Das neue Urkilo
Ein gemeinsames Projekt von PTB und HAUSER Optik
Im Jahre 2015 begann für HAUSER Optik eine der größten Herausforderungen der Firmengeschichte und gleichzeitig ein extrem spannendes Projekt: Die Physikalisch-Technische- Bundesanstalt in Braunschweig entwickelt das neue Urkilo, das in den nächsten 1-2 Jahren das bestehende, in Paris gelagerte Standardkilo ablösen soll. Die Anforderungen an das neue Urkilo, das aus einer Siliziumkugel gefertigt werden soll, sind extrem anspruchsvoll, besonders die Rundheit (<20nm) und die Rauhtiefe (Ra<0,1nm) betreffend. Hauser Optik ist bezüglich der Herstellung einer solchen Silizium Kugel weltweit als einziger Partner der PTB in dieses Projekt involviert.
Zu beziehen sind diese Silizium Kugeln ausschließlich über unseren weiteren gemeinsamen Projektpartner, die Firma Häfner Gewichte GmbH mit Sitz in Oberrot.
www.haefner.de
Aktueller Bericht aus der WNZ vom 28.04.2018
Das Ur-Kilo ist das Maß aller Massen. Doch der 129 Jahre alte „Internationale Kilogramm Prototyp“ hat zuletzt an Gewicht eingebüßt, die Metrologenwelt ist in Aufruhr. Eine neue Definition für das Kilogramm muss her. Die Firma Hauser Optik spielt dabei eine wichtige Rolle.
Das Kilogramm zählt neben Sekunde, Meter, Ampere, Kelvin, Mol (Stoffmenge) und Candela (Lichtstärke) zu den sieben Basiseinheiten. Mit ihnen wird die Welt einheitlich messbar.
Als Einheit der Masse ist das Kilogramm allgegenwärtig – in Forschung und Industrie, im Supermarkt und daheim im Bad mit der Personenwaage. Seine Definition beruht seit 1889 auf einem 3,9 Zentimeter kleinen Zylinder aus Platin und Iridium, der gut gehütet unter Glasglocken in einem Tresor des Pariser „Bureau International des Poids et Mesures“ (BIPM) aufbewahrt wird – in bester Nachbarschaft zum Ur-Meter, das allerdings seinen Dienst schon eingestellt hat. Das Ur-Kilo ist leichter geworden, gut 50 Mikrogramm sind scheinbar spurlos abhanden gekommen. Aufgefallen ist das bei Vergleichsmessungen mit mehreren Kopien.
Der Verlust von 50 Mikrogramm mag im Alltag zu verschmerzen sein, doch in Branchen, die von Präzision leben, fällt auch ein 50 Millionstel Gramm ins Gewicht. Wohin sich die Masse verflüchtigt hat, ist ein Rätsel. Als wahrscheinlich gilt Materialabrieb beim Reinigen oder das Ausgasen von Wasserstoff. Dem schwindsüchtigen 129 Jahre alten Metallzylinder steht nun die Ablösung durch eine Kugel aus Silizium-28, Durchmesser 9,4 Zentimeter, bevor. Jede dieser Kugeln kostet mindestens eine Millionen Euro. Im November soll auf der Pariser Generalkonferenz für Maße und Gewichte die Einheit Kilogramm neu festgelegt werden. Die Siliziumkugel mit bisher unerreichten Formgenauigkeiten ist der Favorit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) für das Kilogramm. Material und Form stehen für Langzeitstabilität, einfache Handhabung und Reinigung.
Seit drei Jahren ist die Firma Hauser Optik als Partner in das Forschungsprojekt eingebunden. Aufmerksam wurden die Braunschweiger Forscher auf das Burgsolmser Unternehmen durch die von ihm gefertigten optischen Präzisionskugeln, die international einen exzellenten Ruf genießen.
Seither fertigt das Familienunternehmen Präzisionskugeln für die Bundesanstalt, Muster und Prototypen, mit denen die Wissenschaftler experimentieren. Für die Geschäftsführer Wolfgang und Stefan Hauser ist die Zusammenarbeit mit der PTB „eine Ehre“ und „eine sehr, sehr gute Referenz“ für das Unternehmen mit aktuell 35 Mitarbeitern. Den Hausers ist bewusst, dass es zu einem solch bedeutenden Auftrag vermutlich nur einmal im Leben kommt. Die Berechnung des Kilogramms und dessen Manifestierung in Silizium ist eine komplizierte Materie, die die Forscher jahrzehntelang in Atem hielt und immer wieder an die Grenzen des physikalisch Messbaren brachte. In einer einzigen ein Kilo schweren Siliziumkugel existieren 1000-mal mehr Atome als Sterne im Universum. Inzwischen haben die Forscher eine Methode gefunden, um über das Kugelvolumen die Atom-Anzahl zu errechnen.
Über diese lässt sich ableiten, wie schwer das einzelne Atom ist und umgekehrt wie viele Atome es für ein Kilo braucht. So ist das Kilogramm ein für allemal festgelegt. Nur wenige Nanometer dürfen die Formen der Kugeln abweichen. Die Porengröße beträgt laut Stefan Hauser gerade einmal 0,1 Nanometer. Die Oberfläche ist quasi geschlossen, nichts kann sich festsetzen und das Gewicht verfälschen. Das hoch spezialisierte Fertigungsverfahren ist im Rahmen des gemeinsamen Forschungsprojekts von der PTB an die Firma J. Hauser GmbH & Co. KG weitergegeben worden. Damit kann das Burgsolmser Unternehmen in Zukunft auch deutlich preiswertere Kugeln aus natürlichem Silizium herstellen und weltweit vermarkten. Viele potenzielle Kunden gibt es beispielsweise in der Industrie und weltweit in den Metrologieinstituten. Neben PTB ist nur die Firma Hauser Optik mit der Technologie ausgestattet, „das mit Abstand rundeste Objekt seiner Art in der Welt zu fertigen“, attestiert die Bundesanstalt.
Die Prototypen des neuen Kilogramms werden allerdings nicht in Mittelhessen, sondern bei der PTB hergestellt werden und voraussichtlich nach der Pariser Konferenz im November das 129 Jahre alte Ur-Kilo ablösen. Der Metallzylinder wird dann Geschichte sein und an seiner Stelle werden Siliziumkugeln sicher verwahrt werden. An ihr werden sich für die nächsten Jahrzehnte – und wer weiß wie lang – alle Massen orientieren müssen. Denn alle Waagen werden irgendwann über Umwege auf den Prototyp kalibriert sein, auch die Waage im Kaufladen und die Personenwaage im Bad. Als Stichtag, an dem die neue Definition des Kilogramms, aber auch von Mol, Ampere und Kelvin erstmals auf Basis von ausgewählten Naturkonstanten formal in Kraft treten soll, ist der Weltmetrologietag am 20. Mai 2019 vorgesehen. Wenn anschließend in Verbindung mit dem neuen Kilogramm der Name Hauser genannt wird, ist das für die Burgsolmser eine „große Geschichte“.
Verfasser: Steffen Gross, WNZ