Neues Urkilo für eine Million Euro
Eigentlich tritt die neue Definition für das Kilogramm erst im Mai nächsten Jahres in Kraft. Taiwan und andere Länder sind aber bereits jetzt an der teuren, auf Hochglanz polierten Ein-Kilo-Kugel interessiert, deren Gewicht über diese Neudefinition bestimmt wurde.
Neudefinition ist wie Rezept: Jederzeit nachzumachen
Die Masse der Kugel mit einem Durchmesser von 9,4 Zentimetern leitet sich nach der künftigen Definition von einer Naturkonstanten ab - genauer vom Planck’schem Wirkungsquantum, also vom Verhältnis von Energie und Frequenz eines Photons. Vereinfacht gesagt haben die Forscher herausgefunden, wie viele Silizium-28-Atome in einer Ein-Kilo-Kugel stecken müssen. „Das heißt, wir können das exakte Gewicht dieser Kugel bestimmen und nach diesem Rezept jederzeit wieder eine exakte Kugel herstellen“, erklärt der deutsche Physiker Arnold Nicolaus, der an der neuen Definition maßgeblich mitgearbeitet hat.
Ö1-Sendungshinweis
Diesem Thema widmet sich auch ein Beitrag im „Ö1-Mittagsjournal“ am 28.3.2018, 12 Uhr.
Bis dato wird das Kilogramm und damit alle Masse dieser Welt von einem einzigen Gewicht in Paris abgeleitet. Seit 1889 bestimmt es, wie schwer ein Kilo ist. Mit der neuen Definition muss man nun nicht mehr alle Gewichtsstücke dieser Welt mit dem Kilo aus Paris vergleichen, sondern kann die Masse einer Si-28-Kugel eben ausrechnen. Noch ist das aber nicht offiziell. Erst nächstes Jahr wird die Siliziumkugel aus hochreinen Silizium-28-Isotopen das Pariser Urkilogramm ablösen.
Hutsteiner/ORF
Glatt und spiegelnd: exakt ein Kilogramm schwere Silizium-Kugel
Eine Million ist quasi geschenkt
Taiwan wollte so lange nicht warten und hat bereits jetzt eine Kugel für eine Million Euro gekauft - ein Sonderpreis, wie Nicolaus von der Physikalisch Technischen Bundesanstalt in Braunschweig erklärt, jener Ort, an dem die Millionenkugel hergestellt wurde. „Es ist einfach das Ursprungsmaterial so teuer. Das heißt, die Kugel kostet wegen des Materials eine Million Euro.“ 20 Jahre Forschung und Bearbeitung des Siliziumkristalls sind demnach also geschenkt.
Die PTB erwartet sich dafür aber eine „Gegenleistung“, so Nicolaus. „Wir erhoffen uns einen wissenschaftlichen Informationsaustausch über den Gebrauch der Kugel, über die Einfachheit der Benutzung, Daten aus eigenen Messungen und dergleichen.“
Billigere Kugel für Österreich
Zwar sind sich die Forscher sicher, dass die Kugeln besonders robust und kratzfest sind und auch in 200 Jahren auf das Atom genau noch gleich viel wiegen. „Trotzdem ist es interessant, wenn andere Länder entweder dieselben Erfahrungen machen oder einen Effekt feststellen, den wir nicht gesehen haben. Etwa, weil die klimatischen Voraussetzungen anders sind.“ Das Ziel sei es letztlich, einen internationalen Austausch zwischen allen Ländern zu schaffen, die eine Siliziumkugel besitzen. Die nächsten Interessenten haben sich mit Russland und Südafrika bereits angekündigt, so der Physiker.
Es geht aber auch billiger als eine Million. So gibt es etwas weniger perfekte Kugeln, die aus gemischten Silizium-Isotopen bestehen - also nicht nur aus Silizium-28 sondern auch aus Isotopen mit der Nummer 27 oder 29. Eine solche Kugel hat nun auch das österreichische Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen erworben. Bezüglich ihrer Messunsicherheit unterscheidet sich eine solche Kugel kaum, erklärt Nicolaus. Der Preis liegt laut dem Physiker aber nur bei bis zu 100.000 Euro.
Wattwaage als Alternative
Abgesehen von der Kugel gibt es auch noch ein weiteres Experiment, mit dem man die Masse von einem Kilogramm künftig über die Naturkonstante bestimmen kann - die Wattwaage. Eine solche besitzen neben der Schweiz auch die USA und Kanada. Anstatt die Masse eines Kilos von einer bestimmten Anzahl von Atomen abzuleiten, misst die Waage, wie viel elektromagnetische Leistung notwendig ist, um das Gewicht von einem Kilo waagrecht zu halten. Auch sie verknüpft das Planck‘sche Wirkungsquantum mit der Masse eines Gegenstandes.
Für das tägliche Leben wird sich durch die neue Definition in jedem Fall nichts ändern, vergewissern die Forscher. Ein Kilo Mehl wird auch im Mai nächsten Jahres noch gleich schwer sein. Sein Gewicht leitet sich nur über eine fixe Naturkonstante ab.
Damit setzen die Wissenschaftler einen Weg fort, der bereits bei anderen Einheiten wie der Sekunde und dem Meter begonnen wurde. So definiert sich die Länge eines Meters seit den 1980er Jahren danach, welche Strecke das Licht in einer bestimmten Zeit zurücklegt. Wie spät es wiederum ist, bestimmen seit 1967 hochpräzise Atomuhren.
Ruth Hutsteiner, Ö1-Wissenschaft