Der Beginn einer neuen Ära

Seit Mai 2019 wird die Masse eines Kilogramms nicht mehr auf das Urkilogramm in Paris zurückgeführt, sondern über Naturkonstanten definiert. An dieser historischen Veränderung hat METTLER TOLEDO massgeblich mitgewirkt. 

Was ist ein Kilogramm? Bislang diente das Pariser Urkilogramm als Referenz für die Masse von einem Kilogramm. Doch der Metallzylinder, der seit Ende des 19. Jahrhundert in einem Tresor bei Paris aufbewahrt wurde, hatte im Laufe der Jahrzehnte seine Masse verändert. Das Urkilogramm und die Massen der weltweit genutzten nationalen Kilogramme drifteten unkontrolliert auseinander. Das war für die Metrologie ein unhaltbarer Zustand.

Vor kurzem trat deshalb das revidierte internationale Einheitensystem (SI) in Kraft. Es definiert das Kilogramm als Einheit der Masse auf eine neue Art und Weise.

Rund um den Globus haben Wissenschaftler über Jahrzehnte an der Revision gearbeitet. Auch bei METTLER TOLEDO waren zahlreiche Mitarbeitende involviert. „Das ist die grösste Revolution, die die Metrologie seit über 200 Jahren erlebt hat“, sagt Luis Cachon, Head of Legal Metrology bei MT.

METTLER TOLEDO hat massgeblich an zwei Lösungen mitgearbeitet, welche die neue Definition unterstützen. Zum einen durch die Entwicklung des M_one, einem Komparator für die Massenkalibration der höchsten Genauigkeitsstufe. Nationale Metrologie-Institute, wie zum Beispiel die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Deutschland, nutzen den M_one, um die Masse neuer kugelförmiger Referenzobjekte aus hochreinem Silizium zu ermitteln. Monokristallines Silizium bietet den Vorteil, dass seine Atomstruktur durch den gesamten Kristall hindurch gleichmässig angeordnet ist. Nach der Messung von Volumen und Oberfläche einer Siliziumkugel können Wissenschaftler die Anzahl ihrer Atome bestimmen. Das Kilogramm kann dann über die Anzahl seiner Atome definiert werden. Diesen Vorgang können entsprechend ausgerüstete Metrologie-Institute weltweit durchführen. „Jeder der über die Ausrüstung verfügt, kann quasi sein eigenes Kilogramm herstellen“, bestätigt Luis.

Eine weitere Möglichkeit, das Kilogramm zu realisieren, ist der Einsatz einer Wattwaage. Am Eidgenössischen Institut für Metrologie (METAS) in Bern verwenden Physiker eine solche Waage, die mechanische mit elektrischer Leistung vergleicht. Mithilfe von elektromagnetischer Kraft hält die Waage eine Masse in der Schwebe. Auch in diesem Experiment kommt eine Messzelle von METTLER TOLEDO zum Einsatz, sowie der M_one, der für die Weitergabe des Kilogramms unerlässlich ist.

Welche der beiden Varianten die nationalen Metrologie-Institute in Zukunft anwenden, bleibt ihnen überlassen. „Insgesamt sorgt die Rückführung auf Naturkonstanten dafür, dass die Einheit des Kilogramms stabiler wird“, freut sich Luis Cachon. „Die Genauigkeit von Massebestimmungen verbessert sich parallel zum technischen Fortschritt.“ 

Für Verbraucher ändert sich nichts. Die Redefinition macht sich ausserhalb der Metrologie-Institute nicht bemerkbar. Doch was passiert nach dem 20. Mai mit dem Pariser Urkilogramm? Es soll an seinem derzeitigen Aufbewahrungsort, dem Internationalen Büro für Mass und Gewicht (BIPM), bleiben. Sporadisch soll seine Massenstabilität gemessen werden.