TÜBİTAK UME “Metrolojik Devrim”e Hazırlanıyor

TÜBİTAK UME dünya metroloji sistemi için devrim niteliği taşıyan 4 SI biriminde gerçekleşecek değişiklik için uzun süredir yürüttüğü çalışmalarında sona yaklaştı.

TÜBİTAK UME 2019 yılından itibaren yürürlüğe girmesi beklenen kilogram, amper, kelvin ve mol birimlerinin tanımlarındaki değişiklikler için laboratuvar alt yapısını hazırlama çalışmalarına tüm hızıyla devam ediyor.


Kasım 2014’te gerçekleşen 25. Ağırlıklar ve Ölçüler Genel Konferansında (CGPM) kabul edilen tasarı gereği, 7 SI biriminden 4’ünün tanımında değişikliğe gidilecek ve kilogram, amper, kelvin ve mol birimleri, evrensel sabitlerden sırasıyla Planck sabiti, elemanter yük sabiti, Boltzmann sabiti ve Avogadro sabiti cinsinden yeniden tanımlanacak.

Kasım 2018’de gerçekleşecek olan 26. CGPM toplantısında onaylanması düşünülen tasarının, 20 Mayıs 2019 tarihinde yürürlüğe girmesi bekleniyor. 


Yeni tanımların dayandırıldığı büyüklüklerin, birimleri gerçekleştirmek için kullanılan teknolojilerde olası ilerlemelerden etkilenmeyecek şekilde seçilmiş olmaları sebebiyle, gelecekte SI birim sisteminde yeni düzenlemelere ihtiyaç duyulmaması planlanıyor. 


Dolayısıyla, bu son düzenleme ile birlikte tüm SI temel birimleri evrensel sabitlerin kararlı tabiatı gereği zamandan, konumdan ve kişiden bağımsız olarak gerçekleştirilebilecek.

Kütle birimi kilogramın tanımı 1889 yılından beri maddi bir ölçüte bağlı kalınarak Uluslararası Kilogram Prototipi (IPK) aracılığı ile yapılıyor. 


Referans standardı % 90 Platin ve % 10 İridyum alaşımından, 39 mm yüksekliğinde ve 39 mm çapında silindir şeklinde imal edilmiş olan, Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Bürosu’nda (BIPM) üç cam fanus içerisinde muhafaza edilen ve erişimi Ağırlıklar ve Ölçüler Komitesi’nin (CIPM) sıkı denetimiyle kontrol edilen Kilogram birimi  “IPK’nin kütlesine eşittir” şeklinde tanımlanır.  


Bu tanım yapılırken IPK kütlesinde hiçbir değişimin olmadığı varsayılır. Bu varsayımın test edilebilirliği mümkün olmamakla birlikte, kilogram birimi için izlenebilirlik yalnızca BIPM tarafından sağlanabilir.


Kilogram biriminin yeni tanımı Planck sabiti sayısal değeri h = 6,626 070 015 x 10-34 kg m2 s-1 alınarak yapılır. Bu tanımda SI birimlerinden metre ışığın vakumdaki hızı (c) ile saniye ise Sezyum-133 atomunun ince yapı seviyeleri arasındaki geçiş frekansı (∆ν_Cs) ile tanımlanmaktadır. 


Dolayısıyla kilogram yeni tanımı metre ve saniye ile ilişkilendirilmiştir. Yeni tanımla birlikte değeri evrensel bir sabit ile belirlenmiş olan kilogram biriminin izlenebilirliğinin BIPM tarafından verilmesi zorunluluğu ortadan kalkacak.


Kilogram birimini birincil seviyede gerçekleştirebilecek yönteme (Kibble Balans ya da XRCD) sahip bütün ulusal metroloji laboratuvarlardan izlenebilirlik alınabilecek. IPK kütlesi izlenerek yıllar içerisinde nasıl değiştiği gözlenip geriye dönük çıkarımlar yapılabilecek. 


TÜBİTAK UME’de kilogram biriminin gerçekleştirilmesi için çalışmalar 2014 yılından beri devam ediyor. «Metrologia» dergisinde de yayımlanmış olan güncel belirsizlik değeri 6 ppm’dir. TÜBİTAK UME 2019 sonlarına doğru 0,1 ppm belirsizlik seviyesine ulaşmayı hedefliyor.

Elektrik akımı birimidir. 1948 yılından itibaren 9. CGPM Konferansında kabul edilen tanımı kullanılmaktadır. 


Amper, sonsuz uzunlukta, dairesel kesit alanı ihmal edilebilecek, iki düz iletken tel vakum altında birbirlerine göre paralel ve 1 m mesafede iken bu iletkenler arasında 2 x 10-7 N/m büyüklüğünde kuvvet yaratan sabit akım olarak tanımlanır.


Güncel tanımında kuvvet kullanıldığı için amper birimini kilogram, metre ve saniye tanımlarını gerçekleştirmeden elde etmek mümkün değildir. 


Amperin tanımı vakum manyetik geçirgenliği μ_0 = 4π x 10-7 H·m-1 olarak sabitlenmiştir. 

Amper biriminin yeni tanımı elemanter yükün sayısal değeri  e = 1,602 176 634 x 10-19 A s esas alınarak yapılır.

Bu tanımda SI birimlerinden saniye Sezyum-133 atomunun ince yapı seviyeleri arasındaki geçiş frekansı (∆ν_Cs) ile tanımlanmaktadır. Bu tanımı gerçekleştirmek için tek elektron pompası (single electron pump) kullanılabilir. 


Yeni tanıma göre amper biriminin artık kilogram ve metre ile ilişkilendirilmesi ortadan kalkacak ve birim fizikteki temel sabite (e) bağlanmış olacaktır.

Termodinamik Sıcaklık birimi olan Kelvin 1967/68 yılından itibaren suyun aynı anda katı, sıvı ve gaz hallerinde termal dengede bulunduğu üçlü nokta sıcaklığının 1/273,16’sı olarak tanımlanır.


Kelvin biriminin yeni tanımı ise Boltzman sabitinin sayısal değeri k = 1,380 649 x 10 -23  kg m2 s-1 K-1 alınarak yapılır. 


Bu tanımda SI birimlerinden kilogram Planck sabiti (h), metre ışığın vakumdaki hızı (c) ile saniye ise Sezyum-133 atomunun ince yapı seviyeleri arasındaki geçiş frekansı (∆ν_Cs) ile tanımlanmaktadır.


Bu değişiklikle birlikte Kelvin kilogram, metre ve saniye tanımlarıyla ilişkilendirilmiştir. 


Kelvin biriminin gerçekleştirilmesinde Dielektrik Sabiti Gaz Termometresi, Akustik Gaz Termometresi, Johnson Gürültüsü (Johnson Noise) Termometresi ve Doppler Genişlemesi (Doppler Broadening) Termometresi  kullanılabilir. TÜBİTAK UME, halen yürürlükte olan yatırım projesi kapsamında çalışmalarına devam ettiği Akustik Gaz Termometre sistemini kurarak termodinamik sıcaklık ölçümlerini gerçekleştirecek.

1971 yılından itibaren 12 gram 12C’da bulunan atom sayısı kadar elemanter tanecik (atom, molekül, iyon, elektron, ya da diğer parçacıklar) içeren sistemler 1 mol olarak tanımlanır.


Mol biriminin yeni tanımı, Avagadro sabitinin sayısal değeri NA = 6,022 140 76 x 1023  mol-1 alınarak yapılır. Avogadro sayısı kadar tanecik içeren sistemler bir mol olarak tanımlanır.


Mol biriminin gerçekleştirilmesinde 28Si izotopundan yapılan saf silikon küreler kullanılır. Bu tanımla birlikte 12C atomunun kütlesi, kilogram ve mol arasındaki mevcut ilişki geçerliliğini kaybedecektir.

TÜBİTAK UME ülkemizin 2023 hedefleri doğrultusunda metrolojinin geleceğine yön veren Uluslararası Birimler Sistemi’ndeki (SI) kilogram, amper, kelvin ve mol birimlerinin yeniden tanımlanması, oluşturulması ve sürekliliğinin sağlanması başta olmak üzere araştırma altyapısını geliştirerek savunma,  uzay, çevre, enerji, otomotiv, sağlık ve gıda gibi alanlarda ülkemizin ihracat yeteneğini ve Ar-Ge ve yeniliğe dayalı rekabet gücünü artırmasına ve ülkemizin jeopolitik konumu ve gereksinimleri doğrultusunda bu alanlarda ilerleme kaydetmesine çok daha fazla katkı sağlamayı amaçlıyor.

Dünyanın ilk 8 metroloji enstitüsü içerisinde yer alabilmek hedefiyle de başta kuantum metroloji laboratuvarlarının kurulumu olmak üzere yeni yatırım çalışmalarına başlamış bulunuyor. 


TÜBİTAK UME’den sağladıkları izlenebilirlikle ülke içerisindeki akredite laboratuvarlarca verilen sertifika sayısı yıllık 4 milyon adetlere ulaşmış durumda. Ancak, kilogram, kelvin, amper ve mol birimlerinin yeni tanımlarına TÜBİTAK UME olarak sahip olunamaz ise yılda ülke genelinde 1,7 milyon  sertifikanın izlenebilirliğinin yurt dışına bağımlılığı kaçınılmaz olacak.