Kilogramm wird neu definiert: PTB entwickelt „Planck-Waage“

14. Juni 2017
Prototyp der Planck-Waage. Foto: TU Ilmenau
Braunschweig. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) entwickelt als Vorbereitung auf die Neudefinition des Kilogramm gemeinsam mit der Technischen Universität Ilmenau eine sogenannte Planck-Waage. Sie arbeitet nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation.

Eine Gewichtskraft auf der einen Seite der Waage wird durch eine elektromagnetische Kraft auf der anderen Seite ausgeglichen. Gewichtsstücke, sogenannte Masse-Normale, die Waagen bisher „sagen“, wie groß die Masse auf der Waage tatsächlich ist (zum Beispiel 1 kg), werden dann nicht mehr benötigt. Ende des Jahres soll den Wissenschaftlern ein erster Prototyp der Planck-Waage zur Verfügung stehen. Damit kann geprüft werden, welche Entwicklungsschritte noch nötig sind, um die Waage für den industriellen Einsatz tauglich zu machen. Dies könnte der Startschuss für die Entwicklung einer ganz neuen, industrietauglichen Waagengeneration sein.

Urkilogramm hat ausgedient

Angestoßen wird die Entwicklung der Planck-Waage durch die bevorstehende Neudefinition des Kilogramm: Das Urkilogramm, ein kleiner Metallzylinder in einem Safe nahe Paris, wird bald ausgedient haben. An seine Stelle rückt eine Kilogramm-Definition auf Grundlage einer unzerstörbaren und unveränderlichen Naturkonstante: des Planck‘schen Wirkungsquantums h. Der Name „Planck-Waage“ spielt auf eben diese Konstante an. Hat man den Wert von h international erst einmal festgelegt, können Massen allein über die Messung elektrischer Größen bestimmt werden.

Ein weiterer Vorteil der Planck-Waage ist der kontinuierliche Messbereich. Der erste Prototyp wird zwar lediglich einen Messbereich von 1 mg bis 100 g erreichen, doch der des bereits geplanten Nachfolgers soll dann schon von 1 mg bis 1.000 g reichen. Vergleichbare Waagen könnten direkt für Wägungen in der Industrie eingesetzt werden, als sogenannte Primärnormale, da eine Kalibrierung mit Normalgewichten entfällt. Langfristig könnte mit der Planck-Waage aber auch gerade bei kleinen Massen eine höhere Genauigkeit erreicht werden als mit bisherigen Normalgewichten für den industriellen Einsatz. Das bei der Entwicklung der Planck-Waage in der PTB gewonnene Know-how wird also sowohl der Wirtschaft allgemein zugutekommen als auch die weltweit führende Stellung der deutschen Waagenindustrie stärken.

Zwei Experimente sollen bei Definition helfen

Während die PTB schon über die praktischen Folgen und Chancen der neuen Kilogramm-Definition nachdenkt, ist die Neudefinition selbst noch in vollem Gange. Auch hier ist die PTB als weltweit führendes Metrologieinstitut maßgeblich beteiligt. Zwei Experimente werden weltweit verfolgt, um das Ziel einer Kilogrammdefinition auf der Basis von Naturkonstanten zu erreichen: Das Avogadro-Experiment, bei dem die Zahl der Atome in einem nahezu perfekt kugelförmigen Kristall aus isotopenreinem Silizium zu bestimmen ist, und die Kibble-Waage (oder Watt-Waage), bei der die Gewichtskraft einer Masse im Schwerefeld der Erde durch eine elektromagnetische Kraft kompensiert wird. Bei beiden Experimenten wird der Wert des Planck‘schen Wirkungsquantums ermittelt, sodass sich beide Ansätze auf der Ziellinie treffen.

Während die PTB vor allem den Weg über die Siliziumkugel beschreitet, favorisieren das US-amerikanische NIST und das kanadische NRC die Kibble-Waage. Um jedoch bei der späteren Weitergabe der Masseeinheiten an die Industrie beide Pfade anbieten zu können, hat die PTB gemeinsam mit der TU Ilmenau die Prototypentwicklung einer Planck-Waage (als industrietaugliche Variante einer Kibble-Waage) angestoßen.

Das Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der TU Ilmenau, das die Planck-Waage federführend unter der wissenschaftlichen Verantwortung von Professor Thomas Fröhlich mitentwickelt, ist im Bereich der industriellen Kraftmess- und Wägetechnik und der nanometergenauen Lasermesstechnik weltweit führend. In den vergangenen zehn Jahren wurden hier Messgeräte entwickelt, die als „genaueste Waage der Welt“ galten. Die Erkenntnisse, die aus der Entwicklung eines sogenannten 1 kg-Prototypkomparators gewonnen wurden, flossen direkt in die Forschung zur Planck-Waage ein. Dieser hochgenaue Massekomparator wird bereits in metrologischen Staatsinstituten auf der ganzen Welt für den Vergleich von Kilogramm-Prototypen eingesetzt.

Förderung durch den Bund

Das Projekt wird im Rahmen des VIP+-Programms des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gefördert und hat ein Investitionsvolumen von 1,5 Millionen Euro. Projektträger ist die VDI/VDE Innovation + Technik GmbH.

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