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Präzise Messen

Eine neue Waage für das neue Kilogramm

| Redakteur: Rebecca Vogt

Der Prototyp der Planck-Waage. Ende des Jahres soll er einsetzbar sein, so das Ziel der Forscher.
Der Prototyp der Planck-Waage. Ende des Jahres soll er einsetzbar sein, so das Ziel der Forscher. (Bild: TU Ilmenau)

2018 wird das Kilogramm neu definiert. An der Technischen Universität (TU) Ilmenau und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) arbeiten Forscher gemeinsam an einer Waage, die das neue Kilogramm messen können soll: die Planck-Waage.

Seit 1889 steht es abgeschirmt von drei Glasglocken in einem Tresor bei Paris: Das Ur-Kilogramm, ein 4 cm kleiner Zylinder aus Platin und Iridium. Doch das Kilogramm verliert an Gewicht: In hundert Jahren hat es 50 Millionstel Gramm verloren. Da sich alle Waagen auf der ganzen Welt über Umwege auf dieses Unikat beziehen, wird allenthalben, wenn auch nur minimal, falsch gewogen. Denn während das Ur-Kilo immer leichter wird, bleiben baugleiche Kopien des Prototyps weltweit stabil – was aber, da ja das Ur-Kilo das Maß aller Dinge ist, theoretisch bedeutet, dass sie langsam schwerer werden.

Kilogramm wird 2018 neu definiert

Daher benötigt man einen neuen Standard, der sich niemals verändert, nicht beschädigt werden oder gar verloren gehen kann. Im kommenden Jahr wird das Kilogramm deswegen eine Revolution erfahren. Auf der 26. Generalkonferenz für Maß und Gewicht in Paris soll ein neues Kilogramm verabschiedet werden – eines, das nicht mehr über einen Gegenstand, eine physische Masse, definiert wird, sondern über eine Naturkonstante: die Planck-Konstante.

Elektromagnetische Kraft ersetzt Massegewichte

Der internationale Kilogramm-Protoyp, das Ur-Kilogramm, wird unter drei Glasglocken im Internationalen Büro für Maß und Gewicht (BIPM) in Sèvres bei Paris aufbewahrt.
Der internationale Kilogramm-Protoyp, das Ur-Kilogramm, wird unter drei Glasglocken im Internationalen Büro für Maß und Gewicht (BIPM) in Sèvres bei Paris aufbewahrt. (Bild: PTB/BIPM)

Das neue Kilogramm benötigt eine neue Waage: Die hochpräzise, stufenlos messende Planck-Waage, die von der TU Ilmenau und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt derzeit entwickelt wird, funktioniert nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation. Vereinfacht gesagt, wird ein zu wiegendes Massestück auf der einen Seite der Waage durch eine elektrische Kraft auf der anderen Seite aufgewogen.

Diese elektrische Kraft ist untrennbar mit der Planck-Konstante verbunden und lässt sich so unmittelbar auf die neue Kilogramm-Definition zurückführen. Die hochpräzise elektronische Waage misst also nicht wie bisher mit Bezug auf das Ur-Kilogramm oder unter Einsatz von Gewichtsstücken, sondern bezieht sich mit der Planck-Konstante auf eine unveränderliche Naturkonstante.

Einsatzfähiger Prototyp bis Ende des Jahres

Da die Waage das erste selbstkalibrierende Messgerät seiner Art ist, werden Masse-Normale, die bisher als Referenzmassen für die Kalibrierung von Waagen dienen, nicht benötigt. Ein weiterer Vorteil der Planck-Waage ist ihr großer Messbereich: Er reicht von einem Milligramm bis zu einem Kilogramm.

Ende dieses Jahres wird ein erster Prototyp der Waage einsetzbar sein, wie die TU Ilmenau mitteilt. Das 1,5 Millionen-Euro-Projekt zur Entwicklung der Planck-Waage wird im Rahmen des „VIP+-Programms“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gefördert.

Waagen weltweit müssen kalibriert werden

Die Waage soll anschließend weltweit zum Kalibrieren anderer Waagen dienen, damit diese mit der neuen Methode in Übereinstimmung gebracht werden. Sie kann aber auch direkt in der Industrie eingesetzt werden, um Gewichtsstücke zu messen. Zudem haben zahlreiche gesellschaftliche Bereiche einen großen Bedarf an hochpräzisen Waagen: Pharmaunternehmen zum Dosieren von Medikamenten, Eichämter zum Kalibrieren von Lebensmittelwaagen und die Polizei bei forensischen Untersuchungen, beim Nachweis von Giftstoffen und in der Ballistik.

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