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Ein Metallzylinder aus dem 19. Jahrhundert dient bis heute als Basis für alle Gewichtsmessungen. Das Kilogramm, die Einheit der Masse, soll neu nun aber mittels einer physikalischen Formel mit Naturkonstante definiert werden. Auch zwei Schweizer Forscher sind seit Jahren dabei, das winzige Problem mit globaler Dimension zu lösen.
Von weitem sieht es aus, als beugten sich zwei Automechaniker über einen ausgebauten Motor. Aus der Nähe betrachtet ist es eine komplizierte technische Apparatur in einem Alugestell, das in einer Wanne, ebenfalls aus Aluminium, steht. Ein Rohr ragt aus der Wanne heraus, und eine Reihe von Messgeräten ist daran angeschlossen. Darüber schwebt eine Haube, die mit einem Kran heruntergelassen werden kann, bis sie die Apparatur ganz umschliesst. Dabei handelt es sich um eine Watt-Waage (siehe Darstellung der Funktionsweise), die das Herzstück bildet beim Experiment von Henri Baumann und Ali Eichenberger am Eidgenössischen Institut für Metrologie, abgekürzt METAS.
Ein Zylinder – klein und mächtig
Das Problem, das die beiden Forscher seit Jahren beschäftigt und das sie mit ihrem Experiment zu ergründen versuchen, ist die Neudefinition des Kilogramms. Seit mehr als 125 Jahren wird beim Bureau international des poids et mesures (BIPM; siehe «Paris ist die Messhauptstadt») in einer Vorstadt von Paris in einem Tresor das sogenannte Urkilogramm (Bild links) gehütet. Es handelt sich dabei um einen kleinen Zylinder von 39 Millimeter Höhe und Durchmesser, hergestellt aus den Edelmetallen Platin und Iridium, der bestimmt, wie schwer ein Kilogramm überall auf der Welt zu sein hat. Vom Urkilo wurden zahlreiche Kopien hergestellt und als Referenzobjekte an jene Länder verteilt, die das Internationale Einheitensystem (SI) befolgen und Mitglied des Metervertrags sind.
Neue Lösung für winziges Problem
Auch die Schweiz hat seit 1889 ihre eigene Kilokopie, die im METAS aufbewahrt wird und bisher dreimal mit dem Urkilo in Paris abgeglichen wurde. Bei dieser und anderen Vergleichsmessungen wurden Abweichungen registriert. Diese bewegen sich zwar im Bereich von einigen millionstel Gramm, hinterlassen jedoch grosse Unsicherheit bei den Verantwortlichen fürs weltweite Messwesen darüber, was nun schwerer oder leichter wurde, und warum. Aus diesem und anderen Gründen wurde daher beschlossen, das Kilogramm, das als letzte der sieben Basiseinheiten des SI (siehe «Glossar») noch durch einen realen Körper bestimmt wird, neu ebenfalls mit einer physikalischen Formel, die eine Naturkonstante enthält, zu definieren wie zuvor schon Meter und Sekunde. Für die Neudefinition des Kilogramms wurden von den technischen Komitees des BIPM klare zeitliche Vorgaben und Anforderungen an die Messgenauigkeit festgelegt, an die sich auch die Schweizer METAS-Forscher zu halten hatten.
Paris ist die Messhauptstadt
Mit der Unterzeichnung der Meterkonvention wurde 1875 in Paris der Grundstein gelegt für das Internationale Einheitensystem (abgekürzt SI). Gleichzeitig wurde das Bureau international des poids et mesures (BIPM) gegründet. Die Schweiz gehörte zu den 17 Gründerstaaten der Organisation, die ihren Sitz im Pavillon de Breteuil in Sèvres bei Paris bezog (Bild unten). Der herrschaftliche Pavillon war 1672 für Louis XIV erstellt worden und musste nach starker Beschädigung im Deutsch-Französischen Krieg von 1870/71 renoviert werden für die neue Verwendung. 1921 wurde die Konvention leicht modifiziert. Aktuell zählt das BIPM 58 Mitgliedsländer, das sind hauptsächlich die Industriestaaten. «Paris ist nicht weit weg», beschreibt Jürg Niederhauser das Verhältnis zum BIPM. Der Direktor des METAS, Philippe Richard, gehört dem Führungsgremium an, dem Comité international des poids et mesures (CIPM). Oberstes Beschlussorgan ist die Generalversammlung. Diese wird im November 2018 eine grundlegende Revision des SI beschliessen, bei der alle Basiseinheiten mittels einer physikalischen Konstante definiert werden sollen wie neu auch das Kilogramm.
Bei der vom BIPM lancierten Neuvermessung des Kilogramms erreichten übrigens Messinstitute in den USA, Frankreich, Kanada und Deutschland die präzisesten Resultate bei der Festlegung der Planckschen Konstante. Die Amerikaner vom National Institute of Standards and Technology (NIST) definierten die Konstante mit 6,626069934 auf mehr als die verlangten acht Stellen genau hinter dem Komma mit einer Unsicherheit von lediglich 13 Milliardsteln. Sie benutzten dafür ebenfalls eine Watt-Waage, die nach dem Namen ihres Erfinders auch Kibble-Waage genannt wird. Mit ihr lassen sich elektrische und mechanische Kräfte miteinander vergleichen. Die Deutschen von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig hingegen wählten einen anderen Weg. Beim Avogadro-Projekt zählen Wissenschaftler die Atome in Kugeln aus Silizium. So lässt sich die Avogadro-Konstante genau bestimmen, die ein Mass für die Zahl der Teilchen in einer Stoffmenge ist. Daraus lässt sich wiederum ein sehr präziser Wert der Planck-Konstanten berechnen und so das Kilogramm ebenfalls neu definieren. Dazu werden eben die per 1. Juli 2017 dem BIPM gelieferten Spitzenmesswerte beigezogen, um die Formel definitiv festzulegen.
Vertrauen in Messergebnis fehlte
«Unser Experiment funktioniert und misst. Wir fühlten uns jedoch kurz vor dem Eingabetermin nicht in der Lage, einen Wert mit genügend kleiner Messungenauigkeit einzureichen, um damit einen Beitrag zur Neudefinition des Kilogramms leisten zu können», zieht Henri Baumann Bilanz über die Forschungstätigkeit im fensterlosen Labor in Wabern. Das vordefinierte Ziel lautete, auf acht Stellen hinter dem Komma (1 ⨯ 10-8) genau zu sein. «Um dieses Ziel zu erreichen, müssen wir noch eine Reihe von Tests durchführen», räumt Baumann ein. Denn: «Der höchste Grundsatz in der Wissenschaft und insbesondere in der Metrologie ist immer das absolute Vertrauen in die Messresultate. Solange dieses fehlt, ist an das Weitergeben eines Werts nicht zu denken», erklärt Baumann.
«Das Leben geht weiter»
Der METAS-Forscher verhehlt nicht: «Eine Enttäuschung ist da.» Aber das sei «Teil des Spiels, bei dem wir unser Bestes gegeben haben». Er sei zusammen mit Ali Eichenberger, der Baumanns Ausbildner war während des Physikstudiums an der Universität Neuenburg, immer noch überzeugt, den richtigen Ansatz gewählt zu haben bei ihrem Experiment. Dabei würden viele Details eine Rolle spielen, «die wir jetzt verbessern werden», erklärt Baumann und betont: «Das Leben geht weiter.»
Glossar
- Metrologie ist die Wissenschaft und Technik des Messens. Das Wort setzt sich zusammen aus griechisch «metron» (Mass, Massstab) und «logia» (Kunde, Lehre) und darf nicht verwechselt werden mit der Meteorologie (Wetterkunde), die sich ableitet von der griechischen Bezeichnung für «in der Luft schwebend».
- Einheitensystem SI: Darin sind die sieben Basiseinheiten Sekunde (s), Meter (m), Kilogramm (kg), Ampere (A für Stromstärke), Kelvin (K für Temperatur), Candela (cd für Lichtstärke) und das Mol (mol für Stoffmenge) definiert. Das überarbeitete SI wird auf sieben exakt festgelegten physikalischen Konstanten basieren. Mit diesen Konstanten können alle Einheiten des Systems mit Hilfe der physikalischen Gesetze konstruiert werden. So wird der Meter heute schon über die Lichtgeschwindigkeit berechnet und die Sekunde durch einen atomaren Vorgang bei Cäsium 133 festgelegt.
- Das Plancksche Wirkungsquantum oder die Planck-Konstante definiert das Verhältnis von Energie (E) und Frequenz (f) nach der Formel
E = h · f. Entdeckt wurde es vom deutschen Physiker Max Planck, der damit an der Schwelle vom 19. ins 20. Jahrhundert die Quantenphysik begründete.
Entscheid im November 2018
Die erste Etappe im Prozess zur Neudefinition des Kilogramms wird voraussichtlich an der 26. Generalversammlung für Gewicht und Mass (CGPM) im November 2018 in Versailles bei Paris abgeschlossen werden. «Was die Metrologie nachher braucht, ist eine Realisierung des Kilos mit der neu festgelegten physikalischen Formel», betont Baumann. Dazu brauche es weitere Experimente mit der Watt-Waage, die funktionieren müssten, «damit man das Kilogramm, das neu definiert wurde, auch realisieren kann», sagt der Physiker. Andernfalls hänge alles in der Luft.
Experiment wird «Teil des Lebens»
Deshalb wollen die beiden Forscher «am Ball bleiben» in der Sache, an der sie seit acht (Baumann) und sechzehn Jahren (Eichenberger) arbeiten. Ali Eichenberger, der schon beim Vorgängerprojekt mitgewirkt hat, schätzt bei der Kiloforschung das Zusammenspiel der verschiedenen physikalischen Disziplinen (Mechanik, Elektronik, Magnetismus und Optik). Und Henri Baumann hatte sich bei anderer Gelegenheit mal wie folgt geäussert zum Experiment: «Es wird Teil des Lebens.»
Wer ist und was macht das METAS?
Das Eidgenössische Institut für Metrologie (METAS) ist das Kompetenzzentrum des Bundes für alle Fragen des Messens, für Messmittel und Messverfahren. Das Institut – gegründet 1862 als Eidgenössische Eichstätte in Bern und Anfang des 20. Jahrhunderts für kurze Zeit im Parlamentsgebäude untergebracht – hat seit 1967 seinen Sitz in Wabern bei Bern (Bild unten). Es beschäftigt 186 Mitarbeitende und bildet 14 Lernende in sechs Berufen aus. Drei Viertel der Beschäftigten sind deutschsprachig, 22 Prozent haben Französisch als Muttersprache (auch die beiden Kiloforscher), 2 Prozent sind italienischsprachig. Der Frauenanteil liegt bei etwa 15 Prozent. Mit Martina Hirayama präsidiert seit 2012 eine Frau den Institutsrat, das strategische Führungsorgan. Der Institutsrat legt auch das Forschungs- und Entwicklungsprogramm des METAS fest.
Bei einem Jahresumsatz 2016 des Instituts von 46,6 Millionen Franken betrug der Anteil der Ausgaben für Forschung und Entwicklung (F+E) fast 14 Prozent. Ausgeführt werden die F+E-Arbeiten vorwiegend im Rahmen der Programme von EURAMET, der Vereinigung der nationalen Metrologieinstitute Europas. Beat Jeckelmann, der Forschungsverantwortliche des METAS, amtiert noch bis Mitte 2018 als Vorsitzender von EURAMET. Neben der Watt-Waage fürs Kilo (Haupttext) liegen aktuelle Forschungsschwerpunkte am METAS zum Beispiel bei der Überwachung der Qualität elektrischer Netze, im Bereich kleinster Flüsse (Microflow und Milliflow) und auf dem Gebiet der hochgenauen Zeitmessung. Hier wurde eine Atomuhr entwickelt, die in 30 Millionen Jahren lediglich eine Sekunde von der genauen Zeit abweicht. Fachkompetenzen aufbauen möchte das Institut auch bei der Datenerhebung für Klimamodelle, für neue Messtechniken in der Produktionstechnologie sowie bei den optischen Eigenschaften von Oberflächen. Im Aufbau sind nach Auskunft von Jürg Niederhauser, Leiter Stab, am METAS zudem Messarbeiten im Bereich Terahertz für die Eichung von Ganzkörperscannern und Referenzmaterialien für Lebensmittelsicherheit sowie Labormedizin und Digitalisierung.