Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Ausgabe 12/2016, 09.12.2016

Das Kilogramm neu definiert

Der Urkilogramm – also das Mass für das heutige Kilogramm – hat langsam ausgedient. Und deshalb soll das Kilogramm auf Basis einer Naturkonstante neu definiert werden. Mittels elektrischer Einheiten und mit Hilfe einer Wattwaage wird das Projekt am Schweizer Institut für Metrologie (METAS) realisiert.

(msc) Das METAS realisiert Masseinheiten wie den Meter oder das Kilogramm. Und um das Kilogramm dreht es sich bei dem Projekt Wattwaage, genauer gesagt soll das Kilogramm neu definiert werden. Denn dieses ist heute das letzte Mass, das noch auf einem materiellen Artefakt aus dem Jahre 1889 und nicht auf einer Naturkonstanten basiert.

Das sogenannte Urkilogramm, das in Paris lagert, besteht aus einem 39 mm × 39 mm grossen Zylinder aus einer Platin-Iridium-Legierung. Als materielles Objekt verändert sich dieses Artefakt über die Jahre hinweg, zum Beispiel durch Ablagerungen von Schmutz oder Abnutzung. 40 Kilogrammprototypen wurden damals in der ganzen Welt verteilt – auch beim METAS steht eins im Tresor. Bei einem Vergleich der Prototypen untereinander wurden über die Jahre hinweg Differenzen im Bereich um 50 Nanogramm festgestellt.

Um dieser Unsicherheit zu begegnen will man jetzt die Masseinheit Kilogramm durch eine Naturkonstante bestimmen. Unter der Verwendung von elektrischen Einheiten soll dieses Vorhaben realisiert werden und das unter anderem mit Hilfe einer Wattwaage.

Die Wattwaage ist ein hoch kompliziertes Messinstrument, das mehrere Grössen gleichzeitig mit äusserster Genauigkeit messen muss. Das METAS entwickelt aktuell eine solche Waage, ein von fünf stück weltweit. Dabei setzt man bei den notwendigen Elektroantrieben auf die Zusammenarbeit mit Maxon Motor. Bei dem komplexen Experiment, in dem ein sogenannter Massewechsler eine zentrale Rolle spielt, werden mechanische und elektrische Leistung präzise miteinander verglichen.

Eine wichtige Funktion in diesem Massewechsler, der im Prinzip ein 3-Achsen-Roboter ist, übernehmen Motoren des Herstellers aus Sarnen. Die Experimente für die Neudefinition des Kilogramms finden unter Hochvakuumbedingungen statt, sodass an die Antriebe hohe Anforderungen gestellt sind. Für diese Anwendung kommen deshalb vakuumtaugliche EC 22-HD-Motoren mit einer Leistung von 100 W mit MR-Encoder und die Positioniersteuerung EPO S2 24/5, ebenfalls von Maxon, zum Einsatz.

Um die Entstehung von Partikeln zu verhindern, werden ausschliesslich bürstenlose Motoren des Schweizer Herstellers eingesetzt. Der Massewechsler führt verschiedene Bewegungen aus, die es erlauben, eine exakte Messung während des Experiments durchzuführen. Die Antriebe sind unter anderem verantwortlich für die präzise Bewegung eines Drehtellers und für die horizontalen und vertikalen Bewegungen unterschiedlicher Bauteile des Massewechslers.

Eidgenössisches Institut für Metrologie, Forschung und Entwicklung METAS
3003 Bern-Wabern, 058 387 02 97
www.metas.ch

maxon motor ag
6072 Sachseln, Tel. 041 666 15 00
www.maxonmotor.com



Der als 3-Achsen-Roboter ausgeführte Massewechsler. (Bilder: METAS)


Die komplex aufgebaute Wattwaage soll das Kilogramm neu definieren.