Wenn wir beim Einkauf eine Tüte Zucker mit einem Gewicht von einem Kilogramm in den Einkaufswagen legen, verlassen wir uns darauf, dass diese tatsächlich ein Kilogramm wiegt. Ein Gramm mehr oder weniger versetzt uns im Allgemeinen nicht in Aufregung. So kann schon während des Einkaufes mal ein Zuckerkorn herausfallen, welches durchschnittlich 0,0004 g wiegt. Diesen Verlust können wir mit unserer Haushaltswaage nicht einmal ermitteln.
In der Präzisionsmesstechnik sind Abweichungen dieser Größenordnung allerdings unakzeptabel. Hier sind bereits Abweichungen von Tausendstel Milligramm inakzeptabel, das gilt insbesondere für die Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB), dem nationalen Metrologieinstitut in Deutschland. Die oberste Instanz für die gesetzlichen Einheiten.
Seit 2019 werden die Basiseinheiten: Sekunde, Meter, Kilogramm, Ampere, Kelvin, Mol und Candela über definierte Naturkonstanten bestimmt. Sie bilden das Fundament des Internationalen Einheitensystems.
Das Referenznormal für die Maßeinheit Kilogramm, das sogenannte Ur-Kilogramm, wurde ursprünglich fast 150 Jahre lang durch einen Platin-Iridium-Zylinder bestimmt. Dieser wurde in einem Tresor im Internationalen Büro für Maß und Gewicht in Paris unter Vakuumglocken aufbewahrt. Im Laufe der Jahrzehnte verlor das Ur-Kilo jedoch ca. fünfzig Mikrogramm (µg), das sind 0,00005 g.
Beim Einkauf von Lebensmittel kann man diesen Verlust leicht tolerieren, wenn man jedoch wissen möchte, wie viel beispielsweise ein Atom wiegt, dann fällt jedes Mikrogramm ins Gewicht.
Heute wird der SI-Standard des Kilogramms durch eine 9,6 cm große Kugel, gefertigt aus einem isotopenreinen Einkristall von Silizium-28 verkörpert. Die Herstellung dieser Siliziumkristallkugel stellt eine enorme Herausforderung dar.
Bislang ist die PTB mit ihrem wissenschaftlichen Gerätebau und Messkompetenzen die einzige Forschungs- und Fertigungsstätte weltweit, die in der Lage ist, solche hochpräzise Siliziumkugeln herzustellen. Man kann behaupten, dass es sich um die rundesten Objekte der Welt handelt, denn die maximale Abweichung von der Kugelform beträgt wenige zehn Nanometer (1 nm = 1 Milliardstel Meter).
Um eine so perfekte Kugel zu erhalten werden mittels Röntgen-, Massespektroskopie- und Interferometrischen Verfahren Form, Oberfläche, Volumen und Masse genauestens gemessen und bestimmt. An der Entwicklung der Messanlage zur Ermittlung der Formabweichung waren wir als SIOS maßgeblich beteiligt. Die Durchmesserschwankungen während des Schleif- und Polierverfahrens werden beispielsweise mit Hilfe von zwei SIOS-Interferometern der SP-Serie gemessen, die in eine von SIOS konzipierte Messanlage integriert sind.
Dr.-Ing. Rudolf Meeß (PTB) und die beiden Co-Autoren Dr.-Ing. Denis Dontsov (Geschäftsführer SIOS) und Enrico Langlotz (F & E / Projektleitung) haben ihre Forschungsarbeit im Paper „Interferometric device for the in-process measurement of diameter variation in the manufacture of ultraprecise spheres“ (Interferometrisches Gerät zur prozessbegleitenden Messung von Durchmesserschwankungen bei der Herstellung von Ultrapräzisionskugeln) publiziert.
Dieses Paper wurde jetzt für den „Measurement Science and Technology’s Outstanding Paper Award“ für das Jahr 2021 auf dem Gebiet der Präzisionsmessung ausgewählt.
Unser besonderer Dank und unsere Gratulation für diesen Erfolg geht insbesondere an Dr.-Ing. Meeß von der PTB der Abt. 5 Fertigungsmesstechnik. Wir bedanken uns für die herausragende Zusammenarbeit und das Vertrauen in unser Wissen und Know-how auf dem Gebiet der Interferometrie.