Het begin van een nieuw tijdperk

Sinds mei 2019 is de massa van een kilogram niet langer gebaseerd op het Internationale Prototype Kilogram (IPK) in Parijs. Het wordt nu gedefinieerd op basis van fundamentele fysische constanten. METTLER TOLEDO heeft in deze historische verandering een doorslaggevende rol gespeeld.

Hoeveel weegt een kilogram precies? Het Internationale Stelsel van Eenheden (SI) heeft onlangs de basiseenheden voor metingen opnieuw gedefinieerd. Voortaan zijn deze eenheden gebaseerd op fundamentele fysische constanten. 

Tot dusver diende de IPK in Parijs als referentie voor de massa van één kilogram. De massa van de metalen cilinder was echter in de loop van tientallen jaren veranderd. De massa van het IPK en die van de nationale kilogrammen overal ter wereld bleken sterk af te wijken. Voor de metrologie was deze situatie onhoudbaar.

Honderden wetenschappers van over de hele wereld hebben tientallen jaren aan een herziening van de kilogram gewerkt. Talrijke medewerkers van METTLER TOLEDO waren daar vanaf het begin bij betrokken. "Dit is de grootste revolutie voor de metrologie in de afgelopen 200 jaar," aldus Luis Cachon, Head of Legal Metrology van METTLER TOLEDO.

METTLER TOLEDO heeft een belangrijke bijdrage geleverd aan twee oplossingen die de nieuwe definitie ondersteunen. Denk hierbij aan de ontwikkeling van M_one, een massacomparator voor het kalibreren van massa met de hoogste mate van nauwkeurigheid. Nationale metrologische instituten, zoals de bekende Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Duitsland, gebruiken de M_one om de massa van nieuwe, ronde referentievoorwerpen van ultrazuiver silicium te bepalen. Een voordeel van monokristallijn silicium is dat de atomische structuur in het gehele kristal uniform is. Nadat het volume en het oppervlak van een silicium bol is gemeten, kunnen wetenschappers nu vaststellen hoeveel atomen de bol bevat. Zodoende kan de kilogram gedefinieerd worden op basis van het aantal atomen. De definitie is dus niet langer afhankelijk van een lokale referentiemassa. Metrologische instituten overal ter wereld die over deze technologie beschikken, kunnen dit proces dupliceren. “Iedereen die over de apparatuur beschikt, kan in principe zelf een kilogram produceren,” bevestigt Javier Levitt van de Laboratory Division.

Een andere manier om de kilogram te definiëren is het gebruik van een Wattbalans. In het Zwitserse Federale Instituut voor Metrologie (METAS) in Bern gebruiken natuurkundigen een Wattbalans om mechanische en elektrische kracht met elkaar te vergelijken. De balans gebruikt elektromagnetische kracht om een massa te laten zweven. Voor dit experiment wordt een meetcel van METTLER TOLEDO samen met de M_one gebruikt, omdat die onontbeerlijk is om de kilogram over te zetten.

De verschillende nationale metrologische instituten kunnen zelf kiezen welke van de twee methodes ze willen gebruiken. "Doordat alles herleid kan worden op fundamentele fysische constanten, is de kilogram stabieler," aldus Luis Cachon. "De nauwkeurigheidsverbeteringen bij het bepalen van de massa ontwikkelen zich even snel als de technologische vooruitgang."

Voor de consumenten verandert echter niets. Deze herdefinitie heeft geen invloed op het dagelijks leven buiten de metrologische instituten. Wat gebeurt er na 20 mei met het internationale prototype kilogram? Het plan is om deze kilogram nog steeds in het International Bureau voor Gewichten en Metingen (BIPM) te bewaren. De stabiliteit van de massa zal van tijd tot tijd worden gemeten.