Internationales Einheitensystem SI-System bekommt neues Fundament

Das Ur-Kilogramm gehört der Vergangenheit an – Metrologen weltweit haben für alle SI-Einheiten eine neue Grundlage auf Basis von Naturkonstanten bestimmt. Die TU Ilmenau hat bereits eine Waage konstruiert, um das „neue Kilogramm“ zu messen.

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Zum Weltmetrologietag am 20 Mai bekommen die SI-Einheiten ein neues Fundament. Ein Satz von Naturkonstanten mit festgelegten Werten bildet nun die Grundlage für die Definitionen aller Einheiten. Die Idee, eine Maßeinheit auf der Basis von Naturkonstanten zu definieren, ist prinzipiell nicht neu. Was bei der Definition der Sekunde mittels Atomuhren vor 50 Jahren und bei der Definition des Meters mithilfe der Lichtgeschwindigkeit vor über 30 Jahren begonnen wurde, wird nun für alle Einheiten im Internationalen Einheitensystem fortgesetzt. Vier weitere Konstanten spielen dabei die Hauptrollen: die Planck-Konstante h, die Avogadrokonstante N_A, die Boltzmann-Konstante k und die Ladung des Elektrons e.

Warum die SI-Einheiten eine neue Grundlage brauchen

Viele bisherigen Bezugspunkte der SI-Einheiten verändern sich. Das Ur-Kilogramm beispielsweise – ein 4 cm kleiner Zylinder aus Platin und Iridium, der seit 1889 unter drei Glasglocken in einem Tresor bei Paris steht – wird immer leichter. In hundert Jahren hat es 50 Millionstel Gramm verloren. Da sich alle Waagen auf der ganzen Welt über Umwege auf dieses Unikat beziehen, wird allenthalben, wenn auch nur minimal, falsch gewogen. Benötigt wurde ein neuer Standard, der sich niemals verändert, nicht beschädigt werden oder gar gestohlen und verloren gehen kann. Und es ist für heutige Anwendungen oft nicht genau genug, denn das Kilogramm legt nur einen Punkt auf der Masseskala fest.

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Die Generalkonferenz für Maß und Gewicht in Paris verabschiedete im November 2018 ein neues „Kilogramm“ – eines, das nicht mehr über einen Gegenstand, eine physische Masse, definiert wird, sondern über eine Naturkonstante: die Planck-Konstante h. Gleiches gilt auch für andere Einheiten. Das komplett neu definierte Einheitensystem beseitigt die Mängel des bisherigen Systems, wobei die Änderungen im täglichen Leben nicht bemerkbar sind. Für die Technik zeigen sich die Fortschritte als Langzeitwirkung. Für die Wissenschaft tritt der Fortschritt dagegen sofort mit den Neudefinitionen ein. Und ein weiterer Vorteil ist überzeugend: Naturkonstanten gelten überall. Damit bildet das neue SI gewissermaßen eine universelle Sprache, auf die sich die Weltgemeinschaft nun verständigt hat.

Es mag nicht sofort spürbar sein, aber das neue Einheitensystem ist offener für Innovationen als das bisherige. Früher legte das Urkilogramm genau einen einzigen Punkt auf der Masseskala fest. Das führt dazu, dass es links und rechts dieses Punktes im Prinzip stets unsicherer wurde. In Zukunft lassen sich dann beliebig viele Punkte auf der jeweiligen Skala neu realisieren. Das könnte der Start sein für neue Entwicklungen rund ums Messen und Kalibrieren.

Neue, hochpräzise Waage misst das „neue Kilogramm“

Nun gilt es, die damit verbundenen Chancen in praktischen Anwendungen zu nutzen. Dazu bedarf es jedoch noch enormer Entwicklungsleistungen für völlig neue Werkzeuge – Werkzeuge wie die an der Technischen Universität Ilmenau gemeinsam mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt entwickelte weltweit erste industrietaugliche Waage für das „neue Kilogramm“: die Planck-Waage. Sie erzielt jetzt einen Genauigkeitsbereich, der sonst nur in nationalen Metrologiebehörden wie die Physikalisch-Technische Bundesanstalt für Deutschland erreicht werden kann.

Der Name „Planck-Waage“ spielt auf die Planck-Konstante h an, auf die sich ab sofort das neue Kilogramm bezieht. Nachdem der Wert von h nach jahrelangen Forschungsanstrengungen international festgelegt wurde, können Massen allein über die Messung elektrischer Größen bestimmt werden. Die Forscher der TU Ilmenau machten sich dies bei der Entwicklung der Planck-Waage zunutze. Die hochpräzise Waage funktioniert nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation. Vereinfacht gesagt wird ein zu wiegendes Massestück auf der einen Seite der Waage durch eine elektrische Kraft auf der anderen Seite aufgewogen. Diese elektrische Kraft ist untrennbar mit der Planck-Konstante verbunden und lässt sich so unmittelbar auf die neue Kilogramm-Definition zurückführen.

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Neue Waage für viele Industriebranchen

Institutsleiter Professor Thomas Fröhlich, der das Entwicklungsteam der Planck-Waage leitete, erklärt: „Jedes Gewicht auf der Waage wird über eine Spule ausgeglichen und kann mit Hilfe elektrischer Kräfte vermessen werden. Damit kann die Planck-Waage stufenlos jedes Gewicht auf das Genaueste messen. Sie ist somit nicht nur in der Lage, sich mittels Referenzgewichten selbst zu kalibrieren, sondern auch in vielen Bereichen, bei denen es auf höchste Messgenauigkeit ankommt, beispielsweise bei der Herstellung von Medikamenten, für unterschiedlichste Messungen auch kleinster Mengen einsetzbar.“ Derzeit ist die Waage für präziseste Messungen beliebiger Gewichte im Messbereich von einem Milligramm bis hundert Gramm einsetzbar.

Die Planck-Waage ist auf den Einsatz in breiten Industriebranchen ausgelegt. Von Herstellern von Präzisionswagen über Kalibrierlabore bis zur Medizin und Biotechnologie besteht ein hoher Bedarf an Waagen, die in der Lage sind, bis auf das Mikrogramm, also sechs Stellen hinter dem Komma, genau und beliebig wiederholbar einheitliche Messergebenisse zu erzielen. Mit der Planck-Waage steht unmittelbar mit Inkrafttreten des neuen Internationalen Einheitensystems eine Waage zur Verfügung, die die Chancen der neuen SI-Einheit Kilogramm weltweit nutzbar für die Praxis macht.

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