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Das ursprüngliche Versprechen des metrischen Systems bestand darin, alle wesentlichen Maßeinheiten (Zeit, Entfernung, Kraft usw.) mit einem unveränderlichen Naturgesetz zu verbinden. Mit der Masse war dies bisher noch nie möglich, sondern basierte auf einem Objekt. Nun haben Wissenschaftler möglicherweise endlich einen Weg gefunden, diese Herausforderung zu meistern und eine große Quelle der Unsicherheit in der physischen Welt zu beseitigen. Sehen wir uns an, was das bedeutet und wie es sich auf Physik, Ingenieurwesen, Chemie, Mathematik und Fertigung auswirken wird.
Warum sind Standardeinheiten wichtig?
Bei unserer Arbeit verwenden wir jeden Tag metrische Maßeinheiten, von der Messung von Durchmessern in Mikrometern bei der CNC-Bearbeitung bis hin zum Abwiegen von Masterbatch-Pigmenten in Gramm für den Kunststoffspritzguss. Ohne sie gäbe es weder GPS-Navigation noch das World Wide Web noch Smartphones. Unsere moderne Welt würde nicht so funktionieren, wie wir sie kennen, weil wir nicht in der Lage wären, Dinge genau oder präzise mit engen Toleranzen herzustellen.
Einige der Standardeinheiten, etwa für Zeit und Entfernung, basieren auf unveränderlichen Konstanten, die überall im Universum gelten. Doch seit 130 Jahren basiert die Grundeinheit der Masse nicht auf einem Naturphänomen, sondern auf einem einzigen von Menschenhand geschaffenen Artefakt, dem Kilogramm.
Was ist ein Kilogramm?
Das „Le Grande K“ ist unter einer Reihe ineinander verschachtelter Glasglocken untergebracht und stellt die Definition eines Kilogramms oder ungefähr das Gewicht eines Liters reinem Wasser dar. Als dieser Zylinder aus Platin und Iridium zum ersten Mal hergestellt wurde, war er so präzise, wie die besten Maschinisten ihn herstellen konnten, und seitdem wird er sorgfältig – sogar liebevoll – geschützt. Aber das Kilogramm verliert mit der Zeit auf mysteriöse Weise an Masse, und Kopien des Kilogramms auf der ganzen Welt sind weder exakt noch konsistent.
Deshalb werden diese Woche in Paris Hunderte von Wissenschaftlern aus der ganzen Welt im Schloss von Versailles zusammenkommen, um das Kilogramm nicht auf der Grundlage eines physischen Objekts, sondern auf der Grundlage von Quantenenergie neu zu definieren.
Warum ist das Kilogramm wichtig?
Das Kilogramm definiert nicht nur die Masse, sondern hängt auch mit den Maßen für Temperatur, elektrischen Strom und Mengen eines Stoffes zusammen. Wenn diese Werte unsicher oder schwankend sind, führt dies natürlich zu Ungenauigkeiten, die für alle Bereiche der Wissenschaft und Industrie inakzeptabel sind.
Ein weiteres Problem mit dem Kilogramm ist, dass es einfach zu groß ist. Jedes große Objekt im 1-kg-Format. Die Reichweite muss mit einem gewissen Fehler am Prototyp-Kilogramm gemessen werden. Wenn die Werte jedoch immer kleiner werden, von Milligramm bis Mikrogramm, vervielfacht sich der Grad der Unsicherheit gegenüber dem Standard auf einige Zehntausendstel. Um das National Institute of Standards in den USA zu zitieren: „Diese Unsicherheit ist für die immer anspruchsvolleren Anforderungen der modernen Messwissenschaft, Geräteherstellung, Materialwissenschaft, pharmazeutischen Forschung und Prüfung sowie Umweltüberwachung, um nur einige zu nennen, nicht zufriedenstellend.“ … Es besteht weitgehend Einigkeit darüber, dass die Welt ein System braucht, in dem die Skalierung von Messungen nicht zu einer Erhöhung der Unsicherheit führt.“
Wie wird das Kilogramm definiert?
Einstein hat bewiesen, dass Energie und Masse einen exakten mathematischen Zusammenhang haben. In der Praxis kann diese Beziehung verwendet werden, um zu bestimmen, wie viel Energie, gemessen in Joule, benötigt wird, um eine bestimmte Masse zu bewegen. Berechnen Sie die Energie und Sie kennen die Masse, mit einer Genauigkeit, die vielleicht eine Million Mal genauer ist, als wir sie durch Wiegen ermitteln können. Eine Kibble-Waage wird verwendet, um Energie zu messen und sie mit dem elektrischen und mechanischen Widerstand in Beziehung zu setzen, aus dem die Masse abgeleitet wird.
Wie wird sich dies auf die Fertigung auswirken?
So viele unserer fortschrittlichsten Geräte werden immer kleiner und ausgefeilter, fast bis auf molekularer Ebene. Für die nächste Generation von Sensoren, Nanomaterialien, Quantencomputern, biomedizinischen Implantaten, Wearables und anderen kleinen Komponenten werden strengere Messstandards erforderlich sein, um Herstellung und Tests zu verbessern. Die meisten von uns werden diese Veränderung nicht bemerken, da wir uns tagtäglich mit größeren Dingen befassen. Aber Wissenschaftler und Ingenieure, die auf dem neuesten Stand der Forschung sind, müssen ihre Lehrbücher überarbeiten.
Und wie bei so vielen revolutionären Fortschritten, die ihm vorausgegangen sind, wird sich das, was im Labor beginnt, schließlich bis in die Fertigung durchsickern lassen. Wir lieben es auch, bessere, genauere und präzisere Methoden zur Herstellung und Messung der von uns hergestellten Produkte zu finden. Wir zeigen Ihnen, wie es geht, wenn Sie Ihre CAD-Dateien hochladen, um ein kostenloses Angebot für Spritzguss, Druckguss und mehr zu erhalten!
