Die Avogadro-Kugel aus dem Silizium-Isotop-28 könnte zur Neudefinition des Urkilogramms herangezogen werden (Bildquelle: PTB).

Wissenschaftler sind auf dem besten Wege, eine Neudefinition des Kilogramms zu finden. Das 1889 aus einer Platin-Legierung hergestellte, heute in einem Tresor nahe Paris lagernde Urkilogramm verliert aus unerklärlichen Gründen kaum merklich, aber messbar an Gewicht. Daher soll unter Leitung der PTB Braunschweig ein neues Messverfahren geschaffen werden, das auf dem Vergleich der Dichte und der Anzahl der Atome einer Kugel aus reinem Silizium beruht. Die Kugel hat ein Durchmesser von 9,36 cm und ist so lupenrein und glatt wie keine vor ihr. Sie besteht zu 99,99 Prozent aus dem Silizium-Isotop-28 und ihre Kristallstruktur ist nahezu perfekt. Zudem ist sie so rund, wie eine Kugel nur sein kann: Misst man den Radius von der Kugelmitte zur Oberfläche an verschiedenen Stellen, ist die Abweichung nirgendwo größer als 30 Nanometer (oder 30 Millionstel Millimeter).

Um ein neues Kilogramm schaffen zu können, müssen zunächst die Atome in dieser Siliziumkugel gezählt werden. Mit Hilfe von Röntgenlicht wird das Volumen bestimmt, das die Si-Atome in einer Elementarzelle des perfekten Kristalls einnimmt. Zusätzliche werden die makroskopischen Maße der Kugel, d.h. Volumen und Masse, ermittelt. Mit diesen Informationen kann man dann ausrechnen, wieviele Atome in der Kugel stecken. Hat man dies mit der ausreichenden Präzision getan, ist es nur noch ein kleiner Schritt, das Kilogramm als eine bestimmte Anzahl gleicher Atome zu definieren und das alte Urkilogramm zu ersetzen.

Ein entscheidender Schritt dafür ist die korrekte Ausrichtung der Kugel innerhalb der verwendeten Messgeräte. Dazu muss als Justagehilfe die Kristallorientierung der Kugel auf der Oberfläche sichtbar gemacht werden - und das mit möglichst geringer Veränderung der isotopenreinen und hochgenau polierten Prüfkugel. Um die Kugel ohne messbaren Gewichtsverlust zu markieren, wird sie mit einem Laser strukturiert.

Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) wurde zusammen mit der Micreon GmbH als Partner für die Markierung der Kugel ausgewählt. Die Laserstrukturierung mittels Femtosekundenlaser erzeugt oberflächliche Streuzentren, die selbst bei geringsten mittleren Abtragstiefen von wenigen 10 nm mit bloßem Auge gut sichtbar sind. Verstärkt wird die gute Sichtbarkeit durch das Auftreten periodischer Wellenstrukturen, die wie eine Art Beugungsgitter das Licht in den charakteristischen Regenbogenfarben erscheinen lässt. Die erste von zwei 28Si-Kugeln wurde kürzlich erfolgreich mit drei Markierungen versehen. Eine weitere Kugel mit noch höherer Reinheit und noch engerer Volumentoleranzen wird in naher Zukunft ebenfalls vom LZH und Micreon mit einem Laser markiert.

Die Siliziumkugel, auch bekannt unter dem Namen Avogadro-Kugel, soll bis 2010 fertig sein, damit 2011 auf der nächsten turnusgemäßen Generalkonferenz für Maß und Gewicht eine neue Definition des Kilogramms verabschiedet werden kann.

Welche Konsequenzen die Einführung einer hochgenauen Masseneinheit hat, ist schwer vorherzusagen. Dass sie aber weit reichende Konsequenzen haben kann, zeigt die Neudefinition der Sekunde Ende der Sechziger Jahre: Niemand konnte sich damals vorstellen, wozu in der realen Welt jemals eine Zeiteinheit benötigt wird, die auf wenige Milliardstel Bruchteile genau bestimmt werden kann. Heutzutage wäre das verbreitete Globale Positionierungs System (GPS) ohne diese Definition undenkbar. Ein ähnlich revolutionärer Innovationsschub wird daher auch von der Neudefinition der Masseneinheit Kilogramm erwartet.