Forschung & TechnikWissenschaft

Ganz runde Sache

Das neue Maß der Dinge

tvi.ticker • 20. Mai 2019

Das Deutsche Museum bekommt von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt einen Schatz aus hochreinem Silizium. Mit dieser Kugel lässt sich ein Kilogramm genauer bestimmen als je zuvor. Am selben Tag wird das berühmte Pariser Ur-Kilogramm als Maß aller Dinge in Rente geschickt.

Kugel aus hochreinem SiliziumFoto: PTBMit so einer Kugel aus hochreinem Silizium lässt sich ein Kilogramm genauer bestimmen als je zuvor.

Die Siliziumkugel hat einen Durchmesser von exakt 9,37 cm, ist aus einem einzigen Kristall geschnitten und wurde so aufwendig bearbeitet, dass sie mit Fug und Recht die rundeste Kugel der Welt genannt werden kann. Sie bestimmt in Zukunft, was ein Kilogramm ist, und soll den Grundstock bilden für eine neue Ausstellung im Deutschen Museum zum Thema Messen. Auf dem Gebiet des Messens findet gerade eine stille Revolution statt, sagt Generaldirektor Wolfgang M. Heckl. Und dass wir diese Revolution auch zeitgleich ins Deutsche Museum holen, macht mich stolz. Ermöglicht wird das mithilfe der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), die die Kugel äußerst aufwendig produziert hat – und der ›Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung‹, die die Schenkung finanziell unterstützt hat. Wie wir die Welt vermessen, geht uns alle an. Daher freut es mich besonders, dass sich die PTB gemeinsam mit dem Deutschen Museum der Aufgabe stellt, die Geschichte und die Zukunft des Messens einer breiten Öffentlichkeit zu vermitteln, sagt Joachim Ullrich, Präsident der PTB.

Die bisherigen Maßeinheiten waren Wissenschaftlern ein Graus. Zu ungenau, zu unbeständig, zu menschengemacht. Das Ur-Kilogramm, das seit 130 Jahren in Paris verwahrt wird, liegt unter drei Glasglocken in einem Tresor und besteht zu 90 % Platin und 10 % Iridium. Alle Vorsichtsmaßnahmen konnten aber nicht verhindern, dass das Ur-Kilogramm mutmaßlich pro Jahr ein halbes Mikrogramm Masse verliert, bisher also mehr als 50 µg und damit etwa so viel, wie ein Salzkorn wiegt. Warum das Ur-Kilogramm Gewicht verliert, ist den Forschern ein Rätsel. Für Menschen, die sich hauptberuflich mit dem Messen befassen und die versuchen, weltweit gleiche Maßeinheiten zu gewährleisten, ist das eine fast genauso große Katastrophe wie das Maß-Chaos im Mittelalter, als das Längenmaß ›Fuß‹ je nach Schuhgröße des jeweiligen Königs variierte.

Siliziumkugel und Ur-KilogrammFoto: Deutsches Museum/Christian IllingIm Vordergrund die Siliziumkugel, im Hintergrund eine Kopie des Ur-Kilogramms, das jetzt ausgedient hat.

Das Wichtigste an der neuen Kugel ist aber nicht, dass sie genau ein Kilogramm wiegt. Das tut sie zwar (ziemlich genau), aber entscheidender ist, dass sich durch die Zahl der in der Kugel vorhandenen Silizium-Atome sehr präzise errechnen lässt, was ein Kilogramm ist. Dieses System wird jetzt international die Referenz-Größe allen Masse-Messens – zusammen mit äußerst präzisen Watt-Waagen. Taiwan hat sich schon eine solche hochreine Siliziumkugel von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig gekauft. Für sage und schreibe 1 000 000 € – oder eben rund 1000 € pro Gramm.

Die Kugel ist aber nur eine Repräsentantin eines neuen Systems, das alle sieben Basiseinheiten des Internationalen Einheitensystems erfasst. Das sind neben dem Kilogramm die Sekunde (Zeit), der Meter (Länge), das Ampere (Stromstärke), das Kelvin (Temperatur), das Mol (Stoffmenge) und die Candela (Lichtstärke). Diese Basiseinheiten werden vom 20. Mai 2019 an mithilfe von Naturkonstanten bestimmt. Was den angenehmen Nebeneffekt hat, dass diese Maßeinheiten nicht nur auf der Erde unter jedweder Umweltbedingung gleich sind – sondern überall im Universum. Und dass so auch einem Alien verständlich gemacht werden könnte, was ein Meter oder ein Kilogramm ist.

Die feierliche Übergabe der Kugel am 20. Mai – dem Welttag des Messens – an das Deutsche Museum ist auch der Startschuss für ein weiteres Großprojekt im Rahmen der Modernisierung des Museums: Physik-Nobelpreisträger Klaus von Klitzing wird dabei sein, wenn das erste Konzept für die neue Dauerausstellung »Alles in Maßen – Maße für alle« vorgestellt wird. Die Maße sollen nämlich den Einleitungsbereich für die neugestaltete Physik-Ausstellung des Deutschen Museums bilden. Bis diese Ausstellung 2025 eröffnet wird, soll die glänzende Kugel in der Museumsgeschichte ausgestellt werden. Physik-Kuratorin Daniela Schneevoigt: Das Exponat ist einfach zu wichtig, um es für die nächsten Jahre im Depot verschwinden zu lassen. Zumal sich damit viele Dinge so gut erklären lassen – vom Wesen und der Bedeutung des Messens bis hin zu den Naturkonstanten.

Daten zur Silizium-Kugel

  • Durchmesser: 93,7 mm
  • Volumen: 429,37418 ± 0,00080 Kubikzentimeter
  • Gewicht: 1,000045904 kg (± 0,000055 Gramm)
  • Abweichung von der idealen Kugelform: wenige 10 Nanometer
    (übertragen auf unsere Erde: Der höchste Berg wäre nur zwei Meter hoch)
  • Zahl der Silizium-Atome: 21,52 Quadrillionen (Unsicherheit: +/- zwei Atome pro 100 Millionen Atome)

Quelle:  Deutsches Museum

• Auf epilog.de am 22. Mai 2019 veröffentlicht