Meter liegt der Ursprung des Kilogramms in der Zeit der französischen Revolution. Schon unter Ludwig XVI. wurde der Versuch unternommen, die vielen unterschiedlichen Gewichtseinheiten des Landes durch einen einheitlichen Standard abzulösen. Grundlage für diesen Standard war die Masse eines Kubikdezimeters Wasser bei der größten Dichte desWassers (also bei 4°C).
Nach vielen aufwendigen Messungen, die im Wesentlichen auf dem archimedischen Prinzip beruhen, wurden zylindrische Artefakte aus Platin hergestellt, die der neu definierten Masseneinheit 1 Kilogramm entsprachen. Einer dieser Prototypen wurde 1799 zum offiziellen Kilogrammstandard Frankreichs erklärt, dem “Kilogramme des Archives”. Bei der 1. Conférence Générale des Poids et Mesures 1889 wurde ein neuer Standard aus einer Platin-Iridium Legierung (10 % Iridium) als internationales Massenormal eingeführt. Das “Kilogramme des Archives” diente dabei als Referenz. Kopien dieses Standards (ebenfalls aus Platin-Iridium) werden seither in den Mitgliedsstaaten der Meterkonvention als nationale Normale verwendet. Die Definition des Kilogramms ist seit damals gültig.
Schwund
Einmal im Jahr, so sehen es die Regeln vor, müssen die Maßhüter nachschauen, ob das kostbare Metall tatsächlich noch da ist. Aus seinem Schrein aber holen sie es nur alle paar Jahrzehnte heraus. 1990 haben die Physiker den Metallzylinder das letzte Mal unter den Schutzglocken hervorgeholt und mit anderen ebenso alten Gewichten verglichen, den bereits erwähnten nationalen Kilogrammprototypen.
Ergebnis in diesem 100-Jahre-Vergleich: Relativ zum Urkilogramm bringen die nationalen Standards heute bis zu 70 Mikrogramm mehr auf die Waage,was in etwa dem Gewicht eines gewöhnlichen Salzkorns entspricht. Die fassbaren Auswirkungen:
Bei einer Weltjahresproduktion an Reis von 825 Millionen Tonnen verursacht der Fehler beim Verkauf einen Schwund von mehr als 60Tonnen. Es besteht der Verdacht, dass das Urkilogramm 1990 vor dem Wägen zu intensiv gereinigt wurde. Auch wird erwogen, dass nach und nach auch einzelne, in dem Metall eingeschlossene Gasatome entwichen sind. Genau weiß das niemand. Fest steht nur:Was der Metallzylinder wiegt, definiert exakt ein Kilogramm, und zwar per Definition.
Weg ist Geschwindigkeit mal Zeit
In Zeiten, in denen ein Meter als die Strecke bestimmt ist, die das Licht im 299.792.458sten Teil einer Sekunde im Vakuum zurücklegt, ist für Naturwissenschafter eine derartige Unschärfe schwer hinnehmbar. Im Grundsatz sind sich darum die meisten Metrologen einig: Sie wollen bis zum Jahr 2011, wenn die nächste Vollversammlung derWelt-Maßhüter tagt, möglichst viele Basiseinheiten auf Naturkonstanten stützen.Welche Naturkonstante aber kommt infrage, um dem Urkilogramm nur mehr musealenWert beikommen zu lassen? Physiker wollen noch genauer definieren, wie viele Teilchen ein Mol ausmachen.
6,02214179 x 1023 mol-1Teilchen sind es nach derzeitigem Wissen. Aber nur die ersten sechs Stellen (6-0-2-2-1-4) gelten als gesichert. Die Physiker möchten diese Konstante noch genauer bestimmen. Gelingt dies, könnten sie diesen Wert der Avogadro-Konstanten als neue Definition des Mols festlegen. Und sie könnten angeben, wie viele Siliziumatome ein Kilogramm ergeben. Wie Meter und Kelvin wären zwei weitere Einheiten – Mol und Kilogramm – auf eine fundamentale Größe der Natur zurückgeführt.
Die Produktion der perfekten Siliziumkugel
Eine ausreichend genaue Bestimmung der Teilchendichte ist nur mittels Röntgenlaserinterferometer möglich und setzt ein monokristallines Material voraus.Wegen der Anforderungen an die Genauigkeit der Materialkennwerte kommt hierfür derzeit praktisch nur chemisch höchstreines, isotopenreines Silizium 28 in Frage.
Bei natürlichem Silizium, das ein Gemisch aus drei Isotopen ist, begrenzt die relativ schlechte Bestimmbarkeit der mittleren molaren Masse die Gesamtgenauigkeit. Die genaue Volumenbestimmung erfordert die Herstellung einer hochgenauen Kugel aus dem Material. Ein Kilogramm könnte schließlich nach Festlegung der Avogadro-Konstante auf einen exaktenWert durch eine bestimmte Anzahl von Atomen dieser hochreinen Isotopenmischung definiert werden.
Das Urkilogramm wird ersetzt
Noch 2002 scheiterten die Wissenschafter bei der Herstellung einer derartigen Menge hochreinen Siliziums – bis ein Speziallabor in Sankt Petersburg bekannt gab, eine besondere, 200 Gramm schwere Probe hergestellt zu haben. Sie bestand zu 99,94 % aus Silizium mit der Atommasse 28. Möglich wurde dies mit Spezial-Zentrifugen, die früher dazu gedient hatten, Uran anzureichern.
2005 gelang es den russischenWissenschaftler, die Reinheit des Silizium-28 auf 99,99 % zu steigern.Derzeit wird daran gearbeitet, die perfekte Kugel aus Silizium zu formen. Die Ebenmäßigkeit der Kugel bestimmt die Genauigkeit der Vergleichswägung. Im National Measurement Institute in Australien wurden bislang zwei 1-kg-Kugeln mit einer maximalen Gestaltabweichung von 30 nm bei ca. 93,7 mm Durchmesser hergestellt. Zur Zeit erfolgen aufwändige Analysen, anschließend die Messungen.
Zweite Möglichkeit: Wattwaage
Im britischen National Physics Laboratory im Londoner Vorort Teddington wird an einem Konkurrenz-Experiment zur Avogadro-Kugel gearbeitet, der sogenannten Wattwaage, einer mannshohen Balkenwaage, in der Gewichte mit einem speziellen Elektromagneten ausgewogen werden.
Mit Spannung und Strom in dem Elektromagneten kann der Wissenschaftler extrem genau bestimmen und auf diese Weise elektrische und mechanische Einheiten, darunter eben auch die Masse, miteinander verknüpfen.
Wenn die Präzision in gewünschte Höhen gesteigert werden kann, könnte das Pariser Urkilogramm gewogen und dessen Gewicht in elektrischer Größe ausgedrückt werden. Diese ließe sich noch weiter umrechnen, sodass am Ende die Masse fixiert würde. Derzeit ist die Wiederholgenauigkeit des Experimentes noch unzureichend.
DIE KALIBRIERSTELLE DES TÜV AUSTRIA STELLT DIE RÜCKFÜHRBARKEIT AUF NATIONALE UND INTERNATIONALE MASSEINHEITEN (NORMALE) SICHER
Die Kalibrierstelle des TÜV AUSTRIA verfügt unter den vergleichbaren Einrichtungen in Österreich über die meisten akkreditierten Messgrößen,wodurch Kunden mit verschiedensten Mess- und Prüfgeräten mit einem einzigen Partner zusammenarbeiten können. Eine weitere Besonderheit der Kalibrierstelle ist ihre Mobilität: Der mobile Einsatz wird angewendet, wenn die für die Kalibrierung benötigte Zeit auf ein absolutes Minimum beschränkt werden muss oder der zu kalibrierende Gegenstand schwer zu transportieren ist.
Fachbereich für elektrische Größen und Frequenz
Die akkreditierten Messgrößen des Fachbereichs sind Gleich- und Wechselspannung, Gleich- und Wechselstrom, Widerstand und Frequenz.
Folgende Geräte werden in diesem Fachbereich kalibriert:
Multimeter Voltmeter Amperemeter Messzangen Widerstände Kalibratoren Oszilloskope Schreiber
|
Fachbereich für Druck und Temperatur
Der Akkreditierungsbereich umfasst die Messgrößen Druck (Absolut-,Differenz- und Überdruck) undTemperatur (Berührungs- und Widerstandsthermometer sowie Thermoelemente). Betreiber von Dampf- und Druckgeräten fordern oft eine Kalibrierung vor Ort, die auch durchgeführt wird.
Der Fachbereich bietet seine Dienste hauptsächlich für folgende Geräte an:
Druckaufnehmer Thermoelemente Manometer Widerstandsthermometer Druckanzeigen Temperaturfühler
|
Fachbereich für mechanische Größen
In diesem Fachbereich ist die Kalibrierung der Kraftmesseinrichtungen von Werkstoffprüfmaschinen eingebettet. Außerdem ist der TÜV die erste in Österreich akkreditierte Kalibrierstelle für die Messgröße Drehmoment.
Die Kalibrierungen werden hauptsächlich für folgende Geräte angeboten:
Zug- und Druckkraftaufnehmer Zug-, Druck- und Biegeprüfmaschinen Drehmomentschlüssel Hydraulische Drehmomentschrauber Kranwaagen und Dynamometer Haftzuggeräte Drehmomentschlüsselprüfgeräte
|
Die Kalibrierstelle des TÜV AUSTRIA bietet als Dienstleister mit dem breitesten Spektrum in Österreich die Sicherheit, dass Untersuchungsergebnisse auch im internationalen Wettbewerb hinsichtlich ihrer Messgenauigkeit und Rückführbarkeit unanfechtbar sind.
Sie ist somit im Rahmen des Österreichischen Kalibrierdienstes (ÖKD) ein wichtiger kompetenter und verlässlicher Partner für die heimische Wirtschaft.
