Neudefinition des Kilogramms - Revision von SI-Basiseinheiten
White Paper

Neudefinition des Kilogramms

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Revision von SI-Basiseinheiten

Neudefinition des Kilogramms - Revision von SI-Basiseinheiten
Neudefinition des Kilogramms - Revision von SI-Basiseinheiten

Die Einheit der Masse, das Kilogramm, ist die letzte SI-Maßeinheit, die von einem physischen Artefakt, statt durch eine mathematische Konstante definiert ist. Im Jahr 1889, hat die erste Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) den internationalen Kilogrammprototyp (Urkilogramm) als Definition der Maßeinheit anerkannt. Dies ist bis heute so gültig. In der Vergangenheit bedeutete das, dass die Messgenauigkeit der Masse vollständig auf einem physischen Objekt beruhte, dass trotz hochstehender Sicherheitsmaßnahmen anfällig ist, sich mit der Zeit zu verändern.

Somit war eine neue Definition des Kilogramms nötig und sicherzustellen, dass die Maßeinheit unabhängig von einem physischen Objekt und somit vollständig stabil, genau und unabhängig von Ort und Zeit verfügbar ist. Wissenschaftler der gesamten Welt waren an diesem bahnbrechende Forschungsprojekt beteiligt, der Neudefinition des Kilogramms.

Die Neudefinition des Kilogramms ist Teil der größten Erneuerung des Internationalen Einheitensystems (SI) seit seiner Einführung im Jahr 1960. Dieses Whitepaper erklärt den Hintergrund der Neudefinition und die Auswirkungen, die sie auf die Welt des Wägens hat. Laden Sie das Dokument herunter und lernen Sie, welche Schritte bisher unternommen wurden und wie diese Änderung implementiert wird und welche Konsequenzen daraus erwachsen.

Lesen Sie die untenstehenden “häufig gestellten Fragen“ und finden Sie z.B. heraus, wann die Neudefinition stattfindet, was mit dem „alten“ Kilogramm passiert und welche Konsequenzen für Anwendungen des Wägens in Labor und Industrie im Anschluss an die Neudefinition des Kilogramms bestehen.

1. Warum spricht man von einer “Neu-Definition”?

Jede Basiseinheit im SI hat eine eindeutige Definition. Die Definition der Einheit Kilogramm, die bis 2018 gültig ist, basiert auf dem Internationalen Kilogrammprototyp (IPK, Urkilogramm). Weil ein solches Objekt naturgemäß unstabil ist, werden Anstrengungen unternommen, die heutige Definition durch eine stabilere zu ersetzen. Daher die Bezeichnung „Neudefinition“.

2. Warum ist die Neudefinition des Kilogramms nötig?

Die Neudefinition des Kilogramms ist au seiner Reihe von Gründen erforderlich. Die anschaulichsten sind:

1. Die Masse des Urkilogramms, das in Paris aufbewahrt wird, ist nicht stabil und es ist unmöglich, diese Instabilität zu quantifizieren

2. Diese primäre Referenz ist nur am BIPM-Labor in Paris zugänglich

3. Eine globale Mess-Einheit über einen einzigen Gegenstand festzulegen, ist ein großes Risiko (Beschädigung, Verlust).

4. Nicht quantifizierbare Veränderungen in der Masse, beeinflussen das Ampere, das Mol und das Candela, die zur Zeit noch vom Kilogramm abhängig sind.

 

Die neue Definition wird alle diese Probleme nicht haben.

3. Welche Änderungen muss man für Wägeresultate erwarten?

Der Wert der Planck-Konstante, auf die sich die neue Kilogramm-Definition beziehen wird, wurde so ausgewählt, dass zum Zeitpunkt der Neudefinition keine Veränderung in der Masse-Einheit erfolgt und Wägeresultate in keiner Weise beeinflusst werden.

4. Muss ich alle meine Waagen neu kalibrieren um mit der neuen Kilogramm-Definition konform zu sein?

Da die neue Definition des Kilograms den Wert der Einheit nicht ändert, gibt es keinen Anlass, Wägeinstrumente, wie z.B. Waagen, neu zu kalibrieren.

5. Muss ich alle meine Gewichte neu kalibrieren um mit der neuen Kilogramm-Definition konform zu sein?

Da die neue Definition des Kilograms den Wert der Einheit nicht ändert, gibt es keinen Anlass, Wägeinstrumente, wie z.B. Gewichte, neu zu kalibrieren.

6. Werden die Kosten für Kalibrierungen steigen?

Die neue Definition des Kilogramms wird keinen Einfluss auf handelsübliche Kalibrierungen haben.

7. Wenn es kein Urkilogramm mehr gibt, wird dann das Kilogramm überall gleich sein?

Das Konsultativ-Komitee für Masse (CCM), das die Neudefinition beaufsichtigt, stellt durch eine Reihe von internationalen Ringvergleichen sicher, dass die Einheit der Masse weltweit einheitlich ist.

8. Welche Vorteile bringt die Neudefinition des Kilogramms?

Eine Neudefinition in Form einer Naturkonstante hat zwei große Vorteile:

1. Die SI-Einheit der Masse wird nach der Neudefinition perfekt stabil sein. Somit können Veränderungen an Primärreferenzen (einschliesslich des Urkilogramm) gegenüber dem neu-definierten Kilogramm (durch Watt-Waage und Avogadro-Experiment) überwacht werden.

2. Die Rückführbarkeit muss nicht länger vom Urkilogramm bezogen werden und somit können NMI’s (theoretisch) ihre eigenen Masse-Skalen ausgehend von Kibble-Waagen- (Wattwagen-) oder Avogadro-Experimenten ableiten.

 

(Quelle: EURAMET).

9. Wie kann man die neue Kilogramm-Definition erklären?

Es trifft zu, dass die neue Definition des Kilogramms viel abstrakter ist als einfach einen Prototyp als Definition zu benützen. Eine Möglichkeit der Erklärung ist folgende:

 

Wenn die Planck-Konstante auf den exakten Wert von 6.626 070 15×10−34 s−1·m2·kg fixiert wird und "s" und "m" ebenfalls fixiert sind, dann wird dadurch „kg“ ebenso fixiert. Dadurch wird, wenn man den erwähnten Wert für die Planck-Konstante benützt, das Kilogramm festgelegt.

10. Was wird mit den Urkilogramm geschehen? Wird es ausgemustert, oder wird es Vergleiche zwischen den drei Methoden geben?

Sobald die Definition des Kilogramms auf einer unveränderliche Naturkonstante beruht anstelle eines Artefaktes, ist es theoretisch möglich die SI Einheit der Masse an jedem Ort, zu jeder Zeit und von jedermann zu realisieren. Somit wird das Urkilogramm seine Funktion verlieren, aber es wird weiterhin in Experimenten benützt werden.

11. Wann wird die Neudefinition des Kilogramms stattfinden?

Im November 2018 wird die CGPM (Generalkonferenz für Maß und Gewicht) voraussichtlich die Neudefinition formell beschließen und sie wird in Kraft gesetzt am 20. Mai 2019

12. Wie wird die Planck-Konstante in der Praxis mit einem Gewichtstück verbunden?

Es gibt zwei physikalische Laborexperimente zur Realisierung des Kilogramms in Bezug auf die Planck-Konstante, die XRCD- (Avogadro-) Kugel und die Wattwaage (Kibble-Waage). Wenn der festgelegte Wert der Planck-Konstante in den Berechnungen verwendet wird, kann mit diesen Experimenten die Masse eines physikalischen Körpers bestimmt werden.

13. Muss man wegen der Neudefinition irgendeine Veränderung im industriellen oder Labor-Wägen erwarten? Müssen wir SOP’s umschreiben?

Die Neudefinition beeinflusst nur die Realisierung der Einheit Kilogramm am obersten Ende der Rückführbarkeits-Kette. Alle anderen Kalibrierprozeduren bleiben unbeeinflusst, so z.B. die Kalibrierung von Gewichtstücken oder die Kalibrierung von Wägeinstrumenten wie Waagen.

14. Werden die Kalibrierunsicherheiten nach der Neudefinition noch die gleichen sein?

Als die neue Definition des Kilogramms und die Akzeptanzkriterien für ihre Umsetzung festleget wurden, wurde besondere Aufmerksamkeit darauf gelegt, dass keine bedeutsame Erhöhung der Unsicherheit entlang der Rückführbarkeitskette erfolgt. Obwohl es eine kleine Erhöhung am Beginn der Kette gibt, wird dies durch die nationalen Metrologie-Institute berücksichtigt werden und Kalibrierzertifikate für Gewichte und Wägeinstrumente werden von der Neudefinition nicht beeinflusst werden. 

15. Gibt es irgendwelche Nachteile der neuen Definition des Kilogramms?

Gegenwärtig gibt es noch einige ungelöste Themen in Bezug auf die Neudefinition des Kilogramms. Die Unsicherheit, mit der die Masseskala realisiert werden kann, wird von null (die derzeitige Unsicherheit des Urkilogramms) auf 2E08 (das Ziel der Unsicherheit für die Redefinitions-Experimente) ansteigen. Dieser Anstieg entspricht 20 μg in Bezug auf ein Kilogramm-Gewichtsstück.

 

Ein weiteres Problem ist, dass sowohl die XRCD als auch die Kibble-Waage-Realsierung in Vakuum ablaufen, aber die derzeitige Masseskala wird in Luft realisiert und weitergegeben. Dieser Vakuum-Luft-Übergang wird eine weitere Unsicherheitskomponente zur Weitergabe hinzugügen, da man weiß, dass dass Vakuum-Luft-Transfer von Massestücken deren Massewert verändert.

 

Die Herausforderung für NMI’s ist, diese und andere Unsicherheitskomponenten zu charakterisieren und zu minimieren um sicherzustellen, dass die für die Kunden verfügbaren besten Messunsicherheiten so wenig wie möglich beeinflusst werden.

 

(Angepasste Version von EURAMET).

16. Welche ist die bessere Realisierung, die Avogadro-Kugel oder die Wattwaage?

Beide Experimente sind geeignet. Tatsächlich war es eine Bedingung für die Neudefinition, das zwei unterschiedliche Experimente konsistente Ergebnisse liefern. Beide Experimente sind als gültige Experimente, die neue Kilogramm-Definition umzusetzen, anerkannt.

17. Ich benütze Waagen in eichpflichtigen Anwendungen. Muss ich mit irgendwelchen Änderungen durch die Neudefinition des Kilogramms rechnen?

Da die Neudefinition so gestaltet wird, dass sich die Maßeinheit nicht ändert, gibt es keinen Anlass für Maßnahmen.

18. Wenn die Realisierungen des Kilogramms unabhängig voneinander in verschiedenen Labors auf der Welt durchgeführt werden, we kann man sicher sein, dass ein Kilogramm überall dasselbe ist?

Diese Frage kann nicht allein auf das Kilogramm bezogen werden: Nationale Metrologie-Institute nehmen regelmäßig an Ringvergleichen teil um sicherzustellen dass alle Maßeinheiten weltweit konsistent sind. Im Falle des Kilogramms hat man besondere Vorsicht walten lassen um in der Start-Phase der Neudefinition und deren Implementierung die Konsistenz sicherzustellen.

19. Gibt es nur zwei Methoden für die Realisierung des Kilogramms?

Die Bedingung für jede Methode zur Realisierung des Kilogramms nach der neuen Definition ist, dass sie die fixierten Werte der Naturkonstanten des SI benützt. Zur Zeit gibt es zwei Methoden, die diese Anforderung erfüllen, das sind die Kibble- (Watt-) Waage und die XRCD- (Avogadro-Kugel-) Methode. In der Zukunft könnten andere Methoden entwickelt werden, aber sie sind zum heutigen Tag unbekannt.

20. Wie funktioniert die Kibble-Waage?

In der Kibble-Waage werden mechanische und elektrische Leistung gleichgesetzt (daher auch die andere Bezeichnung „Watt-Waage“). Sie wird in Vakuum betrieben und verbindet die Masse eines Gewichtstückes mit der Planck-Konstante.

21. Wie funktioniert das XRCD-Experiment?

Grundlage für das XRCD- (Xray Crystal Density) Experiment ist eine monokristalline und monoisotopische Siliziumkugel. Deren Masse wird bestimmt durch die Berechnung der Anzahl der Atome in der Kugel und die Bestimmung der Masse der Kugel mit Hilfe der fixierten Werte der Planck- und Avogadro-Konstanten und der Elekronenmasse.

22. Wird nur eine geringe Anzahl Labors diese Methoden implementieren, oder rechnet man damit, dass viele Labors, auch Eichbehörden, diese benützen?

Sowohl die Watt-/Kibble-Waage als auch das Avogadro-/XRCD-Experiment erfordern einen erheblichen Aufwand an Ressourcen in den Labors. Es kann deshalb heute nicht gesagt werden, wie viele Labors sich dafür entscheiden, ihre eigenen Experimente zu betreiben und auf welchem Qualitätsniveau dies geschehen wird.

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