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Weltweites Gewichtssystem: Ersatz dringend gesucht: Das Ur-Kilogramm schwindet

Wie schwer ist eigentlich ein Kilogramm? Die Frage wirkt wie ein schlechter Scherz. Doch sie ist berechtigt – nicht zuletzt, weil das Ur-Kilogramm an Masse verliert. „Das ist magisch“, sagt ein Experte.
Wissenschaftler Arnold Nicolaus hält eine ein Kilogramm schwere Siliziumkugel in der Hand. Mit solchen Kugeln wollen Forscher der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt das Kilogramm neu definieren. 	FOTO: DPA Foto: Julian Stratenschulte (dpa) Wissenschaftler Arnold Nicolaus hält eine ein Kilogramm schwere Siliziumkugel in der Hand. Mit solchen Kugeln wollen Forscher der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt das Kilogramm neu definieren. FOTO: DPA
Braunschweig. 

Die Herren von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig haben sich Zeit genommen. Sie ahnen wohl, dass der Laie an diesem Thema zu kauen hat. Es geht um das Kilogramm, eine der sieben sogenannten Basiseinheiten neben Sekunde, Meter, Ampere, Kelvin, Mol (Stoffmenge) und Candela (Lichtstärke), die die Welt messbar machen. Das System ist im Grunde einfach, jedes Kind lernt schnell: Ein Meter ist 100 Zentimeter lang und eine Minute hat 60 Sekunden. Dabei ist genau festgelegt, wie schwer beispielsweise ein Kilogramm ist. Trotzdem suchen spezialisierte Physiker nach neuen Definitionen für einige dieser Einheiten. Denn ganz so stabil, wie das System scheint, ist es nicht.

Die Frage nach der Masse des Kilogramms scheint sich zu erübrigen. Ein Kilo Mehl ist ein Kilo Mehl. Punkt. Leider ist es ein wenig komplizierter. Schließlich ist das Kilogramm eine willkürlich gewählte Größe. Die Welt würde nicht aus den Fugen gehen, wenn es etwas leichter oder schwerer wäre. Tatsächlich aber steht, streng gesichert, in Paris das sogenannte Ur-Kilogramm, ein wenige Zentimeter großes Metallstück. Über Umwege sind alle Waagen auf dieses Unikat kalibriert. Das Ur-Kilogramm wurde 1889 bei der 1. Generalkonferenz für Maß und Gewicht in Paris festgelegt. Die Idee von allgemeingültigen Maßeinheiten war nicht neu. „Man braucht ja eine Vergleichseinheit“, sagt Physikhistoriker Dieter Hoffmann vom Max-Planck-Institut für Wissenschaftsgeschichte.

Dabei ist es durchaus gewagt, ein nahezu weltweit geltendes Gewichtssystem auf einem einzelnen Stück Metall basieren zu lassen. „Stellen Sie sich vor, wenn das mal kaputt geht“, sagt der Physiker Arnold Nicolaus von der PTB. Neben diesem Risiko gibt es ein weiteres Problem mit dem Ur-Kilogramm: Es wird tendenziell immer leichter. Dass ist schlichtweg Pech. Ende des 19. Jahrhunderts wurden mehrere Ur-Kilos hergestellt und eines davon zum Maßstab erhoben. Einige der Ur-Kilo-Vorläufer sind stabil. Doch das auserwählte Stück Metall verliert aus unerfindlichen Gründen Masse – 50 Millionstel Gramm in 100 Jahren. „Das ist magisch.“

Was ist schon dabei, wenn sich ein Stück Metall in einem Pariser Tresor verändert? Da alle Gewichte von diesem Ur-Kil abhängen, werden sie praktisch langsam schwerer. Alle Waagen würden über die Jahre hinweg nicht mehr korrekt das Gewicht anzeigen. Sie müssten in regelmäßigen Abständen neu auf das schwindsüchtige Ur-Kilogramm kalibriert werden. Spätestens 2018 soll Schluss sein mit dem Pariser Ur-Kilo als Standard. Dann soll auf der 26. Generalkonferenz für Maß und Gewicht eine neue, weltweit gültige Definition des Kilos verabschiedet werden. Schon jetzt steht fest: Künftig wird die Gewichtseinheit nicht mehr an einem einzelnen Gegenstand hängen. Aber wie kann das gehen? Physiker Nicolaus ist maßgeblich an den vorbereitenden Experimenten für die Neudefinition beteiligt. In einem exakt temperierten Raum ist ein komplexes Experiment aufgebaut, in dessen Zentrum spiegelnde Kugeln aus Silizium stehen, die an ein Boule-Spiel erinnern. Die wertvollste kostet rund eine Million Euro.

Die Wissenschaftler an der PTB können solche Kugeln ganz präzise herstellen und vermessen. So können sie errechnen, aus wie vielen Siliziumatomen eine solche Kugel besteht. Davon lässt sich ableiten, wie schwer ein einzelnes Atom ist. Diese Masse wird zu einem bestimmten Zeitpunkt – durch Schwankungen des Ur-Kilogramms ändert sie sich ständig – ein für allemal in Stein gemeißelt. Im Umkehrschluss ist damit bekannt, wie viele Siliziumatome es für ein Kilogramm braucht. Vereinfacht gesagt ist dadurch das Kilogramm universell festgelegt.

 

Das neue

 

Kilo kommt

 

In den kommenden Monaten sollen in Braunschweig zwei besonders reine Siliziumkugeln vermessen werden. Davon erhoffen sich die Forscher noch präzisere Ergebnisse. Jedes gut ausgerüstete Labor mit dem nötigen Wissen könnte sich ein allgemeingültiges Kilogramm künftig theoretisch selbst herstellen. Mit der Neudefinition des Kilos schwindet die Abhängigkeit vom schwindsüchtigen Pariser Vorbild, wie PTB-Sprecher Jens Simon erklärt. Es ist von einem Paradigmenwechsel die Rede.

Probleme mit der Stabilität ähnlich wie beim Kilogramm gibt es auch bei anderen Basiseinheiten. Forscher tüfteln ähnlich wie die PTB-Experten an Lösungen dafür. Beim Meter ist man dabei schon vor Jahrzehnten zu einem Ergebnis gekommen: Der Ur-Meter, eine Art Metallstab, wurde durch eine Definition ersetzt, die auf der Lichtgeschwindigkeit beruht.

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