TU-Ilmenau: Noch genauere Waage für das neue Kilogramm

Ab 20. Mai 2019, dem Weltmetrologietag, tritt ein neues Einheitensystem (SI) international in Kraft. Hier bestimmen Naturkonstanten, wie schwer ein Kilogramm ist und wie lang ein Meter. An der TU Ilmenau haben Forscher jetzt eine hochgenaue, verbesserte Waage entwickelt, die »Planck-Waage«.

Planck-Waage Bildquelle: © TU Ilmenau

Das Ur-Kilogramm – ein vier Zentimeter kleiner Zylinder aus Platin und Iridium, der seit 1889 unter drei Glasglocken in einem Tresor bei Paris steht – wird immer leichter. 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. Benötigt wurde ein neuer Standard, der sich niemals verändert, nicht beschädigt werden oder gar verloren gehen kann. 

Die Generalkonferenz für Maß und Gewicht in Paris verabschiedete im November 2018 ein neues „Kilogramm“ – eines, das nicht mehr über einen Gegenstand, eine physische Masse, definiert wird, sondern über eine Naturkonstante: die Planck-Konstante h. Der Name „Planck-Waage“ spielt auf eben diese Konstante an. Nachdem der Wert von h nach jahrelangen Forschungsanstrengungen international festgelegt wurde, können Massen allein über die Messung elektrischer Größen bestimmt werden.

Forschern der TU Ilmenau machten sich dies zu Nutze, um eine noch genauere Planck-Waage zu konstruieren. Sie funktioniert nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation. Hier 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. Professor Thomas Fröhlich vom Institut für Prozessmess- und Sensortechnik erklärt:

„Jedes Gewicht auf der Waage wird über eine Spule ausgeglichen und kann mit Hilfe elektrischer Kräfte vermessen werden. Damit kann die Planck-Waage stufenlos jedes Gewicht auf das Genaueste messen. Sie ist somit nicht nur in der Lage, sich mittels Referenzgewichten selbst zu kalibrieren, sondern auch in vielen Bereichen, bei denen es auf höchste Messgenauigkeit ankommt, beispielsweise bei der Herstellung von Medikamenten, für unterschiedlichste Messungen auch kleinster Mengen einsetzbar.“ Derzeit ist die Waage für präziseste Messungen beliebiger Gewichte im Messbereich von einem Milligramm bis hundert Gramm einsetzbar.

Dank der Anschaffung einer neuen, programmierbaren Anlage zur Messung der angelegten Hochspannung, einem so genannten Josephson-Array, konnte die Waage sogar noch weiter verbessert werden. Professor Fröhlich: „Die elektrische Spannung gehört zu den wichtigsten elektrischen Messungen im System der Planck-Waage. Sie wird benötigt, um die elektrisch erzeugten Kräfte sehr genau zu vermessen. Mit dem Josephson-Array – das den Gegenwert eines Einfamilienhauses hat – erreicht man nun bei 10 Volt eine Genauigkeit von bis auf 10 Stellen nach dem Komma. Im Vergleich zu den ersten Prototypen der Planck-Waage bedeutet das eine entscheidende Verbesserung.“

Damit arbeitet die Ilmenauer Entwicklung auf einem Niveau an Genauigkeit, das bisher nur an nationalen Metrologiebehörden wie der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig erreicht wurde.