Ende des Urkilos: Das ist das neue Maß der Masse

Das Ding, das seit 1889 unter drei Glasglocken in einem Tresor im Pariser Vorort Sévres lagert, ist nur vier Zentimeter klein, aus Platin und Iridium, macht aber seit Jahren Riesenärger. Es nimmt ab. In 100 Jahren hat es 50 Millionstel Gramm verloren. Kein Problem, meinen Sie? Irrtum, denn bei dem Ding handelt es sich um das Urkilo, jenes Unikat, auf das sich alle Waagen auf der ganzen Welt beziehen. Derzeit wird also – wenn auch nur minimal – falsch gewogen.

Darum braucht die Welt einen neuen Standard – einen, der sich niemals verändert, nicht beschädigt werden oder gar verloren gehen kann. Und daran arbeiten Wissenschaftler derzeit weltweit: 2018 wird auf der 26. Generalkonferenz für Maß und Gewicht in Paris ein "neues Kilogramm" verabschiedet – eines, das nicht mehr über einen Gegenstand definiert wird, sondern über eine Naturkonstante: das Plancksche-Wirkungsquantum (Planck-Konstante h). Diese Basisgröße aus der Welt der Quantenphysik beschreibt die kleinstmögliche Energieeinheit, die in der Physik entweder abgegeben oder aufgenommen werden kann.

Lokalaugenschein

Und weil wir – wie in der Wissenschaft so oft – wieder an einem für Laien völlig unverständlichen Punkt angelangt sind, ist der KURIER zum Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen ausgerückt. Dort lagert in einem abgeschirmten Kellerlabor unter besonderen klimatischen und stoßwellengedämpften Bedingungen das nationale Pendent – das österreichische Urkilo, wenn Sie so sollen.

Hier treffen wir Robert Edelmaier und Dietmar Steindl, beide Metrologen mit Herz und Seele, (nein, keine Meteorologen), also berufen, uns zu erklären, wie das neue Urkilo ausschauen und funktionieren wird. Wir erfahren, dass es ein Komitee gibt, das sich mit der Festlegung der Naturkonstanten beschäftigt, dass Forscher in Japan, der Schweiz, Kanada, England, Frankreich, Deutschland, China und den USA versuchen, sich in Sachen "Urkilo neu" zu übertreffen, und dass Wattwaagen und Siliziumkugeln das A und O der Neudefinition sind.

Bis Ende Juni hatten die Wissenschaftler Zeit, ihre Experimente bei Wissenschaftszeitungen einzureichen, jetzt wird geprüft. Um das Kilogramm auf der Basis von Naturkonstanten neu zu definieren, werden weltweit zwei Wege verfolgt:

Die Silizium-Kugel (Avogadro-Experiment): In einer nahezu perfekten Kristall-Kugel wird die Zahl der Atome bestimmt. Als Medium wurde Silicium 28 ausgewählt, "weil es sehr häufig vorkommt und hochrein hergestellt werden kann", sagt Edelmaier. "Man versucht die Kugel möglichst ideal herzustellen." Dabei geht es weniger um die schön glänzende Kugel selbst, sondern um ihren Inhalt. Die Atome sitzen im Kristallgitter in exakt gleichem Abstand voneinander – und ihr Gewicht verändert sich nicht – auch in einhundert Jahren nicht. Die Frage, die sich die Forscher also stellen, ist: Wie viele Atome ergeben ein Kilogramm? Die Antwort liegt sehr wahrscheinlich im Bereich von 21 Quadrillionen, eine Zahl mit 24 Nullen.

Hergestellt wurde der hochreine Rohkristall in russischen Atomzentrifugen. Die sind als einzige dazu in der Lage. Kostenpunkt: Eine Million Euro.

Die Watt-Waage: Mit dieser wiederum lässt sich exakt bestimmen, wie viel elektrische Kraft nötig ist, um eine bestimmte Masse aufzuwiegen. Sofern es denn gelingt, das hochsensible Gerät, das von äußeren Einflüssen abgeschirmt werden muss, zu bauen. Metrologieinstitute wie das US-amerikanische National Institute of Standards and Technology (NIST) und das kanadische National Research Council (NRC) favorisieren derzeit die Watt-Waage und versuchen durch das Messen von Strom und Spannung das Plancksche Wirkungsquantum möglichst exakt zu bestimmen.

Metrologe Edelmaier: "Die Ergebnisse der verschiedenen Wattwaagen stimmen überein. Nur gibt es eine neue, noch nicht publizierte Avogadro-Untersuchung, die damit nicht übereinstimmt. Und das wird derzeit heftig diskutiert." Das irritierende Messergebnis wird gerade überprüft – sprich: die Silizium-Atome werden nochmals gezählt. Denn: "Und beide Messdefinitionen müssen zusammenfließen", sagt Metrologe Steindl.

Zwei Experimente

Die internationalen Vorschriften sehen vor, dass die Planck Konstante von zwei unabhängigen Experimenten definiert werden muss. Hätte man nur ein Ergebnis von einem Experiment, könnte man nie sicher sein, ob der Wert der Planck-Konstante auch stimmt. Das Experiment könnte einen unerwarteten Fehler haben. Deshalb braucht es zwei unterschiedliche Ansätze. Über die Experimente wollen die Wissenschaftler also das Gewicht eines Kilos mit der Planck-Konstante h verknüpfen. Noch ist der Wert der Konstante allerdings nicht in Stein gemeißelt, sondern hat eine Unsicherheit ab der achten Kommastelle: Wer es schafft, die Konstante exakt zu bestimmen, definiert das Kilogramm neu.

Alles beim Alten

Egal, wer das Rennen macht: "Der Laie darf davon nichts merken", sagt Steindl. "Ein Kilogramm muss vor und nach dem Stichtag einem Kilogramm entsprechen. Nur hängt die Definition nicht mehr an einem Artefakt, das es nur einmal gibt, sondern an einer Naturkonstante."