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Das neue System der Einheiten

Die geplante Neudefinition der jetzigen sieben SI-Basiseinheiten betrifft im Wesentlichen die Einheiten Kilogramm, Mol, Ampere und Kelvin, mit den definierenden Konstanten Plancksches Wirkungsquantum h, Avogadrokonstante NA, Elementarladung e und Boltzmannkonstante k. Die anderen drei Basiseinheiten Sekunde, Meter und Candela werden lediglich in der sprachlichen Formulierung angeglichen, was jedoch keine Auswirkung auf die Realisierung hat. Die Generalkonferenz der Meterkonvention und das Internationale Komitee für Maße und Gewichte (CIPM) fordern bis zur Neudefinition der SI-Basiseinheiten eine noch bessere Kenntnis der definierenden Kostanten, vor allem von h und k. Es ist ebenfalls erforderlich, Messwerte dieser Konstanten durch mindestens zwei unabhängige Messmethoden zu bestimmen. Konsistente Messwerte, die bis zum 1. Juli 2017 zur Veröffentlichung in einer referierten Fachzeitschrift angenommen sind und dem Komitee für Daten in Wissenschaft und Technik (CODATA) vorliegen, werden in die Festlegung der Zahlenwerte von h und k eingehen.

Auch nach erfolgter Neudefinition der SI-Basiseinheiten sind deren Realisierung und Weitergabe unverändert vorrangige Aufgabe. Da die Methoden zur Messung der Konstanten nach dem momentan gültigen SI direkt auch zur Realisierung der entsprechenden Einheiten gemäß den neuen Definitionen herangezogen werden können, sind die jetzigen diesbezüglichen Arbeiten von großer zukünftiger Bedeutung. Die weitere Verfeinerung dieser Techniken sowie die Entwicklung vollständig neuer Methoden wird es nämlich in Zukunft erlauben, der Industrie immer genauere Realisierungen der Einheiten über ausgedehnte Messbereiche zur Verfügung zu stellen.

  • In der PTB wird die Bestimmung des Planckschen Wirkungsquantums h mithilfe von einkristallinen 28Si-Kugeln höchster Reinheit und Rundheit betrieben. Diese Messungen sind gleichbedeutend mit Messungen der Avogadrokonstante. Forschungsarbeiten in der PTB zu Messungen von Kugelvolumen, Gitterparameter, Isotopenverhältnis, chemischer Reinheit sowie die quantitative chemische Oberflächencharakterisierung werden intensiviert fortgeführt. Ziel ist, die relative Unsicherheit des Messwertes für h bzw. für NA unter 1,5 × 10–8 zu drücken.

  • Die PTB hat sich entschieden, für die künftige Realisierung des Kilogramms und des Mols Siliziumkugeln zu verwenden. Dazu wurde und wird hochangereichertes und chemisch hochreines 28Si beschafft. Die PTB hält die Fähigkeit vor, aus 28Si-Einkristallen pro Jahr mehrere Kugeln von 1 kg Masse mit einer Rundheitsabweichung im Bereich von 10–20 nm herzustellen. Damit wird sie das „neue“ Kilogramm als Primärrealisierung mit einer Unsicherheit von 2 × 10–8 oder besser darstellen können, indem sie alle dazu erforderlichen Messmethoden bereithält und fortentwickelt. Darüber hinaus wird die PTB Verfahren weiterentwickeln und vorhalten, die Massen von wesentlich preisgünstigeren Kugeln mit natürlicher Isotopenzusammensetzung mit einer Gesamtunsicherheit von 3 × 10–8 zu bestimmen. Damit wird es möglich sein, anderen Metrologieinstitutionen, aber auch Kalibrierlaboratorien eine eigene, direkte Realisierung des Kilogramms anzubieten. Über die Herstellung von Kugeln mit einer Masse von 28 g kann auch 1 mol 28Si realisiert werden. Kleinere Kugeln bieten darüber hinaus die im neuen SI vollständig neue Möglichkeit, Massen bei Werten im Gramm- oder Milligramm-Bereich, welche gegebenenfalls z. B. für die pharmazeutische Industrie interessant sind, direkt als Primärstandard darzustellen, was perspektivisch höhere Genauigkeiten in diesem Messbereich ermöglichen kann.

  • Von der PTB wird am Tripelpunkt des Wassers die Methode der Dielektrizitätskonstanten-Gasthermometrie (DCGT) zur Bestimmung der Boltzmannkonstante eingesetzt. Da andere Institute dazu die akustische Gasthermometrie einsetzen, ist die Absicherung durch diese unabhängige Technik wichtig. Eine relative Unsicherheit kleiner als 3 × 10–6 ist mindestens erforderlich, wobei die PTB anstrebt, mit der DCGT-Messung 2 × 10–6 zu erreichen.

  • Nach der Neudefinition der Einheit Kelvin kann jedes Thermometrieverfahren, das nur auf die definierenden Konstanten Bezug nimmt, eine primäre Kelvin-Realisierung sein. Eine zukünftige Realisierung der Einheit Kelvin in der PTB wird mithilfe von Dielektrizitätskonstanten-Gasthermometrie und mittels vielversprechender, innovativer Methoden der Rauschthermometrie erfolgen. Die PTB verfügt in beiden Gebieten über hervorragende Voraussetzungen und breite Expertise.

  • Die direkteste Realisierung des Ampere gemäß seiner zukünftigen neuen Definition über die Festlegung des Zahlenwertes der Elementarladung kann mit elektronischen Bauteilen erfolgen, die einzeln abzählbare Elektronen nutzen. Die PTB ist hier bereits führend und hat sich zum Ziel gesetzt, bis 2018 eine primäre, anderen Realisierungen überlegene Einzelelektronen-Stromquelle für Ströme größer 160 pA mit einer relativen Unsicherheit kleiner als 1 × 10–7 zu realisieren. Für deutlich höhere Ströme sind Realisierungen des Ampere mit Hilfe von Quanten-Hall-Effekt und Josephson-Effekt besser geeignet. Auch diese werden auf dem erreichten hohen Stand weiterentwickelt, vor allem für Wechselstrom-Anwendungen. Eine wichtige Rolle für Quanten-Hall-Messungen könnte in Zukunft Graphen, ein nur eine Atomlage dicker Kohlenstoffkristall, spielen, denn bei diesem Material ist der Quanten-Hall-Effekt nicht nur nahe am absoluten Temperaturnullpunkt, sondern perspektivisch auch bei Zimmertemperatur nutzbar. Aufgrund der dann deutlich vereinfachten Handhabbarkeit bietet diese Entwicklung erhebliches zukünftiges Potenzial für die Weitergabe, so dass sich die PTB hier auch weiterhin stark engagieren wird.

  • Die Definition der Zeiteinheit Sekunde ist bereits jetzt über eine definierende Konstante, die Frequenz des Hyperfeinstrukturübergangs im Cäsium-Grundzustand, festgelegt. Es zeigt sich jedoch bereits heute, dass in anderen Ionen und Atomen Übergänge im optischen Spektralbereich existieren, die Uhren mit relativen Unsicherheiten von wenigen 10–18 erlauben und in Zukunft vielleicht in den Bereich von 10–19 vorstoßen werden. Die PTB hat das Ziel, Forschungsarbeiten zu optischen Uhren weiter führend voranzutreiben, somit eine langfristig mögliche Neudefinition der Sekunde maßgeblich zu prägen und insbesondere die damit verbundenen Anwendungsmöglichkeiten in der Kommunikationstechnologie, der Satellitentechnik, in der angewandten Geodäsie und vielem mehr an vorderster Front zu ergründen und der Wirtschaft zur Verfügung zu stellen.