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.

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.

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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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