Auf zum neu­en Ki­lo­gramm!

2018 soll ei­ne neue De­fi­ni­ti­on für die Ein­heit der Mas­se be­schlos­sen wer­den, vor al­lem zwei Me­tho­den sind im Ren­nen: Ato­m­e­zäh­len und die Watt­waa­ge.

Die Presse am Sonntag - - Wissen - VON THO­MAS KRAMAR

Das Ki­lo­gramm ist ein Kind der Fran­zö­si­schen Re­vo­lu­ti­on: Wie der Me­ter wur­de es mit dem Ge­setz vom 19. Fri­mai­re 8 zur ge­setz­li­chen Ein­heit er­klärt. Sei­ne Ver­kör­pe­rung in Pla­tin war der Na­tio­nal­ver­samm­lung schon am 4. Mes­si­dor 7 über­ge­ben wor­den. Die­se Da­ten schrei­ben wir heu­te lie­ber als 10. De­zem­ber 1799 bzw. 22. Ju­ni 1799, auch in Frank­reich gilt seit 1806 wie­der die al­te Zeit­rech­nung, die die Jah­re ab Chris­ti Ge­burt zählt und die Mo­na­te la­tei­nisch nennt.

Doch bei den Ma­ßen für Mas­se und Län­ge hat sich die Re­vo­lu­ti­on dau­er­haft durch­ge­setzt. Mit der Idee, dass Ein­hei­ten nicht von ir­gend­wel­chen Fürs­ten lo­kal de­fi­niert wer­den sol­len – vom preu­ßi­schen Klaf­ter über die Bra­ban­ter El­le bis zur pol­ni­schen Un­ze –, son­dern uni­ver­sell gül­tig sein sol­len. Und auf uni­ver­sel­len Grö­ßen fu­ßen.

Zu­min­dest auf glo­ba­len. So wur­de der Me­ter – den man­che lie­ber mit dem säch­li­chen Ar­ti­kel se­hen, den es im fran­zö­si­schen Ori­gi­nal aber nicht gibt – als Zehn­mil­li­ons­tel der Län­ge ei­nes Erd­me­ri­di­ans de­fi­niert. Das Ki­lo­gramm wur­de über Um­we­ge von ihm ab­ge­lei­tet, über die Be­zie­hung Mas­se ist Dich­te mal Vo­lu­men: Ein Ku­bik­de­zi­me­ter Was­ser (ein Li­ter) wiegt ein Ki­lo­gramm. So rech­net man in der Kü­che bis heu­te, der Phy­sik ist das zu un­ge­nau. Schon weil sich die Dich­te des Was­sers mit der Tem­pe­ra­tur än­dert. Die Pa­ri­ser Ge­setz­ge­ber leg­ten sich auf die Tem­pe­ra­tur von vier Grad Cel­si­us fest (bei der Was­ser die größ­te Dich­te hat), in Wirk­lich­keit aber auf den Zy­lin­der aus Pla­tin, als den sie ih­re neue Ein­heit ver­kör­per­ten: das ers­te Ur­ki­lo­gramm, das Ki­lo­gram­me des Ar­chi­ves, auf­be­wahrt mit sei­nem Pen­dant, dem M`et­re des Ar­chi­ves.

1889, ein Jahr­hun­dert nach Be­ginn der Re­vo­lu­ti­on, war dar­aus der In­ter­na­tio­na­le Ki­lo­gramm­pro­to­typ ge­wor­den, ge­fer­tigt in­zwi­schen aus ei­ner Pla­tin-Iri­di­um-Le­gie­rung. Es gilt bis heu­te. Phy­sisch ruht es in ei­nem drei­fach ge­si­cher­ten Schrank im Bu­reau In­ter­na­tio­nal des Po­ids et Me­su­res in Se­v­res` bei Pa­ris, al­le 55 Mit­glied­staa­ten der (be­reits 1875 be­schlos­se­nen) Me­ter­kon­ven­ti­on ha­ben ei­ne Ko­pie da­von. So ist das Ki­lo­gramm ganz of­fi­zi­ell als Mas­se des In­ter­na­tio­na­len Ki­lo­gramm­pro­to­typs de­fi­niert.

Das ist un­be­frie­di­gend. Ers­tens er­in­nert es un­schön an die pol­ni­sche Un­ze und der­glei­chen. Zwei­tens hängt es an ei­nem ein­zi­gen Ge­gen­stand, der da­durch im­men­sen – wenn auch, wohl zum Leid­we­sen der fran­zö­si­schen Re­gie­rung, nicht bud­get­re­le­van­ten – Wert er­hält: „Das Pro­blem mit dem Ki­lo­gramm in Pa­ris ist, dass es so wert­voll ist, dass die Leu­te es nicht ver­wen­den wol­len“, sagt Ste­phan Schlammin­ger, Phy­si­ker am Na­tio­nal In­sti­tu­te of Stan­dards and Tech­no­lo­gy (NIST) in Gait­hers­burg, Ma­ry­land, der für Fra­gen der Stan­dar­di­sie­rung in den USA zu­stän­di­gen Be­hör­de. Die Vor­sicht ist ver­ständ­lich: Je­der Fin­ger­ab­druck ver­än­dert die Mas­se des Pro­to­typs, und von des­sen Kon­stanz ist das Ki­lo­gramm ab­hän­gig. Zu oft ge­putzt? Auf die­se Kon­stanz ist aber kein Ver­lass. An­fang der 1990erJah­re stell­te man fest, dass das Ur­ki­lo (die le­ge­re Ab­kür­zung sei er­laubt) im Ver­gleich zu den Ko­pi­en in hun­dert Jah­ren um 50 Mi­kro­gramm leich­ter ge­wor­den war. War es zu oft ge­putzt wor­den? Das nicht, sa­gen sei­ne Hü­ter. Mög­lich wä­re, dass in der Le­gie­rung ein biss­chen Was­ser­stoff ein­ge­schlos­sen war, und der kann na­tür­lich ent­wei­chen. 2013 dia­gnos­ti­zier­ten Me­tro­lo­gen (für das Mes­sen zu­stän­di­ge For­scher) ganz kon­trär, dass das Ur­ki­lo zu­ge­nom­men ha­be: Sehr dün­ne Schich­ten von Koh­len­was­ser­stof­fen hät­ten sich an die Ober­flä­che des Zy­lin­ders an­ge­la­gert.

So kann’s nicht wei­ter­ge­hen. Und so soll 2018 bei der al­le vier Jah­re statt­fin­den­den Ge­ne­ral­kon­fe­renz für Maß und Ge­wicht – an der al­le Mit­glied­staa­ten der Me­ter­kon­ven­ti­on teil­neh­men – ei­ne neue De­fi­ni­ti­on für das Ki­lo­gramm be­schlos­sen wer­den, orts- und zeit­un­ab­hän­gig, wo­mög­lich auf Na­tur­kon­stan­ten auf­bau­end. So ei­ne De­fi­ni­ti­on gibt es für den Me­ter seit 1983: Ein Me­ter ist die Stre­cke, die Licht im Va­ku­um in 1/299792458 Se­kun­den durch­läuft. (Da­vor, ab 1960, war es als ein Viel­fa­ches der Wel­len­län­ge der Strah­lung de­fi­niert, die ein Kryp­ton-Atom bei ei­nem be­stimm­ten Über­gang aus­sen­det.) Die Licht­ge­schwin­dig­keit muss da­für ex­akt fest­ste­hen, sie tut es, weil ihr Zah­len­wert seit 1973 de­fi­niert ist.

Für die Neu­de­fi­ni­ti­on des Ki­lo­gramms gibt es ei­ni­ge Kon­zep­te, vor al­lem zwei sind noch im Ren­nen. Für Nicht­phy­si­ker nach­voll­zieh­ba­rer ist die Idee, das Ki­lo­gramm von der Mas­se ei­nes ato­ma­ren Teil­chens ab­zu­lei­ten. Et­wa ei­nes Si­li­ci­uma­toms. Dar­an ar­bei­ten Phy­si­ker in der Phy­si­ka­lisch-Tech­ni­schen Bun­des­an­stalt (PTB) in Braun­schweig. Sie er­zeu­gen mög­lichst per­fek­te Ku­geln aus Si­li­ci­um – nicht na­tür­li­chem Si­li­ci­um, das ja ein Ge­misch aus drei Iso­to­pen ist, son­dern rei­nem – und be­stim­men, wie vie­le Ato­me dar­in sind. Das tun sie, in­dem sie zwei­er­lei mes­sen: ers­tens (mit Rönt­gen­struk­tur­ana­ly­se) die Git­ter­kon­stan­te und da­mit den Durch­mes­ser ei­nes Atoms, zwei­tens das Vo­lu­men der Ku­gel. Durch Di­vi­die­ren er­gibt sich die Zahl der Ato­me.

Im Grun­de be­stim­men die Phy­si­ker da­mit die Avo­ga­dro-Kon­stan­te, die an­gibt, wie vie­le Ato­me in ei­nem Mol des je­wei­li­gen Stof­fes ent­hal­ten sind. Ein Mol ist die Ein­heit der Stoff­men­ge, es ist his­to­risch über ei­ne be­stimm­te Mas­se von Koh­len­stoff de­fi­niert, dar­über sol­len sich Che­mi­ker den Kopf zer­bre­chen. Die For­scher in der PTB sind mit ih­ren Ku­geln je­den­falls schon recht zu­frie­den, En­de Ju­ni ha­ben sie bei ei­nem Work­shop die Fach­welt dar­über in­for­miert: Sie ver­zäh­len sich nur noch um ein bis zwei Ato­me pro 100.000. Den In­ter­es­sen­ten – al­so, wenn ih­re Me­tho­de sich durch­set­zen soll­te, di­ver­sen Eich­äm­tern – wol­len sie die Ein­heits­ku­geln in zwei Va­ri­an­ten von un­ter­schied­li­cher Ge­nau­ig­keit und un­ter­schied­li­chem Preis an­bie­ten, als Pri­mär­nor­ma­le und Se­kun­där­nor­ma­le. „Auf der Ebe­ne der Ato­me be­trach­tet, sind un­se­re Ku­geln fast per­fekt“, sagt Frank Här­tig von der PTB, „die Se­kun­där­nor­ma­le sind im Ver­gleich eher Kar­tof­feln.“

»Das Pro­blem mit dem Ur­ki­lo­gramm in Pa­ris ist, dass es so wert­voll ist.« Die Phy­si­ker ver­zäh­len sich nur mehr um ein bis zwei Ato­me pro 100.000.

Ganz an­ders funk­tio­niert die Me­tho­de der Watt­waa­ge. Bei ihr wird im Prin­zip das Ge­wicht ei­nes Kör­pers – al­so die Kraft, mit der sei­ne Mas­se von der Er­de an­ge­zo­gen wird – durch elek­tri­schen Strom aus­ba­lan­ciert: Man de­fi­niert ein Ki­lo­gramm durch die Strom­stär­ke und die Span­nung, die man braucht, um es zu he­ben. (Das Pro­dukt aus die­sen bei­den Grö­ßen ist ei­ne Leis­tung, die in Watt ge­mes­sen wird, da­her der Na­me.) So­wohl Strom­stär­ke als auch Span­nung wer­den heu­te über Quan­ten­ef­fek­te von den Na­tur­kon­stan­ten e (Ein­heits­la­dung) und h (Planck­sche Wir­kungs­kon­stan­te) ab­ge­lei­tet, zwei­te­re ist noch nicht be­frie­di­gend ge­nau be­kannt. Zu­nächst ar­bei­tet man am NIST al­so dar­an, mit ei­ner Watt­waa­ge den Wert der Kon­stan­te h mög­lichst ge­nau zu mes­sen. En­de Ju­ni wur­de ei­ne neue Stu­fe der Ge­nau­ig­keit er­reicht: h = 6,62606983s10– Js, mit ei­ner Un­ge­nau­ig­keit von in den letz­ten bei­den Stel­len.

Das müs­se noch et­was ge­nau­er wer­den, sagt NIST-Phy­si­ker Schlammin­ger, dann kön­ne h „für al­le Zei­ten fi­xiert wer­den“– und die­ser Wert ver­wen­det wer­den, um mit­tels Watt­waa­ge die Mas­se ge­nau zu mes­sen.

Und wenn end­lich al­les passt und das Ki­lo­gramm neu de­fi­niert ist? Was pas­siert dann mit dem Ur­ki­lo­gramm? Es wer­de sei­ne my­thi­sche Au­ra be­hal­ten, meint Schlammin­ger: „Es ist solch ein Sym­bol, und es hat ei­ne so rei­che Ge­schich­te. Ich glau­be nicht, dass man es ein­fach in den Müll wer­fen wird.“

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