science >> Wetenschap >  >> Fysica

Nieuwe weegschaal voor de nieuwe kilogram

Aan het einde van dit jaar, wetenschappers zullen toegang hebben tot een eerste prototype van de Planck-schaal. Krediet:TU Ilmenau

De Planck weegschaal werkt volgens het principe van elektromagnetische krachtcompensatie:een gewichtskracht aan de ene kant van de weegschaal wordt gecompenseerd door een elektromagnetische kracht aan de andere kant. Dit betekent dat gewichten (zogenaamde massanormen) niet meer nodig zijn. Dit zou het begin kunnen zijn van de ontwikkeling van een geheel nieuwe generatie weegschalen die geschikt zijn voor de industrie.

Samen met de Technische Universität Ilmenau, de Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ontwikkelt een zogenaamde Planck-schaal. Deze weegschaal werkt volgens het principe van elektromagnetische krachtcompensatie:een gewichtskracht aan de ene kant van de weegschaal wordt gecompenseerd door een elektromagnetische kracht aan de andere kant. Dit betekent dat gewichten (zogenaamde massanormen) niet meer nodig zijn; daten, gewichten hebben schalen "verteld" hoe groot de massa op de schaal eigenlijk is (bijvoorbeeld 1 kg). Aan het einde van dit jaar, wetenschappers zullen toegang hebben tot een eerste prototype van de Planck-schaal. Op deze manier, er kan een overzicht worden gemaakt van de stappen die nog nodig zijn om de schaal zodanig te ontwikkelen dat deze geschikt is voor industrieel gebruik. Dit zou het begin kunnen zijn van de ontwikkeling van een geheel nieuwe generatie weegschalen die geschikt zijn voor de industrie.

De ontwikkeling van de Planck-schaal kreeg een impuls door de naderende herdefinitie van de kilogram:in de nabije toekomst het internationale prototype van de kilogram, een kleine metalen cilinder in een kluis in de buurt van Parijs, verouderd zal raken. Op zijn plaats, er wordt een kilogramdefinitie gebruikt die is gebaseerd op een onverwoestbare en onveranderlijke natuurlijke constante:de constante h van Planck. De naam "Planck-schaal" verwijst naar deze zeer constante. Zodra de waarde van h internationaal is vastgesteld, massa's worden uitsluitend bepaald door elektrische grootheden te meten.

Een bijkomend voordeel van de Planck weegschaal is het continue meetbereik. Hoewel het eerste prototype slechts een meetbereik van 1 mg tot 100 g zal bereiken, zijn opvolger, die al is gepland, zal een bereik hebben van 1 mg tot 1000 g. Vergelijkbare weegschalen zouden kunnen worden gebruikt voor industriële weegoperaties als zogenaamde primaire normen, aangezien er geen kalibratie met standaardgewichten zal plaatsvinden. Op de lange termijn, echter, de Planck-weegschaal zou ook kunnen worden gebruikt om een ​​hogere nauwkeurigheid te bereiken (zelfs voor kleine massa's) dan tot nu toe mogelijk was met standaardgewichten in industriële toepassingen. Op deze manier, de expertise die bij PTB is opgedaan tijdens de ontwikkeling van de Planck-weegschaal zal de economie in het algemeen ten goede komen en de leidende positie van de Duitse weegbrugindustrie over de hele wereld versterken.

Terwijl PTB de praktische resultaten en kansen van de herdefinitie van de kilogram overweegt, de herdefinitie zelf is nog niet compleet. Als een van 's werelds toonaangevende metrologische instituten, Ook bij deze herdefiniëring speelt PTB een grote rol. Internationaal worden twee experimenten uitgevoerd om het doel te bereiken om de kilogram zo te definiëren dat deze gebaseerd is op natuurlijke constanten:het Avogadro-experiment, die het aantal atomen zal bepalen in een bijna perfect bolvormig kristal gemaakt van isotopisch zuiver silicium; en de Kibble-balans (of watt-balans), waarin de zwaartekracht van een massa in het zwaartekrachtveld van de aarde wordt gecompenseerd door een elektromagnetische kracht. Omdat beide experimenten de waarde van de constante van Planck bepalen, beide benaderingen voldoen aan het bovengenoemde doel. Terwijl de benadering van PTB voornamelijk via de siliciumbol is, de Kibble-balans wordt begunstigd door NIST in de Verenigde Staten en NRC in Canada. Echter, om beide benaderingen te kunnen bieden voor de toekomstige verspreiding van massa-eenheden naar de industrie, PTB is - samen met TU Ilmenau - gestart met de ontwikkeling van prototypes voor een Planck-weegschaal (als een versie van de Kibble-weegschaal die geschikt is voor de industrie).

Het Instituut voor Procesmeting en Sensortechnologie aan de TU Ilmenau, die gezamenlijk bijdraagt ​​aan de ontwikkeling van de Planck-schaal onder de wetenschappelijke leiding van professor Thomas Fröhlich, is een internationaal toonaangevende instelling op het gebied van industriële krachtmeettechnologie, weegtechnologie en nanometer-precisie laser metrologie. In de afgelopen tien jaar is aan de TU Ilmenau werden meetinstrumenten ontwikkeld die werden beschouwd als de "meest nauwkeurige weegschaal ter wereld". De kennis die is opgedaan bij de ontwikkeling van een zogenaamde prototype-comparator van 1 kg is direct meegenomen in het onderzoek op Planck-schaal. Deze zeer nauwkeurige massavergelijker wordt al gebruikt bij nationale meetinstituten over de hele wereld om kilogram-prototypes te vergelijken.