Je leest:

De kilo krimpt

De kilo krimpt

Auteur: | 14 september 2007

In een kluis vlakbij Parijs ligt de kilo – een metalen cilinder die de basis is voor alle massa-metingen. Maar volgens zijn hoofdbewaarder is de “Grand K” ondertussen lichter dan al zijn “exacte kopieën”. Of zijn die afgeleide kilo’s juist zwaarder geworden? ‘We moeten zo snel mogelijk overstappen naar een andere standaard’, zegt expert Richard Davis.

Ons gewicht verandert. Dat is geen waarschuwing van een voedingsexpert, maar van natuurkundige dr. Richard Davis, hoofd massametingen van het Internationaal Bureau voor Maten en Gewichten (BIPM). Dat bewaart de standaardkilo, een 118 jaar oude cilinder van platina en iridium die per definitie één kilogram weegt. Per definitie, maar niet precies. Want volgens Davis en zijn collega’s verandert het gewicht van de standaardkilo en zijn kopieën in de loop der tijd. Sinds de ingebruikname is het verschil tussen de standaard kilogram en het gemiddelde van zijn kopieën opgelopen tot 50 microgram (miljoenste gram).

Deze 118 jaar oude cilinder van 90% platina en 10% iridium ligt onder drie glazen stolpen in een kluis van het Internationaal Bureau voor Gewichten en Maten (BIPM) in Sèvres, vlakbij Parijs. Drie glazen stolpen zorgen dat er zo min mogelijk stof en vuil op de cilinder neer kan slaan. Het voorwerp weegt precies één kilogram, want hij is er de definitie van. Massa is daarmee de enige SI-eenheid die nog wordt bepaald via een voorwerp in plaats van uit natuurconstantes.
BIPM
Deze gewichten hoeven we niet aan te passen.

‘Voor een leek maakt dat niet uit’, zegt Davis in een e-mail: ‘vijftig microgram, dat is ongeveer het gewicht van de huidolie die je achterlaat met een vingerafdruk. Er is geen enkele commerciële of wetenschappelijke toepassing die hieronder lijdt’. Maar voor metrologen, de experts die de basis van eenheden onder alle wetenschappelijke metingen bewaken, is zo’n verschuivende eenheid natuurlijk vloeken in de kerk. ‘Die standaard kilogram is echt dé definitie van de kilo’, legt massa-expert drs. Inge van Andel van het Nederlands Meetinstituut NMI uit. Er is – nog – geen experiment waarmee de Grand K, de bijnaam van het origineel in de BIPM-kluis, gecontroleerd kan worden. Metrologen zijn dus zuinig op het exemplaar dat ze hebben.

Ringvergelijking

Van de zeven basiseenheden in het Internationaal Systeem is de kilogram de enige die nog wordt gekalibreerd aan de hand van een tastbaar voorwerp. Alsof je één klok in een kluis hebt staan die altijd bijloopt en alle andere klokken daarmee gelijk zet. Landen over de hele wereld hebben hun eigen kopie van de Grand K. In Nederland beheert het NMI in Delft de nationale kilo, ook bekend als kopie nummer 53.

‘Elk aangesloten land heeft zijn eigen nationale kopie van de kilogram’, vertelt Van Andel: ‘met die platina iridium-cilinder bepalen we bij het NMI de massa van roestvrijstalen kilogrammen. Die gebruiken we om massastukken van 1 mg tot 50 kg mee te kalibreren’. Het materiaal van de standaard-kilo is zelf namelijk veel te zacht om continu gebruikt te worden. De kilo’s van verschillende landen worden gemiddeld eens per tien jaar teruggebracht voor vergelijking met het origineel. De kopieën blijken namelijk langzaam steeds zwaarder te worden.

‘Jaarlijks komt er door bijvoorbeeld vuilafzetting zo’n microgram bij’, schat Van Andel. Schoonmaken kan dat verschil terugdringen, maar opent het oppervlak van de cilinder weer voor nieuwe afzettingen. ‘Soms denk ik weleens: het is net een tapijt schoonmaken’, verzucht de NMI-onderzoekster. ‘Na het schoonmaken lijkt het wel twee keer zo snel vies te worden als voorheen.’

Om het verloop van de kilo’s in de hand te houden is sinds de ingebruikname van de standaard kilogram drie keer een massale vergelijking van álle kopieën gemaakt. Tijdens de tweede vergelijking in de jaren ‘50 waren er volgens Davis al aanwijzingen dat de verschillende kopieën zwaarder waren dan het origineel in Sèvres. ’Die trend werd bevestigd tijdens de derde meetcampagne’, legt de natuurkundige uit: ‘in 1989 hadden we al aanwijzingen dat het verschil was opgelopen tot 50 microgram. In 1992 werd dat nog eens bevestigd’.

Afhankelijk

De onzekerheid van 50 microgram in de kilo is nog geen ramp, want zelfs E1, de nauwkeurigste kalibratie die de meetinstituten uitvoeren, gaat maar tot 160 microgram nauwkeurig. Maar er zijn wel degelijk neveneffecten om rekening mee te houden. Van Andel: ‘Niet alleen de eenheid van gewicht verandert hierdoor. Ook de waarde van de eenheden van stroomsterkte, spanning, kracht en druk hangen indirect af van de kilogram’.

Wordt de waarde van de kilo onzeker, dan gaat de nauwkeurigheid van de ampère, volt, newton en pascal vanzelf mee. Alternatieven voor de Grand K moeten die onzekerheid terugdringen. ‘We moeten niet steeds meer vragen van die cilinders’, schrijft Davis: ‘het is veel verstandiger om over te stappen op een andere standaard. Een die direct is af te leiden uit fundamentele natuurconstantes’.

Natuurconstantes

Op massa na zijn alle basiseenheden van het SI tegenwoordig af te leiden uit exact bekende natuurconstantes. Een seconde is bijvoorbeeld precies 9.192.631.770 trillingen van de straling uit aangeslagen cesiumatomen. Atomen zijn altijd en overal hetzelfde, dus elk lab met de juiste techniek kan zijn seconde zonder hulp van buiten ijken. Op een zelfde manier hangt de meter af van de lichtsnelheid. Die is per definitie 299.792.458 meter per seconde – een meter is daarmee de afstand die licht in 1/299.792.458 seconde aflegt. Het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology heeft voor tijdmetingen atoomklokken die maar één seconde uit de pas lopen in een paar miljard jaar tijd.

Verschil van 50 miljoenste gram

Een Kibblebalans, voorheen Wattbalans genoemd. Hiermee kan een kilogram bepaald worden op basis van een bepaalde stroomsterkte. Dat apparaat moet ooit de huidige cilinder van platina en iridium vervangen die als definitie van de kilo dient.

Volgens Davis is er weinig te doen aan de zwaarder en lichter wordende standaard kilo’s. Verandert hun gewicht door slijtage, door verhuizen naar een nieuwe lokatie, door vuilafzettingen? ‘Je moet begrijpen dat we alleen het verschil tussen twee van die cilinders kunnen meten’, legt de Amerikaan uit: ‘daardoor zien we dat die cilinders na een eeuw gebruik niet meer hetzelfde wegen. Maar een verschil van 50 miljoenste gram, opgedaan in honderd jaar tijd…het is gewoon niet te achterhalen hoe dat is ontstaan. Tijd voor iets nieuws.’

Metrologen werken al jaren aan twee manieren om de waarde van de kilogram direct te koppelen aan een natuurconstante. De Wattbalans gebruikt een balans met aan de ene kant een precies afgestelde elektromagneet en aan de andere kant een te meten gewicht. De meetnauwkeurigheid van elektromagnetische krachten is veel hoger dan die van massametingen en zo’n wattbalans is door iedereen na te maken.

Siliciumkristal

Om de Wattbalans te testen wordt er ook gewerkt aan een high-tech vervanger van de standaard kilogrammen. Uit puur silicium (basisingrediënt van zand en computerchips) proberen onderzoekers kristallen van een exact voorgeschreven afmeting te bouwen. Silicium heeft een erg regelmatig kristalrooster en het gewicht van de silicium-atomen is ook precies bekend. Met een perfect zuiver kristal kunnen natuurkundigen precies berekenen hoeveel atomen ze te pakken hebben en hoe zwaar het kristal dus hoort te wegen. Voorlopig lukt het nog niet de siliciumbollen zó zuiver en regelmatig te laten “groeien” dat ze geschikt zijn als ijkmateriaal. ‘Als je één kilo afmeet met een wattbalans en dat vergelijkt met de beste siliciumbollen die we hebben, is er nog steeds een onzekerheid van één milligram’, weet Van Andel. De nauwkeurigheid van de oude standaardcilinders is nog steeds twintig keer zo hoog.

Deadline 2010

‘In 2010 komt een comité bijeen dat kan beslissen over een nieuwe standaard voor massa’, weet de Nederlandse metrologe. Voor die tijd moet een nieuwe meetmethode voor de kilogram bewezen hebben dat hij nauwkeuriger is dan de bestaande kopieën van de cilinder vlakbij Parijs. ‘Eigenlijk ben ik bang dat we nog niet zover zijn’, bekent Van Andel. Dát de natuurkunde ooit overstapt op een directe meetmethode voor gewichten, daar twijfelt ze niet aan. ‘Misschien tijdens de volgende bijeenkomst in 2014. We moeten dit niet overhaasten’.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 14 september 2007
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.