Stabiele isotopen maken thermometers nauwkeuriger

Het werk van RUG-promovenda Vahideh Faghihi zal de kallibratie van thermometers nauwkeuriger maken. Niet heel belangrijk voor de gemiddelde gebruiker, maar wel voor klimaatonderzoekers.

De officiële eenheid van temperatuur volgens het Système international d'unités (SI), de Kelvin, wordt bepaald met het zogeheten tripelpunt van water. Dit is de temperatuur waarbij water aanwezig is als vaste stof, vloeistof en gas. Dat is bij ongeveer 0,01 graad Celsius. De nauwkeurigheid waarmee het tripelpunt is te meten bepaalt hoe nauwkeurig temperatuurmetingen zijn, zegt Harro Meijer, promotor van Faghihi bij het onderzoekinstituut Energy and Sustainability Research Institute Groningen (ESRIG) van de RUG.

‘Waar het tripelpunt ligt hangt af van de zuiverheid van het water’, legt Meijer uit. Dus wordt het water voor de ‘tripelpuntcellen’ waarmee de kallibraties plaatsvinden verschillende keren gedestilleerd, zodat er minder dan 0.0001 procent verontreiniging in zit. Maar er is nog een verstorende factor: ‘Water bevat een kleine hoeveelheid van de zwaardere stabiele isotopen van zuurstof en waterstof. En de hoeveelheid zware isotopen beïnvloedt het tripelpunt.’ Zuurstof heeft bijvoorbeeld een atoomgewicht van 16, maar er bestaan ook zwaardere vormen met gewicht 17 of 18.

Meetfout

Het lab van Meijer heet het ‘Centrum voor isotopen onderzoek’, en daar horen ook stabiele isotopen bij. ‘We besloten om het effect van deze zware isotopen op het tripelpunt uit te zoeken, om te zien of we de kallibratie konden verbeteren.’ Hiervoor produceerde Faghihi mengsels van verschillende hoeveelheden waterstof- en zuurstof isotopen, en mat nauwkeurig de samenstelling. Collega’s bij VSL, het Nederlands Metrologisch Instituut in Delft dat in Nederland de standaarden voor de SI eenheden bewaakt, mat vervolgens het tripelpunt van de mengsels. ‘Het resultaat is een formule waarmee iedereen de eigen metingen kan corrigeren naar een standaard isotopensamenstelling.’

Hoe belangrijk is dit nu eigenlijk? ‘Het scheelt misschien enkele tientallen micro Kelvins. Maar er zijn wetenschappelijke en technologische toepassingen waarbij dit belangrijk is. Klimaatwetenschapper meten bijvoorbeeld de temperatuur van diepzee water tot op de milli Kelvin nauwkeurig.’ En tussen de officiële standaarden en de thermometers voor dagelijks gebruik zitten een paar tussenstappen. ‘Bij elke tussenstap neemt de meetfout ietsje toe. Dus hoe nauwkeuriger de eerste standaard is, hoe beter.’ De metrologische gemeenschap is in ieder geval blij met de verbetering van Faghihi: Meijer is uitgenodigd om te spreken op de eerstvolgende internationale conferentie over temperatuurmetingen.

Overigens zou de tripelpunt cel binnen enkele jaren wel eens kunnen verdwijnen. ‘De Kelvin is een van de weinige SI eenheden die gebaseerd is op de meting van een arbitrair materiaal, en niet op een natuurconstante. Het is daarom de bedoeling om temperatuur te gaan baseren op de Boltzmann constante.’ Maar tot die tijd is de Faghihi formule – uit Groningen – nodig voor de meest nauwkeurige temperatuurmeting, en voor een nauwkeurige overgang naar de nieuwe definitie van temperatuur.

Vahideh Faghihi verdedigt haar proefschrift ‘ Water enriched in the rare stable isotopes: Preparation, measurement and application op 17 Juni 2016, bij het onderzoekinstituut Energy and Sustainability Research Institute Groningen (ESRIG) van de RUG.