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Masseinheiten: Das Ur-Kilogramm hat ausgedient

Es ruht wohlbehütet in einem Tresor bei Paris: Das Ur-Kilogramm war bisher das Mass aller Dinge - für das Kilogramm, die Einheit der Masse. Nun hat es ausgedient: Anstatt auf ein physisches Objekt soll sich das Kilo künftig auf Naturkonstanten beziehen.
Angelika Jacobs, SDA
Das unter zwei Glashauben aufbewahrte Ur-Kilogramm der Schweiz, am Freitag, 16. November 2018 im Eidgenössischen Institut für Metrologie METAS in Köniz bei Bern. Das Ur-Kilogramm besteht aus Platiniridium, eine Legierung von 90 Prozent Platin und 10 Prozent Iridium. (Bild: Peter Klaunzer/Keystone)

Das unter zwei Glashauben aufbewahrte Ur-Kilogramm der Schweiz, am Freitag, 16. November 2018 im Eidgenössischen Institut für Metrologie METAS in Köniz bei Bern. Das Ur-Kilogramm besteht aus Platiniridium, eine Legierung von 90 Prozent Platin und 10 Prozent Iridium. (Bild: Peter Klaunzer/Keystone)

Eine Revolution in der Welt des exakten Messens: Am Freitag verabschiedete die Generalkonferenz für Mass und Gewicht in Paris eine Revision für die Definition des Kilogramms und drei weitere Masseinheiten des internationale Einheitensystems (SI).

Die Änderung war überfällig: Das Ur-Kilogramm hat nämlich ein massives Problem. Es schrumpft. Der Zylinder aus 90 Prozent Platin und 10 Prozent Iridium, der streng bewacht in einem Tresor bei Paris liegt, ist im Laufe der Jahre um einige dutzend Mikrogramm leichter geworden.

Etwas paradox wirkt dieser Umstand schon, ist doch das Ur-Kilo das seit rund 130 Jahren das Referenzobjekt für ein Kilogramm und wiegt deshalb per definitionem ein Kilogramm. Vergleichsmessungen mit Kopien des Ur-Kilos, von denen eine am Eidgenössischen Institut für Metrologie Metas aufbewahrt und verwendet wird, zeigen jedoch, dass es sich verändert. Ausserdem wäre nicht auszudenken, wenn der so bedeutende Zylinder gestohlen würde oder zu Schaden käme.

Naturkonstanten als Basis

Seit Jahren diskutieren Fachleute deshalb, wie man das Kilogramm neu und universal definieren könnte mithilfe physikalischer Naturkonstanten. Ein langer Prozess geht nun mit der Abstimmung in Paris zu ende.

Die Einheiten für Zeit, Distanz und Lichtintensität, also Sekunde, Meter und Candela, sind bereits über Naturkonstanten definiert. Neben dem Kilogramm, ziehen nun auch Ampere (Stromstärke), Kelvin (Temperatur) und Mol (Stoffmenge) nach. Ihre Neudefinition soll am 20. Mai 2019, dem Welttag des Messens, in Kraft treten.

Neu sollen dann alle Einheiten über Naturkonstanten wie die Lichtgeschwindigkeit, die Ladung eines Elektrons oder das sogenannte Plancksche Wirkungsquantum definiert werden. Die Planck-Konstante beschreibt das Verhältnis von Energie und Frequenz eines Photons und ihre Einheit setzt sich aus Meter, Sekunde und Kilogramm zusammen. Da Meter und Sekunde bereits über Naturkonstanten definiert sind, lässt sich über die Planck-Konstante auch das Kilogramm ableiten.

Exakte Messmethoden

Voraussetzung für die nun verabschiedete Neudefinition des Kilogramms war, Methoden zu finden, mit denen sich diese Planck-Konstante mit absoluter Sicherheit bestimmen lässt. Zwei Verfahren erfüllen diese Bedingung und stehen den Metrologischen Instituten der Länder künftig zur Verfügung, um die Masse des Kilogramms zu bestimmen. Das eine Verfahren nutzt die Masse von Siliziumatomen als Ausgangspunkt, das andere, welches auch am Metas zum Einsatz kommt, beruht auf der Watt-Waage, einem hochkomplexen Messinstrument.

Die Metrologischen Institute stellen die Exaktheit des Messens im Bereich der Masse dank dieser Methoden sicher: Für das Weitergeben von Gewichtsreferenzen werden aber wohl auch künftig Objekte mit definierter und geprüfter Masse herhalten, sagte Jürg Niederhauser vom Metas im Gespräch mit der Nachrichtenagentur Keystone-SDA. Dies sei deutlich einfacher als jedes Mal die Watt-Waage zu verwenden.

Ungeahnte Anwendungen

Für Verbraucher ändert sich vordergründig nichts: Neue Waagen für Küche und Bad muss niemand kaufen. Allerdings erhoffen sich Experten von der Neudefinition einen Vorstoss in neue Messgenauigkeiten und damit auch noch ungeahnte andere Anwendungen, die durchaus den Alltag prägen könnten.

«Ein Paradebeispiel ist die Neudefinition der Sekunde vor rund 50 Jahren», sagte Niederhauser. Nachdem man die Sekunde seit 1967 nicht mehr über die schwankende Dauer eines Erdentages definierte, sondern viel exakter über Zustandsübergänge von Cäsiumatomen, taten sich neue Möglichkeiten auf. «Hochexakte Atomuhren ebneten den Weg für Standortbestimmungen per Satellit, also GPS», erklärte Niederhauser. Von der Neudefinition des Kilogramms erhoffe man sich ähnliche Weiterentwicklungen.

Ins Museum räumen wird man das ausgediente Ur-Kilogramm in Paris aber trotzdem nicht so schnell. Wahrscheinlich auch auf lange Zeit nicht, vermutet Niederhauser. «Man wird vorsichtig sein und noch viele Vergleichsmessungen anstellen, um im Nachhinein zu sehen, wie genau man beim Kalibrieren mit dem Ur-Kilogramm früher war.» Auch mit der Kopie am Metas sollen noch weitere Messungen für Vergleichswerte angestellt werden, bevor es vielleicht 2030 in das hauseigene Museum wandert.

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