MesstechnikNano-Dreck am Urkilo verursacht Übergewicht

Das Urkilogramm in Paris und seine weltweiten Kopien haben Probleme, ihr Idealgewicht als Standardmaß zu halten. Schuld sind offenbar winzige Verunreinigungen. von Jan Osterkamp

Urkilogramm Maßeinheiten Paris Urkilo Standard

Das Urkilogramm aus Iridium und Platin wird zu seinem Schutz unter drei Glasglocken aufbewahrt.  |  © AFP/Getty Images

Die penible Zunft der Metrologen hat ein Problem: Ihr Urkilo hat Gewichtsschwankungen. In der nähe von Paris wird der "internationale Kilogrammprototyp" (IPK) unter Verschluss gehalten – ein Zylinder aus 90 Prozent Platin und zehn Prozent Iridium. Zwar soll der definitionsgemäß immer genau ein Kilo auf die Waage bringen. Doch er kann sein Gewicht nicht halten. Seine 40 weltweiten Kopien leiden sogar ständig unter unerklärlichem Gewichtsverlust.

Dramatisch sind die Unterschiede nicht – es geht um weniger als 100 Mikrogramm. Doch um als Standardmaß zur Kalibrierung zu taugen, muss so ein Kilo-Modell eben Idealgewicht haben. Und zwar immer. Warum das so schwierig ist, darüber konnten Forscher bislang nur spekulieren. Zuletzt berichteten Wissenschaftler davon, dass das Pariser Urkilo aus ungeklärtem Grund abgenommen habe.

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Zwei Forscher von der Newcastle University haben jetzt etwas anderes gemessen und sind des Rätsels Lösung nähergekommen. Die Messtechniker Peter Cumpson und Naoko Sano konnten nachweisen, dass der IPK um zehn Mikrogramm an Gewicht zugelegt hat, seit er 1875 als Weltstandard etabliert wurde. Dies gelang ihnen, indem sie das Urkilo mit einem speziellen Röntgengerät analysierten, das Oberflächen atomlagengenau untersucht. Es erfasst aus dem Material emittierte Elektronen. So entdeckten die Forscher, dass sich sehr dünne Schichten von Kohlenwasserstoffen auf den Kilo-Zylindern ablagern. Unsichtbare Dickmacher sozusagen.

Nach dem Waschen wieder Idealgewicht

Mit der gleichen Methode konnten die Wissenschaftler zeigen, dass eine intensive Reinigung gegen Urkilo-Übergewicht hilft. Wie sich zeigte, kann die dünne Schicht organischer Verunreinigungen durch Bestrahlung mit UV sowie durch Begasen mit Ozon abgetragen werden. Der Zylinder und seine Kopien erreichen nach dem Bad wieder ein identisches Ursprungsgewicht.

Erschienen auf spektrum.de

Erschienen auf spektrum.de  |  © Screenshot ZEIT ONLINE

Aufwendige Putzprogramme sind künftig nicht mehr nötig. Seit Längerem arbeiten Metrologen schon an einer neuen Definition des Kilogramms: Noch nimmt es eine Sonderstellung im internationalen SI-Einheitensystem ein, weil es als einzige der sieben Referenzgrößen durch ein angreifbares Artefakt definiert ist. Alle anderen – der Meter als Längenmaß, die Sekunde für die Zeit, das Ampere als Maßeinheit für den elektrischen Strom, das Kelvin für die Temperatur, das Mol als Basiseinheit der Stoffmenge sowie die Candela als Maß der Lichtstärke – sind durch Naturkonstanten festgelegt und aus ihnen jederzeit reproduzierbar.

Noch ist das Urkilo unersetzlich

Derzeit streiten die Forscher über die geeignetste Variante der Neudefinition anhand einer hochexakt gemessenen Naturkonstante. Der Meter ist etwa an die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum gekoppelt: Ein Meter ist exakt die Strecke, die das Licht in 1/299792458 Sekunden zurücklegt. Für die Kilogramm-Kalibrierung käme dabei das plancksche Wirkungsquantum h ins Spiel: Diese Konstante ist bestimmt über die Größe von Energiequanten in der Quantenmechanik und mit der Frequenz von Licht gekoppelt: E = hν. Kombiniert man dies mit der berühmten Formel E = mc2, so erhält man eine Definition für die Masse.

Leider ist eine genaue Bestimmung des planckschen Wirkungsquantums aber schwierig: Zwei konkurrierende Methoden lieferten zunächst recht unterschiedliche Werte, was diese Variante der Neudefinition vorerst auf Eis legte. Noch behält das Urkilo also seinen Job.

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Leserkommentare
  1. Wenn das Urkilo schwerer wird, werden Sie automatisch leichter. ;)

    8 Leserempfehlungen
    Antwort auf "Das ist nur fair"
  2. Wenn unter Gewicht die Gewichtskraft gemeint ist, sind die Abweichungen der Erdschwerkraft doch schon wesenlich höher als die hier genannten 100 Mikrogramm.

    Aber auch wenn immer nur am gleichen Ort gewogen würde, dürften sich auch Abweichungen schon allein dann geben, wenn einmal der Mond genau über dem Urkilo steht, noch mehr, wenn hinter diesem Mond auch noch die Sonne stünde.

    Kann da jemand helfen?

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    Es geht hier ja nicht um eine 'absolute' Masse, sondern um Massenvergleiche. Zum Eichen halt. Und dann ist der Absolutwert des Eichmaßes egal, wenn er nur fest definiert ist. "Messen" heißt ja "Vergleichen". In Ihrem Beispiel ist dann die Waage wirklich hinreichend in einem homogenen Gravitationsfeld befindlich, wo das Gewicht rein proportional zur Masse ist. Hoffentlich hab' ich mich verständlich ausgedrückt :-)

    • Acrux
    • 10. Januar 2013 2:07 Uhr

    ist eben nicht die Gewichtskraft gemeint, sondern die Groesse, die man mit der lokalen Beschleunigung multipliziert, um eine Kraft zu bekommen. Das Problem mit Waagen ist, dass sie in Wirklichkeit nur dieses Produkt, die Kraft, messen, und nicht das Gewicht selbst.

    eine Balkenwaage und schon wiegt das Kilo überall gleich viel.

    • Spieler
    • 09. Januar 2013 19:58 Uhr

    E = mc², nicht E = mc2, sollte es wohl heißen...

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    Redaktion

    So, jetzt ist auch die kleine 2 richtig formatiert.
    Herzliche Grüße.

  3. Es geht hier ja nicht um eine 'absolute' Masse, sondern um Massenvergleiche. Zum Eichen halt. Und dann ist der Absolutwert des Eichmaßes egal, wenn er nur fest definiert ist. "Messen" heißt ja "Vergleichen". In Ihrem Beispiel ist dann die Waage wirklich hinreichend in einem homogenen Gravitationsfeld befindlich, wo das Gewicht rein proportional zur Masse ist. Hoffentlich hab' ich mich verständlich ausgedrückt :-)

    2 Leserempfehlungen
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    Ich würde die Sache aber trotzdem gern verstehen.

    Wie erzeugt und definiert man ein homogenes Gravitationfeld?

    40 Kopien des Urkilo wuden weltweit verteilt. An jedem dieser Punkte ist die Gravitation aber anders.

    Wird das Kilo nur an dem jeweiligen Ort mit seinem jeweiligen, also objektiv abweichenden, Gewicht definiert. Und wie wird der Einfluss der Schwerkraft des Mondes eliminiert?

    Außerdem ist nicht klar wie die winzigen Abweichungen überhaupt ermittelbar sind. Die Definition für das Kilo ist doch das Urkilo. Wenn es eine andere Definition gäbe, mit der man das Gewicht des Urkilos messen könnte, bräuchte man das Urkilo nicht mehr.

  4. Ich würde die Sache aber trotzdem gern verstehen.

    Wie erzeugt und definiert man ein homogenes Gravitationfeld?

    40 Kopien des Urkilo wuden weltweit verteilt. An jedem dieser Punkte ist die Gravitation aber anders.

    Wird das Kilo nur an dem jeweiligen Ort mit seinem jeweiligen, also objektiv abweichenden, Gewicht definiert. Und wie wird der Einfluss der Schwerkraft des Mondes eliminiert?

    Außerdem ist nicht klar wie die winzigen Abweichungen überhaupt ermittelbar sind. Die Definition für das Kilo ist doch das Urkilo. Wenn es eine andere Definition gäbe, mit der man das Gewicht des Urkilos messen könnte, bräuchte man das Urkilo nicht mehr.

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    Antwort auf "Vergleichen"
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    Mr. Yoyo nimmt sich seine Waage und geht in Tokio zu dem Urkilo. Dort stellt er so lange an seinem Stellrad, bis diese für ein Kilo genau auch ein Kilo angibt.

    Wenn Mr. Carlos das Gleiche in Frankreich mit einem anderen Urkilo (unter einer anderen annähernd homogenen Feldverteilung) tut und sich beide Herren mit Ihren Waagen treffen, dann wird für jedes gemessene Objekt der gleiche "Relativwert" angezeigt, selbst wenn sie für die Messung zum Mond fliegen. Da zeigen die Waagen aber beide bspw. nur 0,2kg an.

    • gkh
    • 10. Januar 2013 9:16 Uhr

    Die andere ist die Trägheit.

    Das Gewicht hängt vom Gravitationsfeld ab, die Trägheit dagegen nicht.

  5. 7. Waage

    Mr. Yoyo nimmt sich seine Waage und geht in Tokio zu dem Urkilo. Dort stellt er so lange an seinem Stellrad, bis diese für ein Kilo genau auch ein Kilo angibt.

    Wenn Mr. Carlos das Gleiche in Frankreich mit einem anderen Urkilo (unter einer anderen annähernd homogenen Feldverteilung) tut und sich beide Herren mit Ihren Waagen treffen, dann wird für jedes gemessene Objekt der gleiche "Relativwert" angezeigt, selbst wenn sie für die Messung zum Mond fliegen. Da zeigen die Waagen aber beide bspw. nur 0,2kg an.

    2 Leserempfehlungen
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    wenn auch die Waagen in beiden Städten genau 1 Kilo anzeigen?

    Was ist aber, wenn in Paris gerade der Mond über der Waage steht, in Tokio aber nicht? Oder darf man nur bei gleichen Mondphasen messen?

  6. wenn auch die Waagen in beiden Städten genau 1 Kilo anzeigen?

    Was ist aber, wenn in Paris gerade der Mond über der Waage steht, in Tokio aber nicht? Oder darf man nur bei gleichen Mondphasen messen?

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    Antwort auf "Waage"
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    Tatsächlich gibt es bei Waagen mit derart geringer Messtoleranz Ausgleichstabellen für die jeweilige Mondphase. Diese beruhen auf Messreihen am jeweiligen Gerät und Korrekturberechnungen.

    Zum Geographischen Problem; Aufgrund der lokalen Unterschiede -(Abplattung, Abstand zum Massenschwerpunkt der Erde, Zentrifugalbeschleunigung in Abhängigkeit des Breitengrades etc.)- muss für den jeweiligen Standort sowieso die Erdbeschleunigung bestimmt werden.

    Ja, mein Fehler.

    Wird die Waage aus Tokio nach Paris gebracht und das Kilo auf ihr platziert, dann müsste sie zb 1.000001kg anzeigen. Die Waagen müssten damit an dem Platz bleiben, wo sie mit dem Urkilo geeicht wurden. Den wirklich exakten Wert erhält man dann anscheinend nur durch den unmittelbaren Vergleich mit dem Urkilo.

    Nächstes Mal verkaufe ich also mein Gold bei Mitternacht und gleichzeitiger Sonnenfinster (auf Neuseeland) sowie auf Meeresnullniveau.

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