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Spitzenleistung: Die PTB definiert das „neue“ internationale Kilogramm

  • Datum: 16. Dezember 2019
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Polieren der Si-Kugel durch einen Mitarbeiter der PTB. (Bildrechte: PTB)
Foto von Klaus-Dieter Kühn
Klaus-Dieter Kühn
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Die Sekunde, der Meter, das Kilogramm, das Ampere, das Kelvin, sowie das Mol und die Candela: Alles (fast) neu. Die sieben Grundeinheiten des SI (Système International d’unités) wurden nun mithilfe von Naturkonstanten in ihrem Wert festgelegt. Anlass war die Generalkonferenz für Maße und Gewichte in Versailles. Die von ihr beschlossene Neuordnung der Definitionen im Internationalen Einheitensystem ist zum Weltmetrologietag im Mai 2019 in Kraft getreten. Braunschweiger Forscher stellten ein Rezept für ein „neues“ Kilogramm auf.

Das neu definierte Kilogramm

Im wahrsten Sinne des Wortes maßgebend an der Neudefinition des Kilogramm sind über 50 Forscher und Technologen der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig beteiligt. Dr. Dr. Jens Simon, Pressesprecher und selbst Physiker, erläutert im Gespräch den langen Weg des Kilogramms vom Platin-Iridium-Zylinder, dessen Definition in das Jahr 1889 zurückgeht, bis zur modernen Definition über Naturkonstanten.  

Das alte Ur-Kilogramm habe in den letzten 130 Jahren stetig an Masse verloren, sagt Simon, so dass eine Neudefinition notwendig wurde. Weltweit gingen nun Forscher an den Start. Mit dabei: Das von der PTB geleitete internationale Avogadro-Projekt. Die Avogadro-Konstante NA gibt an, wie viele Teilchen in einer Stoffmenge (ihre Einheit ist das Mol) enthalten sind. Ausgangspunkt der Messungen zur Bestimmung der Avogadro-Konstanten ist eine Kugel aus isotopenreinem Silizium-28.

Die SI-Kugel in der Hand von Jens Simon.
Jens Simon mit einer der Silizium-Kugeln, die das neue Kilogramm verkörpert. (Foto: Klaus-Dieter Kühn)

Hat man nun die Abstände zwischen den Si-Atomen gemessen und setzt deren molare Masse in Beziehung zu Volumen und Masse der Silizium-Kugel, so lassen sich die Atome in der Kugel genau zählen und die Masse eines Siliziumatoms mit hoher Genauigkeit erschließen. Achtung, jetzt kommen wir an die Grenzen unserer Vorstellungskraft: Auf diese Weise ergeben 21.5 Quadrillionen Silizium-28-Atome ein Kilogramm, bei einer Unsicherheit von nur ± zwei Atomen pro 100 Millionen gezählter Atome. „Damit war ein Brückenschlag vom Makroraum, in dem wir leben, hin zum Mikroraum der Atome gelungen“, sagt Jens Simon.

Forscher in den USA, Frankreich, Großbritannien und Kanada verfolgten mit sogenannten „Wattwaagen“ einen parallelen Ansatz. Beide Experimente sind voneinander unabhängig und ermöglichen die Ermittlung des Planck’schen Wirkungsquantums h. Das ist die Konstante, auf deren Zahlenwert das Kilogramm künftig basiert.

Blick in die Braunschweiger „Millionenkugel“

In Braunschweig wird nicht nur „die Zeit gemacht“: Inzwischen ist die PTB mit ihrem wissenschaftlichen Gerätebau und ihren Messkompetenzen weltweit die einzige Forschungs- und Fertigungsstätte, die die Herstellung solch hochpräziser Si-Kugeln beherrscht.

Im Foyer des Braunschweiger Rathauses ist eine aus früheren Experimenten stammende Siliziumkugel neben der von der PTB-Atomuhr in das Rathaus gesendeten gesetzlichen Zeit zu sehen.

Die Siliziumkugel der PTB ist das Kernstück des Avogadroprojekts. Sie avanciert bereits zum PTB-Exportschlager. Jüngst hat Taiwan für eine Million Euro einen der Prototypen erworben. Die „Millionenkugel“ wird auch anderen nationalen Metrologieinstituten angeboten. Im Angebot haben die Braunschweiger Forscher auch eine etwas preiswertere Version der Siliziumkugel, die aus natürlichem Silizium besteht und für etwa 100.000 Euro zu erwerben ist.

Der Herstellungsprozess der Si-28-Kugeln ist vergleichsweise komplex. Das Rohmaterial für die Fertigung ist das Ergebnis aufwendiger Zentrifugier- und Reinigungsprozesse von Instituten in Sankt Petersburg und Nishni Novgorod. Aus dem zunächst noch polykristallinen Silizium zog das Leibniz-Institut für Kristallzüchtung in Berlin mehrere Einkristalle. Aus diesen wurden in sehr aufwendigen Fertigungsschritten Kugeln mit einem Durchmesser von 93,7 Millimeter herausgearbeitet, die von sich behaupten können, die rundesten Objekte der Welt zu sein. Ihre Abweichung von der Kugelform beträgt nur wenige Nanometer (1 nm = 1 milliardstel Meter). Form, Oberfläche, Volumen und Masse der Kugel werden über Interferometrie-, Röntgen- und Massenspektroskopieverfahren auf das Genaueste gemessen und bestimmt. Die Verfahrenskette hatte ein großes Team der PTB über mehrere Jahre entwickelt. Für das daraus hervorgegangene neuartige Schleif- und Polierverfahren und dessen Transfer in die Wirtschaft erhielt die PTB den Technologietransferpreis 2019 der IHK Braunschweig. In Braunschweig erdacht, können auf diese Weise auch von Firmen industriell gefertigte Sekundärnormale den Weg in die Welt finden.

Den Technologietransferpreis der IHK Braunschweig erhielten Dr.-Ing. Prof. Frank Härtig, Katharina Lehmann, Dr.-Ing. Rudolf Meeß und Thomas Wiedenhöfer.
Dr.-Ing. Prof. Frank Härtig, Katharina Lehmann, Dr.-Ing. Rudolf Meeß und Thomas Wiedenhöfer erhielten den Technologietransferpreis der IHK Braunschweig. (Foto: Klaus-Dieter Kühn)

Die PTB – Impulsgeber auch für die Region

 Die PTB als Europas größtes Metrologieinstitut mit fast 2000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern in Braunschweig und Berlin ist aber nicht nur rund um den Erdball in der Welt des Messens unterwegs. Auch regional ist sie außerordentlich engagiert. Technologie- und Patentangebote, ein Kalibrierdienst für die Wirtschaft und Angebote für DoktorandInnen, Studierende, Schulen und SchülerInnen sowie für die Berufsausbildung machen die PTB zu einem wichtigen Teil der Gesellschaft in der Region Braunschweig-Wolfsburg. Im Haus der Wissenschaft oder an Tagen der offenen Tür werden Möglichkeiten der Wissenschaft für Alltags- und Zukunftsgestaltung im gesellschaftlichen Raum diskutiert. So nimmt auch die Vermittlung des nicht mehr so einfach zu erklärenden neuen Einheitensystems breiten Raum ein, speziell für Schüler. Im Netzwerk von Europas intensivster Forschungsregion ist die PTB als „Vatikan des Messens“ – wie dessen ehemaliger Vorsitzender Prof. Dr.-Ing. Jürgen Hesselbach es einmal ausdrückte – ein Schwergewicht. Die Metrologie ist in den Zukunftsthemen Gesundheit, Energie, Klima und Umwelt ebenso gefragt wie bei Sicherheit und Mobilität. In Exzellenzclustern forscht die PTB im Nano-Bereich an den Grenzen des Messbaren. Und die sind noch lange nicht erreicht.

Die PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) in Braunschweig.

Bundesallee 100
38116 Braunschweig