Ein PTB-Wissenschaftler hält in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig (Niedersachsen) eine exakt ein Kilogramm schwere Siliziumkugel vor einen Versuchsaufbau.
Versuchsaufbau mit einer ein Kilogramm schweren Siliziumkugel in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. Die Neudefinition des Kilogramms über Naturkonstanten ist beschlossene Sache. Bildrechte: dpa

Naturkonstanten Beschlossen: Das Kilogramm wird neu definiert

In Versailles haben Meß-Wissenschaftler aus aller Welt die Neudefinition des Kilogramms beschlossen. Das Ur-Kilo, das letzte von Menschen geschaffene Referenznormal, ist damit Geschichte. Naturkonstanten bestimmen künftig unser Gewicht. Zwei Methoden gelten als zukunftstauglich. Am 20. Mai 2019 tritt das neue Einheitensystem offiziell in Kraft.

Ein PTB-Wissenschaftler hält in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig (Niedersachsen) eine exakt ein Kilogramm schwere Siliziumkugel vor einen Versuchsaufbau.
Versuchsaufbau mit einer ein Kilogramm schweren Siliziumkugel in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. Die Neudefinition des Kilogramms über Naturkonstanten ist beschlossene Sache. Bildrechte: dpa

Im französischen Versailles hat am Freitag (16. November 2018) eine Revolution stattgefunden. Auf der Generalkonferenz für Maße und Gewichte haben Meß-Wissenschaftler aus 54 Staaten ein neues System für Maßeinheiten beschlossen. Dem Beschluss zufolge werden Kilogramm (Gewicht), Ampere (Stromstärke), Mol (chemische Stoffmenge) und Kelvin (Temperatur) auf der Grundlage von Naturkonstanten neu definiert. Damit geht es auch dem alten "Herrscher" über unser metrisches Gewichtssystem an den Kragen – dem Ur-Kilogramm.

Probleme mit dem Ur-Kilo

Das Ur-Kilo ist ein 3,9 Zentimeter hoher und 3,9 Zentimeter dicker Metallzylinder, der zu 90 Prozent aus Platin und zu 10 Prozent aus Iridium besteht. Seit 1889 steht das Referenznormal für die Maßeinheit Kilogramm unter drei Glasglocken in einem Tresor des "Internationalen Büros für Maß und Gewicht" (BIPM) in Paris. Für die Ewigkeit, könnte man meinen. Doch das Ur-Kilo wird – keiner weiß warum - immer leichter. 50 Mikrogramm hat es in den zurückliegenden 129 Jahren im Vergleich zu seinen 70 offiziellen Kopien weltweit verloren. Das klingt erstmal nicht viel, wird aber in unserer Hightech-Welt, in der schon in Nanometern (Millionstel Millimeter) oder Femtosekunden (Millionstel einer Milliardstel Sekunde) gemessen wird, mehr und mehr zum Problem.

Kein Platz für Handgemachtes

Autostraße mit Lichtstreifen
In einer technischen Welt, in der Maße und Gewichte anhand von Naturkonstanten wie Lichtgeschwindigkeit definiert werden, ist für menschengemachte Referenznormale kein Platz mehr. Bildrechte: imago/STPP

In einer solchen Welt ist für einen von Menschenhand geschaffenen makroskopischen Referenz-Gegenstand wie das Ur-Kilogramm kein Platz mehr, zumal dieses im Internationalen Einheitensystem (SI) der physikalischen Größen schon lange eine Außenseiterrolle einnimmt. So leiten sich die metrischen Einheiten für Länge oder Zeit längst von Naturkostanten wie Lichtgeschwindigkeit oder Elektronen-Ladungen ab.

So entspricht etwa ein Meter heute der Strecke, die Licht im Vakuum während des 299.792.458-ten Teils einer Sekunde zurücklegt. Eine Sekunde wiederum wird als das 9.192.631.770-fache der Periodendauer von Strahlungsschwingungen an Energieniveau-Übergängen des Cäsium-Isotops 133Cs definiert.

Watt-Waage und Avogadro-Projekt

Auch das Kilogramm soll künftig mit Hilfe solcher Naturkonstanten definiert werden. Zwei Methoden gelten als besonders vielversprechend: die sogenannte Watt-Waage und das Avogadro-Projekt.

Prof. Thomas Fröhlich,  Leiter des Instituts für Prozessmess- und Sensortechnik der TU Ilmenau
An der TU Ilmenau hat ein Team um Prof. Thomas Fröhlich eine Watt-Waage entwickelt. Bildrechte: TU Ilmenau

Bei der Watt-Waage etwa wird mechanische Gewichtskraft auf der einen Seite durch elektromagnetische Kraft auf der anderen Seite ausgeglichen. Vereinfacht gesagt, läuft dabei Strom durch eine Spule und es wird eine Kraft erzeugt, die das Gewicht des zu wiegenden Stücks ausgleicht. Die dabei eingesetzte elektrische Energie lässt sich mithilfe der sogenannten Planck-Konstante genau ermitteln. Diese Naturkonstante, die das Verhältnis von Energie und Frequenz eines Photons beschreibt, ist gewissermaßen die kleinste Energiemenge, die man sich vorstellen kann. Durch sie ist eine exakte physikalische Umrechnung von elektrischer Energie in Kilogramm möglich.

Beim Avogadro-Projekt werden keine mechanischen und elektromagnetischen Leistungen miteinander verglichen. Die Wissenschaftler versuchen vielmehr, das Kilogramm über das Zählen von Atomen einer hochreinen Silizium-Kugel möglichst exakt zu bestimmen.

Am 20. Mai 2019 hat das Ur-Kilo endgültig ausgedient

Ur-Kilogramm in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt PTB in Braunschweig
Eine exakt ein Kilogramm schwere, hochreine Siliziumkugel in der PTB in Braunschweig. Bildrechte: dpa

Welche der Methoden künftig über die Bestimmung unseres Kilogramms entscheiden wird, steht bislang nicht fest. Bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig geht man davon aus, dass sowohl die Watt-Waage als auch die Avogadro-Methode das Ur-Kilo am 20. Mai 2019 ablösen werden. Dann nämlich soll das neue Einheitensystem in Kraft treten. Staaten könnten dann wählen, nach welcher Methode sie künftig ein Kilogramm bestimmen, heißt es bei der PTB.

Dass wir dann beim Wiegen auf der Personenwaage spürbar leichter oder schwerer als bisher werden könnten, davon ist aber nicht auszugehen. Die Änderungen seien im täglichen Leben nicht bemerkbar, sagt PTB-Sprecher Jens Simon. Allerdings würden Mängel des bisherigen Systems beseitigt und eine universelle Sprache für eine hochtechnische Welt geschaffen.

Zuletzt aktualisiert: 16. November 2018, 13:41 Uhr