Deutsche Physiker wollen das absolute Kilogramm
Wie viel ein Kilogramm wiegt, dass bestimmt seit über hundert Jahren das Ur-Kilogramm. Physiker wollen es genauer haben und unabhängig von einem echten Objekt – als reine Größe, als Naturkonstante. Forscher der PTB in Braunschweig sind diesem Ziel einen großen Schritt näher gekommen.
Scharfsichtiges Interferometer: Der Durchmesser der in der Mitte liegenden Siliziumkugel wird äußerst exakt gemessen - ein Zwischenschritt auf dem Weg zu einer neuen Kilogramm-Definition.
Foto: PTB
Alle hundert Millionen Atome verzählen sich die Forscher der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. Um zwei Atome. Das ist so, als würde man täglich 1000 Reiskörner kochen, von Hand abgezählt, und sich dabei nur zwei Mal in hunderttausend Versuchen verzählen.
Sollte reichen? Für Physiker in aller Welt ist das der Gipfel der Ungenauigkeit. Die PTB-Wissenschaftler wollen die Fehlerquote halbieren. Das ist ein weiterer Schritt auf dem Weg zur Neudefinition des Kilogramms. Überall da, wo keine absolute Naturkonstante, sondern ein reales Vorbild die Maßeinheit definiert, schüttelt es den ehrgeizigen Physiker.
Anders ist es beim Längenmaß: Was genau ein Meter ist, bestimmt längst nicht mehr so etwas wie ein Ur-Besenstiel, sondern die winzige Zeiteinheit, die das Licht für diese Entfernung braucht. Und die Zeit ist seit der Geburtsstunde der Atomuhr eben auch abstrakt und deshalb ungeheuer präzise definiert. So soll es mit dem Kilogramm in einigen Jahren auch sein.
„Meisterleistung an der Grenze des Machbaren“
Die PTB hat dafür in Russland zwei hochreine Kristalle aus Silizium-28 bestellt. Der erste davon ist jetzt in Braunschweig eingetroffen und wie ein Schatz auf Samtkissen präsentiert worden. Im Electrochemical Plant im russischen Zelenogorsk waren monatelang tausende Zentrifugen im Einsatz, um die mehr als 99,998-prozentige Isotopen-Reinheit des Silizium-28 zu ermöglichen. „Das war eine Meisterleistung an der Grenze des technisch Machbaren“, sagt Manfred Peters, ehemaliger Vizepräsident der PTB, der das Projekt mit Russland leitet.
Dr. Horst Bettin (li.) und Prof. Manfred Peters (re.) verwahren den Silizium-Einkristall in einem Tresor in der PTB. In Kürze werden aus diesem Kristall zwei nahezu perfekte Kristallkugeln gefertigt, die dann nach allen Regeln der Kunst vermessen werden.
Quelle: PTB
In dem Prozess entstand zunächst hochexplosives, gasförmiges Silizium-Tetrafluorid. Das musste dann zuerst in Silan und schließlich in polykristallines Silizium umgewandelt werden. Am Ende stehen zwei Zylinder, deren innere Struktur ohne jeden Bruch ist und aus denen die PTB jeweils zwei nahezu perfekte Kugeln fertigt. In denen zählen sie dann die Atome, und diese Zahl wird am Ende den Wert für zwei physikalische Konstanten festlegen, analog etwa zur Lichtgeschwindigkeit. „Die dabei ermittelten Werte dürften konkurrenzlos genau sein“, meinen die Braunschweiger und sehen sich damit weit vorne im globalen Wettbewerb um das perfekte Kilogramm.
Masse des Ur-Kilogramms leicht verändert
„Unser Ziel ist, dass die PTB die Realisierung des zukünftigen Kilogramms vollständig selbst beherrscht“, sagt Horst Bettin, Leiter des Kilogrammprojektes. Für Deutschland ist das durchaus ein Prestige-Projekt, das einen Leuchtturm für wissenschaftliche Exzellenz setzen kann. Bisher beziehen sich alle Masse-Messungen in der Welt auf das berühmte Ur-Kilogramm, das in einem Tresor im Internationalen Büro für Maß und Gewicht in Sèvres bei Paris verwahrt wird.
Mit dem Si-28-Einkristall geht das Kilogrammprojekt der PTB in seine entscheidende Etappe. Am 25. März 2015 wurde er aus dem Institut für Kristallzüchtung, Berlin, abgeholt und in die PTB gebracht.
Quelle: PTB
Von ihm gibt es weltweit fast 100 Kopien, die jeweils die Grundlage für die Eichung aller Waagen sind. „Doch physikalische und chemische Prozesse verändern Dinge mit der Zeit. Es gibt Hinweise, dass sich auch die Masse des Urkilogramms leicht geändert hat. Schlimmstenfalls könnte das Urkilogramm einmal zerstört oder gestohlen werden. Damit wäre die Definition ein für alle Mal verschwunden“, heißt es bei der PTB.
Watt-Waage könnte auch zum Erfolg führen
Einen wirklichen Gewinner könne es in dem Wettlauf allerdings gar nicht geben, erklärt die PTB. Das Kilogramm werde erst dann neu definiert, wenn mindestens zwei wissenschaftliche Ansätze und die Experimente dreier Forschergruppen zu übereinstimmenden Ergebnissen kommen. Das könnte bis 2018, wenn die Generalkonferenz für Maß und Gewicht die Definition vornehmen will, durchaus gelingen. Denn auch die Versuche mit einer Watt-Waage, die die Gewichtskraft einer Masse in elektromagnetische Kraft umrechnet, sind auf einem guten Weg.
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