Sign In

SI-järjestelmä uudistuu – uudistuksella innovaatioita tulevaisuuden teollisuuteen

15.11.2018

Kaiken mittaamisen perustana toimiva SI-järjestelmä muuttuu toukokuussa 2019. Uudistuksessa neljä perusyksikköä – kilogramma, ampeeri, kelvin ja mooli – määritellään uudelleen luonnonvakioiden avulla, jotta ne voidaan toteuttaa aina ja kaikkialla parhaimmalla käytössä olevan teknologian tarkkuudella. Uudistus mahdollistaa entistä tehokkaampien valmistusprosessien kehittämisen ja luotettavampien ympäristöanalyysien tekemisen.

Tieteen ja teknologian kehittyessä tarvitaan yhä tarkempaa mittausta entistä laajemmilla mittausalueilla.  Nykyiset määritelmät rajoittavat saavutettavaa tarkkuutta. Ongelmallisia ovat erityisesti fyysiseen kappaleeseen ja materiaaliominaisuuksiin perustuvat määritelmät. Kaikki perusyksiköt halutaan määritellä luonnonvakioiden avulla, jotta ne voidaan toteuttaa aina ja kaikkialla parhaimmalla käytössä olevan teknologian mahdollistamalla tarkkuudella. Uudistuksella varmistetaan myös, että yksiköt eivät muutu hyvin pitkänkään ajanjakson kuluessa.

SI-järjestelmä perustuu tällä hetkellä seitsemään perusyksikköön: metri, kilogramma, sekunti, ampeeri, kelvin, mooli ja kandela. Uudistuksessa näistä neljä – kilogramma, ampeeri, kelvin ja mooli – määritellään uudelleen luonnonvakioiden avulla.

Kilogramman ja muiden perusyksiköiden suuruudet pysyvät uudistuksessa muuttumattomina, joten uudistus ei käytännössä näy kuluttajalle. Sen sijaan tieteen ja teknologian kehittäjät voivat hyödyntää uudistuksen mahdollistamaa mittaustarkkuuden paranemista.

"Teollisuudessa ja kaupassa epätarkat mittaukset heikentävät kilpailukykyä ja lisäävät kustannuksia. Esimerkiksi teollisuuden valmistusprosessien ja terveydenhuollon kokonaiskustannuksista 10–15 % aiheutuu mittauksista. Mittaustarkkuuden parantuminen näkyy siis suoraan taloudellisessa tuloksessa. Tulevaisuuden elektroniikka- ja lääketeollisuuden valmistusprosesseissa mitataan yhä pienempiä kohteita aina atomitasolle saakka: näissä SI-järjestelmän uudistuksen tuoma parempi tarkkuus on merkittävässä roolissa. SI-uudistuksen odotetaan myös ajan mittaan mahdollistavan tekniikoita ja tieteellisiä löytöjä, joita emme vielä osaa edes kuvitella", toteaa johtaja Martti Heinonen VTT:n Mittatekniikan keskuksesta (VTT MIKES).

Suurin muutos tapahtuu kaikille tutussa kilogrammassa. Kilogramman suuruutta ei uudistuksen myötä enää määritellä Pariisissa oleva fyysisen kappaleen avulla vaan Planckin vakion kautta. Kilogramman suuruus ei kuitenkaan muutu SI-järjestelmän uudistuksessa, koska Planckin vakiolle sovittu tarkka arvo takaa, että kilogramman suuruus pysyy samana kuin nyt.

Uudessa SI-järjestelmässä yksiköt määritellään viiden luonnonvakion ja kahden atomien ominaisuuksiin perustuvan vakion kautta. Luonnonvakiot ovat valon nopeus tyhjiössä, Planckin vakio, alkeisvaraus, Boltzmannin vakio ja Avogadron vakio. Atomien ominaisuuksiin perustuvat vakiot ovat cesiumin perustilan tietty ylihienorakenteen siirtymä sekä tietyn taajuisen säteilyn valovoima.

Muodollinen päätös uudesta SI-järjestelmästä tehdään Yleisen paino- ja mittakonferenssin (CGPM) kokouksessa Versaillesissa 13.–16.11.2018. Uusi SI-järjestelmä otetaan virallisesti käyttöön Maailman Metrologiapäivänä 20.5.2019.

VTT MIKES on Suomen kansallinen metrologialaitos ja se toimii osana maailmanlaajuista verkostoa, joka kehittää SI-järjestelmää ja toteuttaa sen yksiköt teollisuuden ja yhteiskunnan käyttöön. VTT MIKESin tarjoamien mittauspalvelujen kautta suomalaiset toimijat pystyvät varmistamaan ja osoittamaan mittaustensa SI-järjestelmän mukaisuuden. VTT MIKESissä sijaitsee myös Suomen oma virallinen kilogramman prototyyppikopio, jota verrataan aika-ajoin Pariisissa oleviin prototyypin kopioihin.

 

Linkki: BIPM: https://www.bipm.org/en/the-si/

 

 

Kilogramma ennen:

Kilogramma on vuodesta 1889 lähtien ollut yhtä kuin Pariisissa säilytettävän kilogramman prototyypin massa. Siitä on tehty useita kopioita, esimerkiksi VTT MIKESin hallussa on Suomeen vuonna 1890 saatu kopio numero 23. Niiden välillä tehtyjen vertailujen perusteella prototyyppien massa muuttuu, mutta kukaan ei tiedä täsmälleen kuinka paljon. Selvää on kuitenkin, ettei kilogramman massa nyt ole sama kuin alun perin.

 

Copyright: BIPM - International Bureau of Weights and Measures

Kilogramma jatkossa:

SI-järjestelmän uudistamisen on tehnyt mahdolliseksi kuvassa nähtävä Kibblen vaaka, jonka avulla massaa voidaan verrata sähkötehoon. Se taas voidaan kvantti-ilmiöiden avulla sitoa Planckin vakioon. Kibblen vaaka on erittäin vaativa hienomekaaninen laite, joita on eri puolilla maailmaa kuitenkin pystytty rakentamaan useita hiukan erilaisia. Uudessa SI:ssä kilogramma ei siksi riipu yhdestä prototyypistä tai laitteesta, ja Planckin vakioon sitominen takaa, ettei kilogramman suuruus muutu systemaattisesti pitkänkään ajan kuluessa.

 

Ampeeri ennen:

Kun kaksi äärettömän pitkää ja äärettömän ohutta johdinta asetetaan metrin etäisyydelle toisistaan, ja molemmissa kulkee yhden ampeerin suuruinen sähkövirta, johdinten välille syntyy voima jonka suuruus on   2 x 10-7 newtonia johdinmetriä kohden. Vanhan määritelmän mukaista mittausta on lähes mahdotonta tehdä tarpeeksi tarkasti. Toisaalta voiman yksikkö newton sitoo ampeerin kilogramman prototyypin massaan, jonka tiedetään muuttuvan.

 

Ampeeri jatkossa:

Uudessa määritelmässä ampeeri on sidottu yhden elektronin niin kutsuttuun alkeisvaraukseen. Suorin tapa toteuttaa uusi määritelmä on siirtää elektroneja yksi kerrallaan, mikä onnistuu kuvan kaltaisilla, mikroskooppisen pienillä elektronipumpuilla. Kuvassa oleva VTT:n kehittämä elektronipumppu on valmistettu CMOS-teknologialla, jota käytetään myös tietokoneprosessoreissa. Monikerrosrakenteen piiloon jääneet osat on hahmotettu katkoviivoin.Sinivihreitä rakenteita käytetään ohjaamaan sähkövirtaa tummansinisellä katkoviivalla merkityssä sähköjohtimessa. Yksittäisten elektronien hallinta vaatii kvantti-ilmiöitä ja laitteen jäähdyttämistä noin asteen päähän absoluuttisesta nollapisteestä. Mustavalkoinen elektronimikroskooppikuva on väritetty käsin.