Vom Urkilo zur Naturkonstante
Vakuum- und Oberflächenphysik als Schlüssel zur Neudefinition des Kilogramms.
Das Kilogramm ist die letzte der sieben SI-Basiseinheiten, die auch heute noch – wie vor rund 200 Jahren – durch einen Prototyp-Körper dargestellt wird. Während in einem Tresor des Internationalen Büros für Maß und Gewicht (BIPM) bei Paris ein kleiner nicht einmal vier Zentimeter großer Platin-Iridium-Zylinder als Internationales Urkilogramm zur Kalibrierung nationaler Standards bereit liegt, arbeiten weltweit etliche Forschergruppen daran, dass auch die Einheit der Masse durch eine Naturkonstante definiert werden kann. Mithilfe einer Watt-Waage oder über Avogadro-Experimente wurden bereits erste Fortschritte erzielt, das Kilogramm auf die Planck-Konstante zurückzuführen. Diese Referenzierung auf einen unveränderlichen physikalischen Parameter würde eine stabile und sicher reproduzierbare Basis zur Kalibrierung der nationalen Massestandards bereitstellen.
Abb.: Noch das Maß aller britischen Gewichte: eine offizielle Kopie des Internationalen Prototyps für das Kilogramm wird in gefilterter Luft am National Physics Laboratory (NPL) bei London aufbewahrt. (Bild: NPL)
Im NewKilo Verbundvorhaben erarbeiteten nationale Messanstalten gemeinsam mit Forschungsinstituten und industriellen Partnern einen Weg, wie der für das Jahr 2018 geplante Übergang zum neuen Kilonormal nahtlos erfolgen kann. Dabei spielen Vakuum- und Oberflächenphysik eine Schlüsselrolle. Sowohl die Experimente mit der Watt-Waage als auch die Avogadro-Experimente finden im Vakuum statt, um mögliche auf die Dichte und den Brechungsindex von Luft zurückführbare Ungenauigkeiten auszuschließen. Das neue Urkilo und auch die Folgestandards, auf die es übertragen werden soll, müssen gleichermaßen im Vakuum und auch an Luft unverändert bleiben. Eine Aufgabe des NewKILO Projektes ist daher die Suche nach vakuumstabilen Materialien, aus denen die neue Generation Massestandards gefertigt werden kann. Sie soll noch Ende dieses Jahres abgeschlossen sein. Im Projekt wurden bereits Protokolle erarbeitet, wie der Übergang von Vakuum- zu Luftbedingungen erfolgen kann, wie die Aufbewahrungsorte der Standards optimiert werden können und wie der primäre Massenstandard kontaktlos gereinigt werden kann.
Ein sehr gutes physikalisches Verständnis von Vorgängen an Festkörperoberflächen sowie ausgefeilte vakuumtechnologische Methoden sind also unerlässlich bei der Rückführung des Kilogramms auf eine Naturkonstante.
NPL / LK
