Das Umwelt-Lexikon

English: Prototype Kilogram / Español: Kilogramo patrón / Português: Quilograma protótipo / Français: Kilogramme étalon / Italiano: Chilogrammo campione

Das Urkilogramm ist ein zentraler Bezugspunkt in der Geschichte der Messtechnik und spielt eine entscheidende Rolle für die Definition von Masse in Wissenschaft, Industrie und Handel. Ursprünglich als physischer Referenzkörper geschaffen, diente es über ein Jahrhundert lang als globale Norm für die Einheit Kilogramm. Seine Bedeutung reicht jedoch weit über die reine Metrologie hinaus, da es indirekt auch Umweltaspekte berührt – etwa durch die Materialien, die für seine Herstellung und Lagerung verwendet wurden, oder durch die globalen Anstrengungen, die mit seiner Ablösung durch eine naturkonstante Definition verbunden sind.

Allgemeine Beschreibung

Das Urkilogramm, offiziell als "Internationaler Kilogrammprototyp" (IKP) bezeichnet, war ein Zylinder aus einer Platin-Iridium-Legierung mit einer Höhe und einem Durchmesser von jeweils 39 Millimetern. Es wurde 1889 während der ersten Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) als verbindlicher Standard für die Masse festgelegt und im Internationalen Büro für Maß und Gewicht (BIPM) in Sèvres bei Paris aufbewahrt. Die Wahl der Legierung aus 90 Prozent Platin und 10 Prozent Iridium erfolgte aufgrund ihrer hohen Dichte, Korrosionsbeständigkeit und geringen thermischen Ausdehnung, um eine möglichst stabile Masse zu gewährleisten.

Als physisches Artefakt war das Urkilogramm jedoch nicht frei von Herausforderungen. Trotz strenger Lagerungsbedingungen – unter drei Glasglocken in einem klimatisierten Tresor – zeigte es im Laufe der Zeit minimale, aber messbare Veränderungen seiner Masse. Diese Abweichungen, die im Mikrogrammbereich lagen, wurden durch Vergleiche mit offiziellen Kopien festgestellt, die an nationale Metrologieinstitute verteilt worden waren. Die Ursachen für diese Schwankungen sind bis heute nicht vollständig geklärt, könnten jedoch auf Oberflächenkontaminationen, Gasadsorption oder Materialermüdung zurückzuführen sein.

Die Abhängigkeit von einem einzigen physischen Objekt warf grundsätzliche Fragen zur Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit des Kilogramms auf. Da alle anderen SI-Basiseinheiten bereits auf Naturkonstanten basierten, wurde die Notwendigkeit einer Neudefinition des Kilogramms immer dringlicher. Dieser Prozess mündete 2019 in der historischen Entscheidung, das Kilogramm über die Planck-Konstante zu definieren, wodurch das Urkilogramm seine Funktion als primärer Standard verlor. Dennoch bleibt es ein wichtiges historisches und wissenschaftliches Objekt, das die Entwicklung der Messtechnik maßgeblich geprägt hat.

Historische Entwicklung

Die Entstehung des Urkilogramms ist eng mit der Französischen Revolution und dem Bestreben verbunden, ein einheitliches und rationales Maßsystem zu schaffen. 1795 wurde das Kilogramm zunächst als die Masse eines Kubikdezimeters Wasser bei seiner maximalen Dichte (4 Grad Celsius) definiert. Diese Definition erwies sich jedoch als unpraktikabel, da die Messung der Wassermasse von Temperatur, Druck und Reinheit abhängig war. Um eine stabilere Referenz zu schaffen, wurde 1799 der "Kilogramme des Archives" aus Platin hergestellt, der als erster physischer Prototyp diente.

Mit der Gründung des BIPM im Jahr 1875 und der Unterzeichnung der Meterkonvention durch 17 Staaten wurde die Grundlage für ein internationales Einheitensystem gelegt. 1889 wurde der Internationale Kilogrammprototyp aus der Platin-Iridium-Legierung geschaffen und als verbindlicher Standard eingeführt. Dieser Prototyp ersetzte den "Kilogramme des Archives" und wurde zur Grundlage für alle nationalen Kilogrammstandards weltweit. Die nationalen Institute erhielten offizielle Kopien, die regelmäßig mit dem Urkilogramm verglichen wurden, um die Einheitlichkeit der Masse zu gewährleisten.

Im 20. Jahrhundert wurden zunehmend präzisere Messmethoden entwickelt, die die Grenzen des physischen Prototyps offenbarten. Insbesondere die Entdeckung der Quantenphysik und die Möglichkeit, Naturkonstanten mit hoher Genauigkeit zu messen, ebneten den Weg für eine Neudefinition des Kilogramms. Nach jahrzehntelanger Forschung wurde 2018 auf der 26. CGPM beschlossen, das Kilogramm über die Planck-Konstante (h) zu definieren, die mit einer Wattwaage oder einem Siliziumkugel-Experiment bestimmt werden kann. Diese Neudefinition trat am 20. Mai 2019 in Kraft und markierte das Ende der Ära des Urkilogramms als primären Standard.

Technische Details und Materialeigenschaften

Das Urkilogramm besteht aus einer Legierung von 90 Prozent Platin und 10 Prozent Iridium, die aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften für metrologische Anwendungen ausgewählt wurde. Platin zeichnet sich durch eine hohe Dichte (21,45 Gramm pro Kubikzentimeter) und eine außergewöhnliche chemische Beständigkeit aus, während Iridium die Härte und mechanische Stabilität der Legierung erhöht. Die Dichte der Legierung beträgt etwa 21,5 Gramm pro Kubikzentimeter, was eine kompakte Bauform des Prototyps ermöglichte. Die Oberfläche des Zylinders wurde hochglanzpoliert, um Verunreinigungen und Abrieb zu minimieren.

Die Lagerung des Urkilogramms erfolgte unter streng kontrollierten Bedingungen, um äußere Einflüsse zu minimieren. Es wurde in einem Tresor des BIPM aufbewahrt, der mit drei Glasglocken ausgestattet war, um es vor Staub, Feuchtigkeit und mechanischen Beschädigungen zu schützen. Die Temperatur und Luftfeuchtigkeit im Tresor wurden konstant gehalten, um thermische Ausdehnung oder Korrosion zu vermeiden. Trotz dieser Maßnahmen zeigten Vergleichsmessungen mit den nationalen Kopien, dass das Urkilogramm im Laufe der Zeit an Masse verlor – ein Phänomen, das als "Drift" bezeichnet wird. Die genauen Ursachen dieser Drift sind nicht vollständig geklärt, doch es wird vermutet, dass Oberflächenreaktionen mit der Umgebungsluft oder die Freisetzung von eingeschlossenen Gasen eine Rolle spielten.

Die Neudefinition des Kilogramms über die Planck-Konstante ermöglicht es, die Einheit der Masse ohne physische Referenz zu realisieren. Die Planck-Konstante (h = 6,626 070 15 × 10^-34 Joule-Sekunden) verknüpft die Masse eines Objekts mit seiner Energie und ermöglicht so eine präzise und reproduzierbare Definition. Diese Methode nutzt entweder die Wattwaage, die die elektromagnetische Kraft mit der mechanischen Gewichtskraft vergleicht, oder das Avogadro-Projekt, bei dem die Anzahl der Atome in einer hochreinen Siliziumkugel gezählt wird. Beide Ansätze bieten eine Genauigkeit, die mit dem physischen Prototyp nicht erreichbar war.

Umweltaspekte und Nachhaltigkeit

Die Herstellung und Lagerung des Urkilogramms sowie die globale Verbreitung seiner Kopien hatten indirekte Auswirkungen auf die Umwelt, die vor allem mit dem Abbau und der Verarbeitung der verwendeten Edelmetalle verbunden sind. Platin und Iridium werden in Bergwerken gewonnen, die oft mit erheblichen ökologischen und sozialen Folgen einhergehen. Der Abbau dieser Metalle erfordert den Einsatz großer Mengen an Energie und Wasser, führt zur Zerstörung von Ökosystemen und kann die Freisetzung von Schadstoffen wie Schwefeldioxid oder Schwermetallen verursachen. Zudem sind die Arbeitsbedingungen in vielen Minen problematisch, was soziale Konflikte und Gesundheitsrisiken für die Beschäftigten nach sich zieht.

Die Neudefinition des Kilogramms über Naturkonstanten trägt dazu bei, diese Umweltbelastungen langfristig zu reduzieren. Da keine physischen Prototypen mehr hergestellt oder transportiert werden müssen, entfällt der Bedarf an weiteren Edelmetallabbauen für metrologische Zwecke. Zudem ermöglicht die neue Definition eine dezentrale Realisierung der Masse, da nationale Metrologieinstitute die Einheit vor Ort mit hoher Genauigkeit reproduzieren können. Dies verringert den logistischen Aufwand und die damit verbundenen CO₂-Emissionen, die durch den Transport von Referenzmassen entstehen.

Ein weiterer Umweltaspekt betrifft die Entsorgung oder Wiederverwertung der bestehenden Prototypen. Da Platin und Iridium wertvolle Rohstoffe sind, könnten die nationalen Kopien des Urkilogramms recycelt werden, um die Nachfrage nach neu abgebauten Metallen zu reduzieren. Allerdings ist die Rückgewinnung dieser Metalle technisch aufwendig und erfordert spezielle Verfahren, um Verunreinigungen zu vermeiden. Dennoch bietet die Neudefinition des Kilogramms die Chance, die Metrologie nachhaltiger zu gestalten und ihren ökologischen Fußabdruck zu verringern.

Anwendungsbereiche

• Wissenschaft und Forschung: Das Urkilogramm war über ein Jahrhundert hinweg die Grundlage für präzise Massenmessungen in der Physik, Chemie und Biologie. Es ermöglichte die Kalibrierung von Waagen und Messgeräten, die in Experimenten und Analysen eingesetzt wurden, und trug so zur Entwicklung neuer Technologien und Materialien bei.
• Industrie und Handel: In der Industrie diente das Urkilogramm als Referenz für die Herstellung und Qualitätskontrolle von Produkten, insbesondere in Branchen wie der Pharmazie, Lebensmittelproduktion und Maschinenbau. Im Handel gewährleistete es die Einheitlichkeit von Gewichtsangaben und schützte Verbraucher vor Betrug.
• Metrologie und Normung: Das Urkilogramm war ein zentraler Bestandteil des Internationalen Einheitensystems (SI) und bildete die Basis für die Definition weiterer abgeleiteter Einheiten wie Newton (Kraft) oder Joule (Energie). Es spielte eine Schlüsselrolle bei der Harmonisierung von Messstandards weltweit und ermöglichte die Vergleichbarkeit von Daten über Ländergrenzen hinweg.
• Umweltmonitoring: Präzise Massenmessungen sind auch für das Umweltmonitoring von Bedeutung, etwa bei der Bestimmung von Schadstoffkonzentrationen in Luft, Wasser oder Boden. Das Urkilogramm trug dazu bei, die Genauigkeit solcher Messungen zu gewährleisten und damit fundierte Entscheidungen im Umweltschutz zu ermöglichen.

Bekannte Beispiele

• Nationaler Kilogrammprototyp Nr. 20 (Deutschland): Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig bewahrt eine offizielle Kopie des Urkilogramms auf, die regelmäßig mit dem Original in Paris verglichen wurde. Dieser Prototyp diente als Referenz für alle Massenmessungen in Deutschland und war ein zentrales Element der nationalen Metrologie.
• Avogadro-Projekt: Im Rahmen dieses internationalen Projekts wurde eine hochreine Siliziumkugel mit einem Durchmesser von etwa 93,6 Millimetern hergestellt, die exakt eine bestimmte Anzahl von Siliziumatomen enthält. Durch die Zählung dieser Atome konnte die Avogadro-Konstante mit hoher Genauigkeit bestimmt werden, was einen wichtigen Beitrag zur Neudefinition des Kilogramms leistete.
• Wattwaage (Kibble-Waage): Dieses Messgerät, das nach seinem Erfinder Bryan Kibble benannt ist, vergleicht die mechanische Gewichtskraft eines Objekts mit einer elektromagnetischen Kraft. Die Wattwaage spielte eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Planck-Konstante und ermöglichte so die präzise Neudefinition des Kilogramms.

Risiken und Herausforderungen

• Instabilität des physischen Prototyps: Die beobachteten Massenveränderungen des Urkilogramms stellten ein grundlegendes Problem dar, da sie die Zuverlässigkeit der Einheit infrage stellten. Selbst minimale Abweichungen konnten sich in hochpräzisen Anwendungen wie der Raumfahrt oder der Nanotechnologie gravierend auswirken.
• Abhängigkeit von einem einzigen Objekt: Die Tatsache, dass das Urkilogramm als einziger globaler Standard diente, barg das Risiko eines Verlusts oder einer Beschädigung. Ein solcher Vorfall hätte schwerwiegende Folgen für die internationale Messtechnik gehabt, da keine unmittelbare Alternative zur Verfügung stand.
• Umweltbelastungen durch Edelmetallabbau: Die Gewinnung von Platin und Iridium ist mit erheblichen ökologischen und sozialen Problemen verbunden, darunter die Zerstörung von Ökosystemen, Wasserverschmutzung und gesundheitliche Risiken für Minenarbeiter. Die Neudefinition des Kilogramms trägt dazu bei, diese Belastungen zu reduzieren.
• Technische Komplexität der neuen Definition: Die Realisierung des Kilogramms über die Planck-Konstante erfordert hochpräzise Messgeräte wie die Wattwaage oder Siliziumkugeln, die nicht in allen Ländern verfügbar sind. Dies könnte zu Ungleichheiten im Zugang zu präzisen Massenmessungen führen, insbesondere in Entwicklungsländern.
• Übergangsphase und Kompatibilität: Während der Umstellung auf die neue Definition mussten bestehende Messgeräte und Standards angepasst werden, um die Kontinuität der Messungen zu gewährleisten. Dieser Prozess war mit erheblichem Aufwand und Kosten verbunden, insbesondere für nationale Metrologieinstitute und Industrieunternehmen.

Ähnliche Begriffe

• Urmeter: Der Internationale Meterprototyp war ein physischer Referenzkörper aus Platin-Iridium, der von 1889 bis 1960 als Standard für die Längeneinheit Meter diente. Wie das Urkilogramm wurde auch der Urmeter durch eine naturkonstante Definition abgelöst, die auf der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum basiert.
• Planck-Konstante: Eine fundamentale Naturkonstante der Quantenphysik, die die Energie eines Photons mit seiner Frequenz verknüpft. Seit 2019 dient sie als Grundlage für die Definition des Kilogramms und verbindet so die makroskopische Welt der Massenmessung mit den Gesetzen der Quantenmechanik.
• Avogadro-Konstante: Diese Konstante gibt die Anzahl der Teilchen (Atome, Moleküle) in einem Mol eines Stoffes an und beträgt etwa 6,022 140 76 × 10²³. Sie spielte eine zentrale Rolle bei der Neudefinition des Kilogramms, insbesondere im Rahmen des Avogadro-Projekts.
• Metrologie: Die Wissenschaft vom Messen, die sich mit der Entwicklung, Anwendung und Harmonisierung von Messverfahren und -standards beschäftigt. Die Metrologie ist von grundlegender Bedeutung für Wissenschaft, Industrie und Handel und umfasst sowohl physische als auch naturkonstante Referenzen.

Zusammenfassung

Das Urkilogramm war über 130 Jahre hinweg der globale Standard für die Einheit der Masse und prägte die Entwicklung der Messtechnik in Wissenschaft, Industrie und Handel. Als physischer Prototyp aus Platin-Iridium ermöglichte es präzise und vergleichbare Massenmessungen weltweit, war jedoch aufgrund seiner Instabilität und der Abhängigkeit von einem einzigen Objekt mit Herausforderungen verbunden. Die Neudefinition des Kilogramms über die Planck-Konstante im Jahr 2019 markierte einen Meilenstein in der Metrologie und löste das Urkilogramm als primären Standard ab. Diese Veränderung trägt nicht nur zu einer höheren Genauigkeit und Reproduzierbarkeit bei, sondern reduziert auch Umweltbelastungen, die mit dem Abbau von Edelmetallen verbunden sind. Dennoch bleibt das Urkilogramm ein wichtiges historisches Artefakt, das die Fortschritte der Messtechnik und die Bedeutung naturkonstanter Definitionen für eine nachhaltige Zukunft verdeutlicht.

--

Quellen: Bureau International des Poids et Mesures (BIPM), Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Resolution 1 der 26. CGPM (2018), Avogadro-Projekt.