Rund, runder - ein Kilogramm

Wissenschaftler wollen mit Silizium-Kugeln das Kilogramm neu definieren. Ein Kilogramm? Das ist ein Liter Wasser. Oder: das Urkilogramm, ein knapp 4 cm hoher Zylinder aus Platin und Iridium, der vom "Internationalen Büro für Maß und Gewicht" bei Paris in einem Safe unter Verschluss gehalten wird. Doch jetzt wird das Kilogramm neu bestimmt – anhand zweier Kugeln aus Silizium, die in der Braunschweiger Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) aufbewahrt werden.

15. April 2008 um 14:29 Uhr / Werner Pluta

Ziel der Wissenschaftler ist es, das Kilogramm auf eine Naturkonstante zurückzuführen: das Atomgewicht von Silizium 28, also die Masse von Silizium-28-Atomen. Dazu haben sie zwei Kugeln aus diesem Material fertigen lassen. Das Kilogramm ist die letzte von sieben Grundeinheiten, die noch nicht durch eine Naturkonstante definiert ist. So ist eine Sekunde inzwischen durch die Atomschwingungen von Cäsium definiert, ein Meter durch die Strecke, die Licht in einer bestimmten Zeit zurücklegt.

Die Kugeln sind ein Superlativ: Fünf Jahre hat es gedauert, sie herzustellen. Zunächst wurde in Russland das Material gewonnen: das Silizium-Isotop Silizium 28. Es musste hochrein sei, also möglichst wenig Verunreinigungen durch andere Atome aufweisen. Die in russischen Isotopentrennungsanlagen hergestellten sechs Kilogramm bestehen zu 99,994 Prozent aus Silizium 28.

Anschließend wurde daraus am Berliner Institut für Kristallzüchtung ein sogenannter Einkristall gezüchtet. Alle Atome sind also in einem einzigen Kristallgitter angeordnet. Spezialisten in Australien haben aus diesem Kristall dann zwei Kugeln mit einem Durchmesser von 9,37 cm geschliffen. Dabei sind die Kugeln wahrscheinlich runder als alle ihre Vorgängerinnen: Die Abweichungen der Strecke zwischen dem Mittelpunkt der Kugel und ihrer Oberfläche beträgt an keiner Stelle mehr als 30 Nanometer (30 Millionstel Millimeter). Preislich können denn auch nicht einmal Luxusgegenstände mit ihnen konkurrieren: Allein das Grundmaterial hat einen Wert von 1,2 Millionen Euro. Jede Kugel kostet rund 1 Million Euro.

Nun werden die Wissenschaftler die Kugeln in einer Vakuumkammer mit Hilfe von hochpräzisen Geräten genau vermessen: die Oberflächentopographie, das Volumen und die Masse, dazu das Volumen einzelner Atome und deren Abstand im Kristallgitter. Diese Messungen – es werden mehrere tausend sein – nehmen voraussichtlich zwei Jahre in Anspruch. Dann sind die Wissenschaftler in der Lage, aus dem Volumen und der Masse der Kugel sowie aus dem Volumen eines Atoms die Anzahl der Atome in der Kugel zu berechnen.

Anhand dieser Zahl können sie dann das Kilogramm neu definieren. Außerdem erhoffen sich die Braunschweiger Wissenschaftler eine weitere wichtige Erkenntnis: Sie wollen die Avogadro-Konstante bestimmen. Das ist die Zahl von Atomen oder Molekülen in einer bestimmten Menge, nämlich einem Mol eines Stoffes.

Die Braunschweiger sind nicht die einzigen, die an einer Neudefinition des Kilogramms arbeiten. So versuchen Wissenschaftler aus Großbritannien, den USA, der Schweiz und Frankreich das Kilogramm mit einer Wattwaage zu definieren. Diese Waage wiegt Gewichtsstücke mit Hilfe eines speziellen Elektromagneten.

Derzeit liegen die Briten und die Amerikaner im Rennen um das Kilogramm vorn. Allerdings kommen die Wattwaagen noch zu unterschiedlichen Ergebnissen. Am Ende müssen für die Neudefinition des Kilogramms mehrere Experimente unabhängig voneinander zum gleichen Ergebnis kommen.

Eine Neubestimmung des Gewichts ist auch deshalb nötig geworden, weil das Urkilogramm in Paris langsam an Masse verliert: Bei jedem Reinigungsvorgang gehen einige Atome verloren. Für das Abwiegen von Butter oder Mehl hat dies zwar wenig Bedeutung. Für wissenschaftliche Zwecke ist die genaue Bestimmbarkeit einer Basiseinheit wie die Sekunde oder das Kilogramm hingegen wichtig.