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Das Kilogramm muss möglicherweise auf Diät gehen. Der internationale Standard, ein zylinderförmiger Metallklumpen, der die grundlegende Einheit der Masse definiert, hat einer neuen Studie zufolge durch Oberflächenverunreinigungen einige Dutzend Mikrogramm an Masse gewonnen.

Als Ergebnis hat jedes Land, das eine dieser Standardmassen hat, eine leicht unterschiedliche Definition des Kilogramms, was wissenschaftliche Experimente, die sehr präzise Gewichtsmessungen erfordern, oder den internationalen Handel mit stark eingeschränkten Gegenständen, die durch ihr Gewicht eingeschränkt sind, wie z. B. radioaktive Materialien, beeinträchtigen könnte.

Mit Ozon und ultraviolettem Licht könnten die Kilogramme jedoch gereinigt werden, ohne sie zu beschädigen, so die Forschungsergebnisse.

Die in der Januar-Ausgabe der Zeitschrift Metrologia beschriebene Reinigungstechnik könnte sich schließlich durchsetzen, um die grundlegende Einheit der Masse einheitlicher zu gestalten.

Da es sich um eine praktische Technik handelt, die ohne großen Zeit- und Kostenaufwand eingesetzt werden kann, könnte sie auf breiter Basis angewendet werden, so Richard Davis, ein Metrologieexperte, der das Internationale Büro für Maße und Gewichte in Paris berät und nicht an der Studie beteiligt war.

Gemeinsamer Standard

Das Kilogramm wurde erstmals auf der Meterkonvention im Jahr 1875 als internationaler Standard angenommen. Damals waren Wissenschaftler frustriert, dass es keine einheitliche, standardisierte Methode gab, um Masse mit hoher Präzision zu messen.

Um das Problem zu lösen, schufen Wissenschaftler einen zylindrischen Massenklumpen aus Platin und einer Platin-Iridium-Legierung, das so genannte Internationale Prototyp-Kilogramm (IPK). Der Zylinder, der ungefähr 2,2 Pfund (1 Kilogramm) wiegt, ist die Definition des Kilogramms. Das Kilogramm ist eine von sieben internationalen Standard-Basiseinheiten.

In den 1880er Jahren wurden etwa 40 dieser Prototyp-Kilogramme an Länder verteilt, die die Meterkonvention unterzeichnet hatten, sagte der Mitautor der Studie, Peter Cumpson, ein Metrologieexperte an der Universität Newcastle in Großbritannien.

Schmutzige Gewichte

Schon damals erkannten die Wissenschaftler, dass Verunreinigungen die Oberfläche des Kilogramms beschichten könnten. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, formten sie die Gewichte zu Zylindern, die weniger Oberfläche haben, um Staub und Schmutz aufzunehmen. Die IPKs werden in gefilterter Laborluft bei konstanter Temperatur und konstantem Druck gelagert, aber es gibt keine Möglichkeit, sie vollständig von Luftverschmutzung und Verunreinigung zu isolieren, so Cumpson gegenüber LiveScience.

Um sie zu reinigen, reibt ein erfahrener Techniker die Zylinder mit in Alkohol getauchtem Fensterleder ab. Da aber jedes Land seine Kilogramme anders und zu unterschiedlichen Zeiten reinigt, weicht jedes Kilogramm auf der Welt um einen anderen, unbekannten Betrag ab.

Reinigung des Kilogramms

Um zu sehen, wie das Kilogramm an Gewicht zunimmt, hat Cumpsons Team ein bildgebendes Verfahren namens Röntgenspektroskopie verwendet, um Oberflächen zu untersuchen, die denen der IPKs ähneln. Diese Oberflächen nahmen pro Jahrzehnt Dutzende von Mikrogramm an Kohlenstoff- und Quecksilberverunreinigungen auf. Und obwohl ein paar Dutzend Mikrogramm nicht viel sind, spielen sie bei der Messung von Dingen wie radioaktiven Stoffen eine Rolle, so Cumpson.

Der Kohlenstoff stammt wahrscheinlich aus Autoabgasen, während die Quecksilberkontamination auftrat, weil mit Quecksilber gefüllte Thermometer und Barometer in den Labors gelegentlich kaputt gehen.

Das Team fand auch heraus, dass die Behandlung mit Ozon und ultraviolettem Licht die Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen auf der Oberfläche zuverlässig aufbrechen kann, wodurch eine gleichbleibende Menge an kohlenstoffbasierter Kontamination entfernt wird. Das Quecksilber bleibt jedoch wahrscheinlich, so Cumpson.

Es gibt zwar noch andere Methoden, aber „die UV-Ozon-Methode ist wirklich die einzige, die mit dem manuellen Reiben konkurrieren kann“, so Cumpson.

Grundkonstanten

Langfristig wollen die meisten Wissenschaftler jedoch von der Definition des Kilogramms auf der Grundlage eines Metallstücks wegkommen. Stattdessen sollte es auf einem fundamentalen Naturgesetz beruhen, so Davis.

„Ich denke, die Definition wird in den nächsten fünf bis zehn Jahren geändert werden“, so Davis gegenüber LiveScience.

Eine Möglichkeit ist die Verwendung eines elektromagnetischen Geräts, das immer die gleiche Kraft erzeugt, aus der dann die Masse berechnet werden kann, so Cumpson.

Anmerkung der Redaktion: Dieser Artikel wurde am 7. Januar um 12:30 Uhr Eastern Time aktualisiert, um den Unterschied zwischen Gewicht und Masse zu verdeutlichen.

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