Physikalische Maßeinheiten Das rätselhafte Schrumpfen des Urkilogramms

Das in Paris gelagerte Urkilogramm nimmt ab. Die Ursache des Masseverlusts ist unklar - seit Jahren. Umso dringlicher ist die Suche nach einem Ersatz für den über 100 Jahre alten Metallzylinder.

Von


0,00005 Gramm weniger Masse - das klingt nicht nach besonders viel. Doch für die Physiker am Pariser Bureau international des poids et mesures (BIPM) ist es eine kleine Katastrophe. In den neunziger Jahren hatten Wissenschaftler mit Erschrecken festgestellt, dass das am BIPM gelagerte Urkilogramm im Laufe der Jahre offenbar leichter geworden war als Kopien. Möglicherweise, so eine Erklärung, hatte man das Urkilogramm schlicht zu häufig geputzt und so ein paar Atome von der Oberfläche heruntergeholt.

Das 1889 hergestellte und seitdem in Paris aufbewahrte Urkilogramm dient bis heute als Referenz für die Masse. Es ist 39 Millimeter hoch und besteht aus einer Platin-Iridium-Legierung. Nur alle vierzig Jahre wird das Maß aller Kilos aus dem dreifach gesicherten Schrank hervorgeholt, um es mit Kopien des Urkilogramms abzugleichen. Davon existieren weltweit 80 Stück.

Bis heute rätseln Wissenschaftler, warum der Kilogramm-Prototyp schrumpft. "Sonderbar, denn alle Kopien sind aus dem gleichen Material wie das Urkilo", sagt Richard Davis vom BIPM der Nachrichtenagentur AP. Viele der Referenzzylinder seien ebenfalls 1889 gegossen worden. Aber warum sind sie plötzlich schwerer als die Referenzmasse?

"Das liegt sicher nicht am Putzen", sagt Peter Becker von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. Und: "Messfehler sind ausgeschlossen." In der Braunschweiger Behörde wird der deutsche Prototyp des Kilos gehütet. Becker hat immerhin eine Hypothese: Es handle sich um eine Platin-Iridium-Legierung, "da könnte etwas entweichen, zum Beispiel Wasserstoff". Sicher sei man sich aber nicht.

Suche nach Alternativen

Die Abmagerung des Urkilogramms hat Folgen: Das Kilo ist allein durch den Vergleichsgegenstand festgelegt. Und das Urkilogramm, nimmt es nun ab oder zu, verkörpert per Definition weiterhin genau ein Kilogramm. Dadurch entstehe ein zusätzlicher Unsicherheitsfaktor etwa bei Kalibrierungen, sagt Michael Bory vom PTB.

Schon seit Jahrzehnten bereitet der Metallzylinder Physikern deshalb Kopfzerbrechen. Von den sieben Basiseinheiten des Système International d'Unités, kurz SI-System, ist das Kilogramm die einzige Größe, die nicht mit einer definierten Messung in einem Labor bestimmt werden kann. Eine Sekunde beispielsweise ist über die Schwingungsdauer einer bestimmten Strahlung von Cäsium-133-Atomen definiert, ein Meter als Strecke, die Licht in einer bestimmten Zeit zurücklegt. Einzig für das Kilogramm existiert noch kein derartiges "natürliches" Verfahren.

Doch das soll sich bald ändern. Auf einer Konferenz im November wollen Experten in Paris über Alternativen zum Urkilogramm beraten. An einer Variante arbeitet PTB-Forscher Becker selbst: Er will gemeinsam mit Kollegen das Kilogramm über eine simple Zahl definieren. Wie viele Siliziumatome braucht man, damit ein daraus hergestellter Kristall genau ein Kilogramm schwer ist?

Atome zählen oder Kräfte vergleichen?

Schwierigkeiten bereitete den Forschern unter anderem die Tatsache, dass es drei verschiedene Siliziumisotope gibt (Si-28, -29, -30), deren Atommasse sich entsprechend unterscheidet. Inzwischen ist das Problem aber gelöst: In Russland hat das PTB Silizium anreichern lassen, das danach zu 99,99 Prozent aus Silizium-28 bestand. "Das Silizium wurde in Sankt Petersburg mit Zentrifugen hergestellt, mit denen einst auch Uran für Atomwaffen angereichert wurde", berichtet Becker. Anschließend wurde am Berliner Institut für Kristallzüchtung daraus ein sogenannter Einkristall hergestellt. Aus diesem hochreinen Kristall müssen nun Kugeln geschnitten werden, die möglichst genauso viel wiegen wie das Pariser Urkilogramm. "Bis Ende 2008 werden wir die Kugeln bei uns haben", sagte Becker.

Die Braunschweiger Forscher hatten zuvor auch an einem anderen Verfahren gearbeitet - der Ionen-Zählung. Sich bewegende Ionen bilden einen Strom, der gemessen werden kann und Rückschlüsse auf die Zahl der Ionen erlaubt. Mit einem Kollektor werden die Ionen aufgefangen - und bilden eine definierte Masse. Doch die Experimente wurden inzwischen abgebrochen. "Die Ionenzählung haben wir eingestellt", sagt Becker. "Die Deadline 2010 war nicht zu schaffen."

Die wohl aussichtsreichste Alternative zur Zählung von Silliziumatomen stellt deshalb die Watt-Waage dar. Bei ihr wird das Kilogramm aus einer anderen Naturkonstanten, dem Planckschen Wirkungsquantum, über einen präzisen Vergleich von mechanischer und elektrischer Leistung hergeleitet. Mit einer Waage vergleichen Forscher die Gewichtskraft einer Masse im Gravitationsfeld der Erde mit der elektromagnetischen Kraft, die elektrischer Strom in einer Spule erzeugt.

Noch ist offen, welches Verfahren das Urkilogramm ablöst.



© SPIEGEL ONLINE 2007
Alle Rechte vorbehalten
Vervielfältigung nur mit Genehmigung der SPIEGELnet GmbH


TOP
Die Homepage wurde aktualisiert. Jetzt aufrufen.
Hinweis nicht mehr anzeigen.