Neue Waagen für das neue Kilogramm

Im Herbst 2018 soll das Kilogramm auf Basis einer unveränderlichen Eigenschaft der Natur neu definiert werden. Für die Zeit nach der Neudefinition entwickeln Forscher eine neuartige Waage, die sich direkt auf den neuen Weltstandard beziehen soll.

Planck-Waage
Für die Zeit nach der geplanten Neudefinition des Kilogramms entwickeln Forscher eine neuartige Waage, die sich direkt auf den neuen Weltstandard beziehen soll. © TU Ilmenau
Planck-Waage
Ein Forscher der TU Ilmenau entnimmt ein Gewichtsstück, mit dem die Planck-Waage überprüft werden kann. © TU Ilmenau
Planck-Waage
Ein Wissenschaftler der TU Ilmenau legt ein Gewichtsstück auf den Prototyp der Planck-Waage. © TU Ilmenau

Das internationale Urkilogramm ist seit Jahren das Sorgenkind unter den physikalischen Einheiten: Eigentlich soll der kleine Metallzylinder, der in einem Tresor nahe Paris liegt, den Waagen in aller Welt „sagen“, was genau ein Kilogramm ist. Aus bisher unerklärlichen Gründen verliert das Urkilogramm jedoch an Masse – und ist somit alles andere als zuverlässig. Im Jahr 2018 soll die Einheit Kilogramm daher ein solideres Fundament bekommen: Dann soll eine unveränderliche Naturkonstante, das Plancksche Wirkungsquantum h, die Grundlage der neuen Kilogrammdefinition sein. Für die Zeit nach der Neudefinition entwickeln Forscherinnen und Forscher der Technischen Universität Ilmenau und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig mit finanzieller Unterstützung des Bundesforschungsministeriums eine neue, industrietaugliche Waage – eine sogenannte Planck-Waage, benannt nach Max Planck, dem Begründer der Quantenphysik. Diese soll sich erstmalig ohne Umwege auf den neuen Weltstandard beziehen.

Der Sprung auf die Ebene der Naturkonstante

Urkilogramm
Noch "sagt" der internationale Kilogramm-Prototyp (das "Urkilogramm"), das im Internationalen Büro für Maß und Gewicht (BIPM) in Sèvres bei Paris aufbewahrt wird, den Waagen in aller Welt, was ein Kilogramm ist. Das soll sich im Herbst 2018 ändern: Eine unveränderliche Eigenschaft der Natur soll dann die Grundlage der neuen Definition sein. © PTB/BIPM

Die Planck-Waage arbeitet nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation: Eine Gewichtskraft auf der einen Seite der Waage wird durch eine elektromagnetische Kraft auf der anderen Seite ausgeglichen. Nach dem gleichen Prinzip funktioniert auch die Watt-Waage, mit der US-amerikanische und kanadische Forscher das Plancksche Wirkungsquantum genauestens bestimmen wollen. Auf ihre besonders feinfühligen Waagen, die selbst auf winzige Erschütterungen in der Umgebung reagieren, legen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beispielsweise eine Kopie des Urkilogramms, und justieren den Stromfluss für die elektromagnetische Kraft so lange, bis sich ein Gleichgewicht ergibt. Das Prinzip dahinter ist an sich nicht neu. Der Clou bei beiden Waage-Typen ist jedoch, dass die elektrischen Messungen mittels spezieller Quantenschaltungen erfolgen – und über die Quanteneffekte kommen die unveränderlichen Eigenschaften der Natur ins Spiel, die es erlauben, h zu ermitteln.

Die neue Waage steht in direkter Verbindung zum Weltstandard

Die neue Planck-Waage hat dank dieser Vorarbeiten einen entscheidenden Vorteil gegenüber konventionellen Waagen: „Ob in Pharma- und Biotechlaboratorien oder Landeseichbehörden: Überall braucht man bisher eine Vielzahl an genauestens bekannten Eichgewichten – sogenannte Normale –, um Waagen zu kalibrieren und regelmäßig zu prüfen“, erklärt Thomas Fröhlich von der TU Ilmenau. Ist ab 2018 ein Wert für h in Stein gemeißelt und die Planck-Waage einsatzbereit, wäre das nicht mehr nötig. Denn erstmalig gäbe es dann Waagen, die sich selbst kalibrieren und für Wägungen in der Industrie als Primärnormale eingesetzt werden könnten. Das heißt, sie stünden in direkter Verbindung zum Weltstandard. „Unser Ziel ist es, eine praktische Methode zu entwickeln, die es nicht nur den großen nationalen Metrologie-Instituten wie der PTB erlaubt, mit der neuen Definition des Kilogramms zu arbeiten“, sagt Fröhlich. Durch die Planck-Waage könnte die Praxistauglichkeit der neuen Definition erhöht und langfristig eine höhere Genauigkeit beim Messen erreicht werden. Die deutsche und europäische Wirtschaft könnte so ihre im internationalen Wettbewerb führende Rolle sichern und weiter ausbauen.

Wissenschaftler zählen Atome in einer Siliziumkugel

Kilogramm
Metrologische Forschung braucht (meistens) einen langen Atem. Das Avogadro-Projekt zur Neudefinition von Kilogramm und Mol erstreckt sich über mehr als zwei Jahrzehnte. Im Foto: Das Kugelinterferometer der PTB, mit dem der Durchmesser der aufwendig hergestellten Siliziumkugeln des Projektes bis auf wenige Nanometer genau gemessen werden kann. © Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Forscherinnen und Forscher der PTB und der TU Ilmenau wollen mit ihrer Forschung die Industrie fit für die Zeit nach der Neudefinition des Kilogramms machen. Dabei ist diese noch in vollem Gange: Neben dem Watt-Waagen-Experiment in den USA und Kanada ist auch ein Experiment deutscher Wissenschaftler entscheidend für die geplante Neudefinition. Denn diese wird es nur geben, wenn ein zweites, unabhängiges Experiment einen übereinstimmenden Wert für das Plancksche Wirkungsquantum liefert. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt gehen daher einen alternativen Weg zum gemeinsamen Ziel: Sie zählen im „Avogadro-Experiment“ die Atome in einer nahezu isotopenreinen Siliziumkugel. Dadurch erhalten sie die sogenannte Avogadro-Konstante, mit der sich h ebenfalls errechnen lässt. Zudem schlagen sie zwei Fliegen mit einer Klappe: Denn die Avogadro-Konstante ist nichts anderes als die Anzahl der Atome in einem Mol – also der Einheit der Stoffmenge, die sich somit ebenfalls mit einer unveränderlichen Eigenschaft der physikalischen Welt verknüpfen ließe.

Das einstige Sorgenkind wird zum Musterschüler

Gelingen die Experimente zur Bestimmung von h wie geplant, steht der Neudefinition des Kilogramms im Jahr 2018 nichts mehr im Wege. Das einstige Sorgenkind in der Klasse der sieben Basiseinheiten würde dann endlich zu den Musterschülern Meter und Sekunde aufrücken, die schon seit Jahren durch Naturkonstanten bestimmt werden: So macht sich die Längeneinheit Meter die konstante Geschwindigkeit des Lichts zunutze, während die Sekunde auf einer bestimmten Zahl von Schwingungen in der Elektronenhülle des Cäsiumatoms beruht.

Naturkonstanten für alle

Und was ist mit dem Rest der Klasse? „Naturkonstanten für alle“, dachten sich wohl die Physiker: Im Herbst 2018 treffen sich Expertinnen und Experten aus aller Welt zur Generalkonferenz für Maß und Gewicht in Paris, um auch für die noch fehlenden Basiseinheiten Ampere (Stromstärke), Kelvin (Temperatur), Mol (Stoffmenge) und Candela (Lichtstärke) ein solides Fundament zu beschließen. Im neuen internationalen Einheitensystem sollen sieben Naturkonstanten festgelegte Werte erhalten. Dann wird endlich wahr, wovon Max Planck schon im Jahre 1900 träumte: Natürliche Maßeinheiten, gültig für „alle Zeiten und für alle, auch außerirdische und außermenschliche Kulturen.“

Genauere Messungen erlauben die genauere Realisierung der Einheiten

Während die Neudefinition der Einheiten am Alltag der meisten Menschen nichts ändern wird, bedeutet das neue Einheitensystem einen großen Fortschritt für die Welt der Wissenschaft und Technik. War beispielsweise beim Kilogramm bisher durch die Schwankung der Masse des Urkilogramms die bestmögliche Genauigkeit einer Wägung begrenzt, entfallen im künftigen System alle technischen Barrieren. In Zukunft gilt: Genauere Messungen erlauben die genauere Realisierung der Einheiten – ohne dass sich die Definition ändert.

Das Planck-Waagen-Projekt

Das Bundesforschungsministerium fördert das Planck-Waagen-Projekt im Rahmen der Maßnahme VIP+ mit etwa 1,5 Million Euro. Mit der neuen Hightech-Strategie "Innovationen für Deutschland" hat sich die Bundesregierung das Ziel gesetzt, Ideen aus der Forschung noch schneller in innovative Produkte, Dienstleistungen und Innovationen für die Gesellschaft zu überführen. Die Fördermaßnahme "Validierung des technologischen und gesellschaftlichen Innovationspotenzials wissenschaftlicher Forschung - VIP+" setzt hier an und unterstützt Forscherinnen und Forscher dabei, Forschungsergebnisse systematisch zu validieren und Anwendungsbereiche zu erschließen.