Weg frei für eine neue Temperatur-Basiseinheit: Die Einheit Kelvin wird ab 2018 nicht mehr durch den schwankenden Tripelpunkt des Wassers definiert sein. Stattdessen bildet dann endlich eine Naturkonstante die Basis dieser SI-Einheit: die Boltzmann-Konstante. Möglich wird dies, weil nun Forscher diese Konstante mit einer zweiten Messmethode genau genug bestimmen konnten. Einer Neudefinition des Kelvin steht damit nichts mehr im Wege.

Umbruch bei den Maßeinheiten: Bis 2018 wollen Wissenschaftler alle physikalischen Basiseinheiten auf ein solides, unveränderliches Fundament stellen – die Naturkonstanten. Für die Einheiten Meter und Sekunde ist dies schon gelungen, beim Mol, Ampere und Kilogramm nähern sich die Forscher der nötigen Genauigkeit bei der Messung der Referenzgrößen zumindest an.

Vom Tripelpunkt zur Boltzmann-Konstante

Auch die Temperatur-Maßeinheit Kelvin ist noch nicht auf eine Naturkonstante umgestellt. Ihre Definition basiert bisher auf dem Tripelpunkt des Wassers. Bei dieser Temperatur ist Wasser gleichzeitig fest, flüssig und gasförmig. Das Problem dabei: Der genaue Tripelpunkt ist von der Isotopenzusammensetzung des Wassers abhängig – und daher veränderlich.

Das soll sich ändern: Ab 2018 soll die Boltzmann-Konstante k die Naturkonstante sein, auf der das Kelvin basiert. Sie gibt an, wie die thermische Energie eines Gases und damit die Bewegung der Gasteilchen von der Temperatur abhängt. Damit jedoch diese Konstante als Referenz für die SI-Einheit Kelvin zugelassen wird, muss sie mit zwei verschiedenen Methoden mit einer Messunsicherheit von weniger als einem Millionstel ermittelt werden.

Im neuen SI beruhen die Einheiten auf definierenden Konstanten. Hellblau hervorgehoben: das Kelvin mit den drei zugrundeliegenden Konstanten. © PTB

Zweite Messung gelungen

Genau diese Voraussetzung ist nun erfüllt. Denn nachdem Wissenschaftler bereits die geforderte Messgenauigkeit mittels eines sogenannten akustischen Gasthermometers erreicht haben, ist Christof Gaiser und seinen Kollegen von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) nun die zweite geforderte Messung gelungen.

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Dafür konstruierten die PTB-Forscher ein sogenanntes Dielektrizitätskonstanten-Gasthermometer. Dieses nutzt die Tatsache aus, dass das Edelgas Helium als sogenanntes Dielektrikum die Kapazität eines Kondensators verändert. Mit einer elektrischen Messung kann man daher die Dichte des Gases und die Temperatur messen – und darüber die Boltzmann-Konstante bestimmen.

Weg frei für ein neues Kelvin

Gaiser und seinem Team ist diese Messung nun mit einer Messunsicherheit von weniger als zwei ppm gelungen. Damit sind die Anforderungen des internationalen Gremiums erfüllt. Im September 2017 wird die „CODATA Task Group on Fundamental Constants“ auf dieser Basis den offiziellen Wert für die Boltzmann-Konstante k festlegen.

Damit ist der Weg für die Neudefinition des Kelvins auf der Grundlage einer Naturkonstanten frei. Und im Herbst 2018 könnte es dann heißen: Bühne frei für ein neues SI.

4. April 2017