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Das Urkilo liegt seit 114 Jahren in Frankreich – Berliner Forscher basteln nun an einer neuen Gewichtseinheit

Heiko Schwarzburger

Im Industriezeitalter galt Metall noch als unverwüstlich. Und so gossen französische Metallurgen in Sèvres bei Paris vor 114 Jahren 42 Metallklötze aus einer Platin-Iridium-Legierung. Die Massen sollten jede für sich genau ein Kilogramm verkörpern. Sie unterschieden sich im Gewicht höchstens um ein Milligramm.

Ähnlich wie beim Urmeter, ein exakt vermessener Stab aus der gleichen Legierung, waren damit die Prototypen geschaffen, nach denen sich fortan alle Waagen auf der Welt eichen ließen. 30 der 42 Metallklötze gingen als nationale Unikate an andere Staaten. Doch das Urkilo liegt nach wie vor in Sèvres: unter Glas in einem Stahlschrank, fünfzehn Meter tief unter der Erde.

Doch die Abgeschiedenheit schützt offenbar vor Veränderung nicht. Wissenschaftler fanden heraus, dass die einst gegossenen Maße nach und nach ein klein wenig voneinander abweichen. „Die Vergleichsmessungen legen den Schluss nahe, dass die Masse des Urkilogramms zeitlich nicht konstant ist“, sagt Ernst Göbel, der Chef der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig.

Für die Haushaltswaage mögen winzige Veränderungen von millionstel Milligramm unbedeutend erscheinen. Wer mit Millionen Tonnen handelt oder die Massen von Planeten berechnet, bei dem summieren sich kleinste Abweichungen beim Prototypen jedoch am Ende zu riesigen Ungenauigkeiten.

Derzeit läuft an der PTB ein Forschungsprojekt, in dem die Wissenschaftler versuchen, das Kilogramm neu zu definieren. Sie wollen dabei auf eine Naturkonstante zurückgreifen: die Avogadro-Konstante.

Der italienische Physiker Amedeo Avogadro (1776-1856) stellte fest, dass die Anzahl der Atome eines Elements in einer bestimmten Masseneinheit (Mol) immer gleich ist. Eine Naturkonstante ermöglicht es damit, das Gewicht oder die Masse über die Zahl der Atome zu bestimmen. Das hört sich so einfach an wie Erbsenzählen. Doch in den Laboren arbeiten die Forscher fieberhaft daran, zahlreiche physikalische und technologische Hürden zu nehmen.

Klar ist schon, dass der neue Prototyp des Kilogramms durch eine Siliziumkugel dargestellt werden könnte. „Weil sich Silizium als einziges Material ausreichend rein, strukturperfekt und langzeitstabil herstellen lässt", erläutert Helge Riemann vom Berliner Institut für Kristallzüchtung, wo der hochreine Kristall entstehen soll. Die neue Kilogrammkugel hätte einen Durchmesser von rund 92 Millimetern.

Riemann und seine Arbeitsgruppe haben einzigartige Erfahrungen mit diesem Werkstoff. Normalerweise entwickeln sie neue Halbleiter aus Silizium und Verfahren für die Chipindustrie. Das Avogadro-Projekt zwang sie, andere Wege zu beschreiten.

Drei Atomsorten sind zwei zu viel

Ein Problem ist beispielsweise, dass Silizium in der Natur mit drei verschiedenen Spielarten der Atome (Isotope) auftritt. Sie haben ein Atomgewicht von 28, 29 und 30, je nach Herkunft und Lagerstätte. Riemann und seine Kollegen brauchen nach Möglichkeit einen Kristall, der aus einem einzigen Silizium-Isotop besteht.

Silizium-28 ist das leichteste unter ihnen. Es macht 92 Prozent des weltweit verfügbaren Siliziums aus. Doch so leicht lässt es sich nicht von seinen Geschwistern oder chemischen Fremdstoffen trennen. Dazu bedarf es leistungsfähiger Zentrifugen und eines komplizierter chemischer Trennverfahrens. Wer kann so etwas?

Die Trennung von Siliziumisotopen ähnelt technologisch der Separation von Uranisotopen, wie sie bei der Aufbereitung von spaltbarem Material für Atombomben angewandt wird. An einem Institut des russischen Ministeriums für Atomwirtschaft in Sankt Petersburg wurden früher gasförmige Uranverbindungen in Zentrifugen geschleudert, um das waffentaugliche Uran-235 zu erhalten. Mit Hilfe finanzieller Unterstützung aus dem Ausland wird diese Technologie nun genutzt, um Siliziumisotope in Form von Siliziumtetrafluorid zu separieren.

Die Isotopenschleuder rotiert mit zigtausend Umdrehungen pro Minute. „Für Atombomben genügte eine Urananreicherung von 90 Prozent“, berichtet Nikolai Abrosimow, gleichfalls Siliziumexperte am Berliner Institut. „Für einen reinen Kristall aus Silizium-28 brauchen wir aber fast 100 Prozent, ohne chemische Verschmutzung. Das erfordert viel mehr Aufwand, verfeinerte Geräte und neue Reinigungsprozeduren."

Um das ausgeschleuderte Silizium von chemischen Fremdstoffen zu reinigen, wird es als flüssiges Silikan aufbereitet. Silikan hat die selbe chemische Struktur wie Methan, nur dass anstelle des Kohlenstoffatoms ein Siliziumatom zwischen vier Wasserstoffatomen haust. Schon bei Raumtemperatur lässt es sich destillieren. Anschließend wird der Wasserstoff bei 850 Grad Celsius abgetrennt, so dass nur das Silizium-28 übrig bleibt. Das machen Forscher am Institut für höchstreine Stoffe der Akademie der Wissenschaften Russlands in Nischni-Nowgorod.

Ein Gewicht aus reinem Kristall

Kleinere Chargen von 200 Gramm konnten die russischen Partner vor einem halben Jahr bereits nach Berlin liefern. Das war ein Durchbruch. Am Institut für Kristallzüchtung wurde aus dem Silizium-28-Material ein hochreiner Einkristall gezogen, aufgeschmolzen bei 1400 Grad Celsius. Auch dies war Neuland, denn die innere Struktur des Kristalls darf keinerlei Verwerfungen oder chemische Verunreinigungen aufweisen. „In gut drei Jahren könnten wir die technologischen Probleme in den Griff bekommen“, schätzt Helge Riemann. „Dann wäre es denkbar, das Kilogramm durch Siliziumkugeln zu verkörpern.“ Die Genauigkeit dieser Methode könnte deutlich besser sein, als es die Beständigkeit Urkilos erlaubt.

Und wie viele Atome stecken nun in einem Kilo Silizium-28? Riemann nimmt einen Taschenrechner zur Hand, nennt eine Zahl, so groß, dass man sie in einer Zeitungszeile nicht drucken könnte. Er lächelt. „Drücken wir es mal so aus: Wenn Sie in der Sekunde eine Million Atome zählen könnten, bräuchten Sie rund 680 Milliarden Jahre, um auf die Zahl zu kommen."

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