Het verdwijnen van de referentiekilogram in 5 vragen

Hoe weet je of een kilo aardappelen wel echt 1 kilogram weegt? Daarvoor moet bij elke meting het weegtoestel juist meten. Het toestel wordt daarom vergeleken met een nauwkeurige referentie. En de basisreferentie is de “nationale standaard” waaraan eigenlijk alle meettoestellen moeten beantwoorden. Voor massa is die standaard een platina-iridium kilogram. Platina-iridium is heel inert en ongevoelig voor chemische reacties, het is uiterst stabiel.

In 1889 werd de eerste platina-iridium kilogram als internationale standaard ingevoerd. De ultieme referentie of de enige echte kilogram (IPK, International Prototype of the Kilogram) wordt bewaard in Parijs, bij het Internationaal Bureau voor Maten en Gewichten (BIPM). Een vijftigtal landen hebben ook een of meerdere kopieën van die platina-iridium kilogrammen die vergeleken worden met de internationale standaardkilogram. België heeft er twee: nummer 28 en nummer 37.

Meeteenheden zoals de kelvin, de ampère en de kilogram worden in het huidige referentiesysteem gebaseerd op fysieke standaarden (objecten). Maar dat heeft enkele nadelen: risico op beschadigingen of verlies van het referentieobject, beperkte technologie en mogelijke onstabiliteit.

Er zijn ook problemen met de referentiekilo die bewaard wordt in Parijs. De massa verschilt namelijk steeds meer met de kilogrammen die de andere landen hebben. Het verschil met de 6 officiële kopieën die ook in Parijs bewaard worden, is zelfs gemiddeld opgelopen tot 50 microgram, 50 miljoensten van een gram. Met andere woorden, de internationale referentiekilo lijkt niet meer correct te zijn: dé kilo weegt geen kilo meer. Daarom is het nodig om over te stappen naar een ander en vooral stabieler referentiesysteem voor de kilogram.

Op 20 mei 2019 schakelen we over op het nieuwe referentiesysteem voor meeteenheden op basis van natuurconstanten. Voor de meter en de seconde is dat al het geval: zo is de meter vastgelegd op basis van de snelheid van het licht in het vacuüm. De andere meeteenheden van het Internationale Stelsel van Eenheden zijn nog niet omgeschakeld naar het nieuwe systeem. Ook de kilogram wordt vanaf volgend jaar wiskundig gedefinieerd ten opzichte van natuurconstanten.

Om een kilogram te definiëren, zullen wetenschappers en metrologen zich baseren op de constante van Planck: een onveranderlijke waarde uit de kwantummechanica die de energie van een deeltje koppelt aan zijn frequentie en via de formule van Einstein (E = mc²) aan zijn massa. Er zijn twee manieren waarop de definitie van de kilogram gerealiseerd kan worden. De eerste methode is gebaseerd op het bepalen van een onbekende massa met een elektromechanische balans. De tweede methode vergelijkt een onbekende massa, met de massa van een sfeer, opgebouwd uit een zeer zuivere isotoop van silicium. De fysisch-chemische eigenschappen van de sfeer zijn zeer nauwkeurig gekend.

Voor drie basiseenheden uit het Internationale Stelsel van Eenheden is zo’n wiskundige definiëring al gebeurd, de meter (lengte), de seconde (tijd) en de candela (lichtsterkte). Vanaf 20 mei 2019 zijn ook de ampère (elektrische stroom), de kelvin (temperatuur), de mol (hoeveelheid stof) én de kilogram (massa) niet meer afhankelijk van een fysieke referentie, maar van natuurconstanten.

De twee platina-iridium kilogrammen van ons land blijven bewaard bij de dienst Metrologie van de FOD Economie. De dienst Metrologie heeft ook nog steeds twee platina-iridium meters. Die worden al sinds 1960 niet meer gebruikt: de nieuwe standaard voor 1 meter is gebaseerd op de snelheid van het licht in het vacuüm. Die kilogrammen en meters zijn samen goed voor zo’n 8 kilo platina-iridium. In normaal platina is dat zo’n 200.000 euro waard. In platina-iridium is dat een veelvoud daarvan, maar de metrologische en wetenschappelijke waarde is onbecijferbaar.