Arbeits- und Forschungsprogramm

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1 Arbeits- und Forschungsprogramm

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3 Arbeits- und Forschungsprogramm Physikalisch-Technische Bundesanstalt Zusammenfassung.. S. 3 Die PTB Deutschlands nationales Metrologieinstitut. S. 5 Metrologie in Forschung und Dienstleistung: Herausforderungen und Perspektiven S. 11 Themenbereiche: Aufgaben und Ziele S. 21 1: Akustik, Ultraschall, Beschleunigung.. S. 22 2: Durchfluss.. S. 24 3: Elektrizität und Magnetismus.. S. 26 4: Ionisierende Strahlung S. 28 5: Länge, dimensionelle Metrologie.... S. 30 6: Masse und abgeleitete Größen. S. 34 7: Metrologie in der Chemie und Stoffeigenschaften.. S. 36 8: Metrologie in der Medizin.. S. 38 9: Photometrie und Radiometrie.. S : Thermometrie. S : Zeit und Frequenz S : Mathematik und metrologische Informationstechnik S : Physikalische Sicherheitstechnik, Explosionsschutz S : Nanometrologie. S. 56 Anhang A1 Liste der gesetzlichen Aufgaben der PTB. S. 60 A2 Selbsterklärung der PTB zum Qualitätsmanagement... S. 70 A3 Organigramm der PTB S. 71 A4 Mitteleinsatz für Forschung und Entwicklung. S. 72 1

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5 Zusammenfassung Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), das nationale Metrologieinstitut der Bundesrepublik Deutschland, ist eine Bundesoberbehörde mit wissenschaftlich-technischen Dienstleistungsaufgaben im Geschäftsbereich des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie. Die PTB misst, international abgestimmt, mit höchster Genauigkeit und Zuverlässigkeit für die Gesellschaft, die Wirtschaft und die Wissenschaft Metrologie als Kernkompetenz. Als weltweit erstes nationales Metrologieinstitut wurde im Jahr 1887 die Physikalisch-Technische Reichsanstalt, die Vorgängerinstitution der PTB, gegründet. Seither dient die PTB der auch heute noch nach Art. 73 des Grundgesetzes dem Bund obliegenden Sicherstellung der Einheitlichkeit des Messwesens in Deutschland. Das Einheiten- und Zeitgesetz, dass Mess- und Eichgesetz und eine Anzahl weiterer Gesetze und Verordnungen übertragen der PTB spezifische Aufgaben. Um den aktuellen und zukünftigen wissenschaftlichen und technologischen Anforderungen für die Bearbeitung dieser Aufgaben auf höchstem metrologischen Niveau gerecht zu werden, betreibt die PTB in großem Umfang eigene Forschung und Entwicklung (FuE), oft zusammen mit Wirtschaftsverbänden, Universitäten und Forschungsinstitutionen. Die Ergebnisse dieser gezielten FuE-Arbeiten münden in die verbesserte Darstellung und Weitergabe der Einheiten und in die Entwicklung neuer metrologischer Dienstleistungen. Durch Wissens- und Technologietransfer unterstützt die PTB darüber hinaus die Innovationsfähigkeit der deutschen Industrie. Das vorliegende Arbeits- und Forschungsprogramm formuliert konkrete Aufgaben und Ziele der Tätigkeiten an der PTB für die Jahre 2015 bis Es umfasst Fachthemen, die das gesamte Spektrum der Tätigkeiten der PTB darstellen und richtet sich an aktuellen und perspektivischen metrologischen Aufgabenstellungen und Herausforderungen sowohl im Bereich der Forschung als auch der Dienstleistungen aus. Eine besondere Bedeutung haben Aufgaben im Kontext der absehbaren Neudefinition der SI-Einheiten Ampere, Kilogramm, Mol und Kelvin und deren künftiger Realisierungen. Informationen im Anhang stellen gesetzliche Rahmenbedingungen, die Selbsterklärung zum Qualitätsmanagement sowie die gegenwärtige Aufbauorgansiation der PTB dar. Die PTB wird gezielt Forschungsarbeiten intensivieren und neu aufgreifen, welche die mittelfristigen und zukünftigen Herausforderungen in der Metrologie für Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft adressieren und damit neue Perspektiven eröffnen. Die unter anderem daraus folgende Entwicklung von innovativen Messverfahren und die Bereitstellung neuer Kalibrierdienstleistungen fußt dabei in vielen Fachbereichen der PTB auf wissenschaftlich-technischen und methodisch-apparativen Alleinstellungsmerkmalen. Zusätzlich werden Kooperationen mit Universitäten und insbesondere mit anderen europäischen Metrologieinstituten abgestimmt und verstärkt. Die maßgebliche und strategisch ausgerichtete Mitarbeit in nationalen und internationalen Gremien der Normung, der Standardisierung, der Akkreditierung und nicht zuletzt der Meterkonvention werden diese Aktivitäten auch in Zukunft wirkungsvoll flankieren. Es ist das erklärte Ziel der PTB, ihre Rolle als eines der richtungsweisenden nationalen Metrologieinstitute in Europa und in der Welt zu stärken und weiter auszubauen. 3

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7 Die PTB Deutschlands nationales Metrologieinstitut Die Sicherstellung der Richtigkeit von Messungen im amtlichen und geschäftlichen Verkehr wie auch in Wissenschaft und Technik ist für eine moderne Industrie- und Wissensgesellschaft unabdingbar. Jeder am Welthandel teilnehmende Staat unterhält deshalb eine nationale Qualitätsinfrastruktur, an deren Spitze in der Regel ein nationales Metrologieinstitut steht, das mit der Einheitlichkeit und der Qualitätssicherung des Messwesens betraut ist. In der Bundesrepublik Deutschland ist die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) dieses nationale Metrologieinstitut. Sie wurde 1887 als weltweit erste Einrichtung ihrer Art unter dem Namen Physikalisch-Technische Reichsanstalt (PTR) gegründet. Die Initiative zur Gründung der PTR ging von einem Industriellen, Werner von Siemens, und einem Wissenschaftler, Hermann von Helmholtz, aus. Die so bereits in der Gründung angelegte und seither höchst erfolgreich gelebte, enge Symbiose zwischen industrienaher Forschung, Dienstleistung und Wissenschaft ist der Garant für eine leistungsstarken Metrologie für globalen Handel, industrielle Entwicklung und technische Innovation damals, heute und zukünftig. Abgeleitet aus der originären Verantwortung des Staates für die Einheitlichkeit des Messwesens liegt der PTB eine Kernaufgabe von Verfassungsrang zugrunde. Paragraf 6 des Einheiten- und Zeitgesetzes legt den Status der PTB als Bundesoberbehörde im Geschäftsbereich des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) fest, eine passende Zuordnung angesichts ihrer zentralen Bedeutung für die deutsche Wirtschaft. Entsprechend ihrer spezifischen staatlichen Beauftragung stellt die PTB eine international akzeptierte und zuverlässige messtechnische Infrastruktur für Gesellschaft, Wirtschaft und Handel sowie für die Wissenschaft und Forschung gleichermaßen bereit. Die Arbeit der PTB bildet damit die Grundlage dafür, dass jeder Verbraucher, Unternehmen oder Behörden Vertrauen in die Zuverlässigkeit und Unparteilichkeit von Messungen und Prüfungen haben kann. Das Aufgabenspektrum der PTB umfasst die Darstellung und Weitergabe der Einheiten des Internationalen Einheitensystems (Système International d'unités - SI), Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet des Messwesens und die Erbringung metrologischer Dienstleistungen. Dieses Aufgabenspektrum leitet sich aus mehr als zwanzig Gesetzen und Verordnungen sowie aus internationalen Verträgen und Vereinbarungen ab (s. Liste der gesetzlichen Aufgaben der PTB, Anhang A1). Die Nutzung der Forschungs- und Entwicklungsleistungen der PTB über die Darstellung und Weitergabe der Einheiten hinaus wird vom Gesetzgeber als so wichtig erachtet, dass der Wissens- und Technologietransfer als Teil des gesetzlichen Auftrages der PTB festgeschrieben wurde. Damit ist nicht zuletzt das starke PTB-Engagement in der gewerblichen und der universitären Ausbildung sowie in externen Forschungskooperationen begründet. PTB Forschen. Messen. Wissen Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet des Messwesens sind ausdrücklich Bestandteile des gesetzlichen Auftrages der PTB und unverzichtbare Voraussetzung für die Darstellung und Weitergabe der gesetzlichen Einheiten. Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten der PTB dienen dazu, das gesamte Aufgabenspektrum mit der erforderlichen Kompetenz ausführen zu können. Sie umfassen sowohl die permanente Suche nach innovativen metrologischen Methoden als auch das Lösen technischer Herausforderungen, vor allem zur Weiterentwicklung von Normalen und Messmethoden sowie von Verfahren zur Weitergabe der Einheiten an Kunden der PTB oder wiederum deren Kunden. Die Kalibrierung von Messgeräten, Maßverkörperungen und Referenzmaterialien, die Prüfung von Apparaten und Werkstoffen, gesetzlich vorgeschriebene Prüfungen, Zulassungen, Konformitätsbewertungen und Genehmigungen sind metrologische Dienstleistungen, die von der PTB nach dem Subsidiaritätsprinzip an der Spitze der metrologischen Messkette erbracht werden. Alle hierfür notwendigen Messungen werden auf die nationalen Normale der PTB rückgeführt, welche ihrerseits wiederum im Rahmen der Meterkonvention international harmonisiert sind. 5

8 Dadurch werden eine gleichbleibend hohe Qualität und die Anerkennung der Ergebnisse in Europa und weltweit gesichert, was von entscheidender Bedeutung für die global aufgestellte deutsche Wirtschaft ist. Die PTB unterstützt eine Vielzahl von Zielgruppen. So berät und koordiniert sie verschiedene nationale Akteure im metrologischen Bereich, z. B. Gesetzgeber, Marktüberwachungsbehörden, Normungsgremien, und wirkt zwecks Sicherstellung der Einheitlichkeit des Messwesens an der Akkreditierung von Metrologie-Dienstleistern mit. Darüber hinaus arbeiten PTB-Mitarbeiter umfangund einflussreich in europäischen und internationalen Organisationen und Gremien, wirken bei Entwürfen von Gesetzen, Verordnungen, Vorschriften, Normen und Richtlinien mit und unterstützen im Rahmen der technischen Zusammenarbeit Entwicklungs- und Schwellenländer wirksam beim Aufbau von eigenen Metrologiestrukturen. Alle Aktivitäten sind durch ein umfassendes, hauptsächlich nach der internationalen Norm DIN EN ISO/IEC technisch ausgerichtetes Qualitätsmanagementsystem abgesichert. Dieses wird jährlich einer internen Begutachtung sowie einem zweistufigen Selbstbewertungsprozess auf Abteilungs- und Präsidiumsebene unterzogen. Weiterhin wird es im Rahmen der Meterkonvention auf Grundlage eines Begutachtungsprozesses mit internationaler Beteiligung jedes Jahr evaluiert. Integraler Bestandteil des Qualitätsmanagementsystems der PTB sind die DFG-Regeln zur guten wissenschaftlichen Praxis. Wesentliche weitere Elemente der Qualitätssicherung sind die Teilnahme an internationalen Vergleichsmessungen (mehrere Dutzend pro Jahr), deren Ergebnisse öffentlich verfügbar sind, die regelmäßige Diskussion mit dem Kuratorium der PTB, dem hochrangige Persönlichkeiten aus Wirtschaft und Wissenschaft angehören, sowie übergreifende Evaluationen der Forschungsleistungen z. B. durch den Wissenschaftsrat. Die Qualitätspolitik wird nach außen vor allem durch die Selbsterklärung zum Qualitätsmanagement dokumentiert, welche auf der Internetseite der PTB zu finden ist und hier als Anhang 2 abgedruckt ist. Die Tätigkeiten der PTB gliedern sich in vier ineinander verzahnte Geschäftsbereiche: Grundlagen der Metrologie: mit den Zielen der Darstellung und Weitergabe der Einheiten; Metrologie für die Wirtschaft: mit den Zielen, zur Leistungssteigerung der Wirtschaft und der Sicherung der Beschäftigung beizutragen; Metrologie für die Gesellschaft: mit den Zielen, zur Förderung des Verbraucherschutzes und der Sicherung der Lebensbedingungen beizutragen; Internationale Angelegenheiten: mit den Zielen der Vereinheitlichung des Messwesens und des Abbaus nicht-tarifärer Handelshemmnisse. Die PTB arbeitet diesen Geschäftsbereichen mit dem Anspruch, als ein weltweit führendes Metrologieinstitut kompetenter Partner, Berater und Impulsgeber für die Gesellschaft, Politik und Wirtschaft sowie die Wissenschaft zu sein. Die einzelnen PTB- Fachbereiche sind für das jeweilige 6

9 metrologische Thema geschäftsbereich- und tätigkeitsübergreifend, also in Dienstleistung und Forschung, zuständig (s. Organigramm, Anhang A3). Dies stellt nicht nur die optimale Nutzung der benötigten sachlichen und personellen Ressourcen sicher, sondern gewährleistet darüber hinaus vor allem auch einen effizienten Wissenstransfer von der Forschung in die Anwendung und zurück. Der Geschäftsbereich Grundlagen der Metrologie umfasst die gesetzliche Aufgabe der Entwicklung und Bereitstellung der nationalen Primärnormale und Normalmesseinrichtungen und der ggf. für die Weitergabe der Einheiten benötigten Sekundär- und Transfer-Normale. Die Mission des Geschäftsbereiches ist die Schaffung des international harmonisierten Fundamentes für das nationale Messwesen, das den heutigen und für die Zukunft absehbaren Anforderungen genügt. Der Schwerpunkt der diesbezüglichen Forschung liegt momentan auf Arbeiten zur Rückführung der SI-Einheiten Ampere, Kilogramm, Mol und Kelvin auf Naturkonstanten, ein weitreichendes Konzept, das voraussichtlich 2018 von den Mitgliedern der Meterkonvention beschlossen werden wird. Nach dieser Neudefinition lassen sich zum Beispiel durch technische Neuerungen initiierte, vielfältig zu erwartende Verbesserungen in der Realisierung der Einheiten (einfachere Anwendbarkeit und erweiterte Anwendungsbereiche, geringere Unsicherheiten, etc.) direkt umsetzen und in den Markt bringen, so dass diesbezügliche Forschungsarbeiten höchste Priorität haben. Auch bei der Darstellung von Einheiten auf der Basis klassischer Prinzipien steigen die Anforderungen an die Unsicherheiten und an die Messbereiche stetig. Etablierte Messprinzipien und Technologien müssen deshalb kontinuierlich verbessert oder gar durch neue Methoden abgelöst werden. Insbesondere sich neu entwickelnde Technologien wie die Nanometrologie, Metrologie für innovative medizinische Diagnostik- und Therapieverfahren oder Metrologie für die Entwicklung und Charakterisierung von energieeffizienten Verfahren erfordern intensive Forschungsarbeiten im Vorfeld, um Kompetenzen zur Bereitstellung zukünftiger metrologischer Dienstleistungen aufzubauen und diese dann rechtzeitig zur Verfügung zu stellen. Für die exportorientierte Volkswirtschaft der Bundesrepublik Deutschland sind eine hoch entwickelte Qualitätsinfrastruktur sowie die Verfügbarkeit metrologischen Know-hows auf internationalem Spitzenniveau zur Unterstützung neuer Technologien eine unabdingbare Voraussetzung. Die Mission des Geschäftsbereiches Metrologie für die Wirtschaft kommt daher in zahlreichen gesetzlichen Aufträgen zum Ausdruck: Förderung von Wissenschaft und Wirtschaft durch Forschung und Entwicklung, Kalibrierung, Prüfung und Zulassung, Konformitätsbewertung, Beratung und Information auf höchstem metrologischem Niveau. Durch die technische Entwicklung von Normalen, Normalmessgeräten und Messverfahren schafft die PTB messtechnische Systemlösungen für genaue und zuverlässige Messungen und Prüfungen in Industrie und Handel. Nicht erst mit der vierten industriellen Revolution ( Industrie 4.0 ) ist die Durchdringung der Produktionsprozesse mit einer Messtechnik, die allen nationalen und internationalen Ansprüchen gerecht wird und entsprechend standardisiert ist, entscheidende Voraussetzung für zuverlässig funktionierende Qualitätsmanagementsysteme in der Wirtschaft. Dafür ist es unverzichtbar, alle Messergebnisse auf das SI zurückzuführen, wie dies z. B. für Zertifizierungen von Managementsystemen nach ISO 9001 erforderlich ist. Mit den akkreditierten Kalibrierlaboratorien in Deutschland, deren Bezugsnormale in der Regel auf die nationalen Normale der PTB zurückgeführt sind, steht die notwendige messtechnische Infrastruktur dafür bereit. Der fachliche Austausch zwischen den Kalibrierlaboratorien und der PTB erfolgt in den Fachausschüssen des Deutschen Kalibrierdienstes (DKD). Für die Akkreditierung von Kalibrierlaboratorien ist in Deutschland die Deutsche Akkreditierungsstelle GmbH (DAkkS) zuständig. Für sie stellt die PTB erfahrene Gutachter und wirkt in ihren Gremien mit, oft wie im Akkreditierungsbeirat in leitender Funktion. Es bleibt eine der wichtigsten Aufgaben der PTB, zur Zuverlässigkeit der in Deutschland durchgeführten Messungen beizutragen und das hohe internationale Vertrauen in deutsche Kalibrierscheine zu erhalten und auszubauen. Eine weitere 7

10 Säule der metrologischen Dienstleistungen der PTB stellen Konformitätsbewertungen dar. Die von der Konformitätsbewertungsstelle der PTB ausgestellten Zertifikate dienen Herstellern gesetzlich geregelter Produkte als Basis für den nationalen, europäischen oder internationalen Marktzugang. Die Arbeitsschwerpunkte der PTB orientieren sich am messtechnischen Bedarf der für die exportorientierte nationale Wirtschaft wichtigen Branchen sowie der kleinen und mittleren Unternehmen (KMU). Die PTB sieht es als eine ihrer vorrangigen Aufgaben an, KMU durch Informationen, kompetente Beratung und Technologietransfer zu unterstützen und zu fördern. Gleichermaßen bedeutsam für die Wirtschaft ist die maßgebliche Mitarbeit der PTB in den nationalen und internationalen Gremien, vor allem denen der Normungsorganisationen. Richtige Messergebnisse und zuverlässigen Messeinrichtungen tragen wesentlich zum Verbraucherschutz und zur Sicherung der Lebensbedingungen bei. Die PTB betreibt Metrologie für die Gesellschaft, mit der Mission, die Messrichtigkeit für lauteren Verkehr von Waren und Dienstleistungen, zum angemessenen Schutz der Verbraucher, für die persönliche und industrielle Sicherheit sowie zum Schutz der Natur und Umwelt sicherzustellen. Vertrauen in Messergebnisse gewährleistet Sicherheit für Handelspartner, Verbraucher und Gesetzgeber. Die Bauartzulassung bzw. Prüfung von Messgeräten im Rahmen nationaler oder europäischer Rechtsvorschriften, z. B. auf den Gebieten Wägetechnik, elektrische Energie, Wärme-, Gas- und Wasserversorgung oder Strahlenschutz, ist ein Schwerpunkt der Arbeit der PTB in diesem Bereich. Die im Rahmen der Prüfungen und Diskussionen mit den Herstellern und den Eichbehörden gewonnenen Erfahrungen fließen wiederum in die Beratung des Gesetzgebers ein. In erster Linie ist der Adressat das BMWi, aber auch andere Bundesministerien, wie BMZ, BMU, BMG, BMI, BMAS, BMEL, BMVI, sowie Länderbehörden nutzen regelmäßig die in der PTB vorhandene Fachkompetenz. Die Gesundheit der Bürger ist ein elementares Bedürfnis der Gesellschaft. Hier ist die PTB gemäß Medizinproduktegesetz für die Sicherstellung der Einheitlichkeit des Messwesens in der Medizin zuständig. Sie betreibt dazu insbesondere die Entwicklung neuer oder die Verbesserung bereits existierender Messverfahren für medizinische Diagnostik und Therapie sowie von Normalen und Normalmesseinrichtungen für die medizinische Messtechnik. Zu entsprechenden messtechnischen Fragestellungen berät die PTB zuständige (Landes-)Behörden und die Benannten Stellen. Für die klinische Labordiagnostik gewährleistet die PTB die Rückführung von analytischen Messungen auf die SI-Einheiten, insbesondere auf das Mol. Die Qualitätssicherung quantitativer Messungen in der Laboratoriumsmedizin wird von der PTB dadurch maßgeblich unterstützt. Die PTB ist außerdem auf den wirtschaftlich und vor allem gesellschaftlich wichtigen Gebieten der physikalischen Sicherheitstechnik und des Explosionsschutzes elektrischer Betriebsmittel tätig, hier in Kooperation mit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Ihre Kompetenz bei der Weiterentwicklung von Explosionsschutz und sicherheitstechnischen Konzepten stellt die PTB ihren Kunden (Bundes- und Länderministerien, Gewerbeaufsicht, Berufsgenossenschaften, Normungsgremien, Wirtschaft) zur Verfügung. Die gleiche Funktion erfüllt die PTB auf dem Gebiet des Strahlenschutzes und der Strahlenschutzvorsorge. Die Meterkonvention von 1875 manifestierte auf der Ebene eines internationalen Staatsvertrags, dass Metrologie eine staatenübergreifende Aufgabe ist. Globalisierung von Wirtschaft und Handel lassen das heutzutage noch offensichtlicher erkennen. Deshalb ist es die Mission der PTB im Geschäftsbereich Internationale Angelegenheiten, zur internationalen Einheitlichkeit des Messwesens und damit zum Abbau nicht-tarifärer Handelshemmnisse beizutragen. Hierzu dienen Kooperationen mit anderen nationalen Metrologieinstituten, maßgebliche Mitarbeit in den internationalen Gremien insbesondere der Meterkonvention und die Zusammenarbeit mit anderen Nationen. Das wesentliche Element, um die Einheitlichkeit des 8

11 internationalen Messwesens und das Vertrauen darauf global sicherzustellen, ist das Mutual Recognition Arrangement des Comité International des Poids et Mesures (CIPM-MRA). In dessen Rahmen finden umfangreiche internationale Vergleiche von Normalen und Normal- Messeinrichtungen statt, auf deren Basis die teilnehmenden Einrichtungen die metrologische Qualität (insbesondere Messunsicherheit und Messbereich) ihrer Kalibrier- und Messmöglichkeiten für alle Gebiete der Metrologie öffentlich nachvollziehbar begründen. Zur gegenseitigen Überprüfung der Qualitätsmanagement-Systeme der nationalen Metrologieinstitute führt die PTB regelmäßig Begutachtungen und Evaluierungen durch und ist Partner in Peer-Review -Netzwerken. Die nationalen Metrologieinstitute sind weltweit in regionalen Metrologieorganisationen (RMO) zusammengeschlossen; in Europa ist dies EURAMET e. V. Dieser in Braunschweig eingetragene Verein gibt den Rahmen zu den europäischen Arbeiten zum CIPM-MRA vor und koordiniert die nationalen Metrologie-Programme aller Forschung betreibenden europäischen Metrologieinstitute. Diese Koordination erfolgt auf der Basis von Technology Roadmaps, die in den technischen Komitees von EURAMET erarbeitet werden. Der Verein EURAMET ist Partner der Europäischen Kommission zur Durchführung des European Metrology Research Programme (EMRP, ) und des European Metrology Programme for Innovation and Research (EMPIR, ). Ein signifikanter Teil der Forschung und Entwicklung der PTB wird im Rahmen dieser Förderprogramme gemeinsam mit den europäischen Partnern geplant und durchgeführt. Dem Abbau von Handelshemmnissen und damit den Interessen der exportorientierten deutschen Messgeräteindustrie dient die weltweite Angleichung von Anforderungen und Prüfvorschriften im gesetzlichen Messwesen. Mit diesen Zielen arbeitet die PTB aktiv und wirkungsvoll in der Organisation Internationale de Métrologie Légale (OIML) und der European Legal Metrology Cooperation (WELMEC) mit. Auch die von PTB-Mitarbeitern unterstützten, gut 500 Normungsgremien sind etwa zur Hälfte international (z. B. ISO, IEC, CEN, CENELEC). Einen besonderen Stellenwert innerhalb der internationalen Aktivitäten der PTB hat die technisch-ökonomische Zusammenarbeit mit Entwicklungs- und Schwellenländern. Sie zielt auf die Etablierung der metrologischen Infrastruktur in diesen Partnerländern ab. Hierzu werden von der PTB erhebliche Projektmittel eingeworben (meist vom BMZ, aber auch z. B. von EU und Weltbank) und durch entsprechende Projekte der Auf- und Ausbau der Qualitätsinfrastruktur gefördert. Diese Arbeiten schaffen die metrologische Basis für die Teilnahme der Partnerländer am globalen Verkehr von Waren und Dienstleistungen und kommen damit wieder unmittelbar der global vernetzten deutschen Wirtschaft zugute. 9

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13 Metrologie in Forschung und Dienstleistung: Herausforderungen und Perspektiven Innovation und Industrie Die hohe Bedeutung einer innovativen und damit auch künftig wettbewerbsfähigen Industrie wird sowohl national auch als international immer wieder adressiert. So werden im EU-Forschungsprogramm Horizont 2020 als Schlüsseltechnologien (Key Enabling Technologies, KET) für innovative Produkte die folgenden Bereiche genannt: Nanotechnologie, Mikro- und Nanoelektronik, neue Materialien, Biotechnologie, Photonik und fortgeschrittene Fertigungstechnologien, alles Felder mit unmittelbar metrologischem Bezug. Darüber hinaus eröffnet die aktuelle technologische Entwicklung im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT), befeuert durch die europäische und nationale Digitale Agenda sowie insbesondere die rasant wachsende Verknüpfung von innovativer Produktion und Informationstechnologie (Stichwort vierte industrielle Revolution, Industrie 4.0 ) vollständig neue Möglichkeiten mit großen Herausforderungen an die Metrologie nicht zuletzt auch im gesetzlichen Messwesen. Die effiziente Steuerung zunehmend komplexer und gleichzeitig flexibler Produktionsabläufe im Rahmen von Industrie 4.0 erfordert eine in Echtzeit aktualisierte, detaillierte Kenntnis der Prozessparameter einerseits und logistischer Information andererseits. Die Vielzahl der dazu erforderlichen Sensoren muss vor allem verlässliche, genaue Messdaten liefern, auf der Basis standardisierter Protokolle kommunizieren und die erhaltenen Daten müssen so fusioniert werden, dass verschiedene Messmethoden miteinander vergleichbar sind alles offensichtlich verbunden mit stark wachsenden Anforderungen an die Metrologie. Die PTB modelliert Sensoren, Messgeräte und Messabläufe, bis hin zum so genannten virtuellen Messgerät. Dabei werden die Charakteristika der zu messenden Objekten sowie die Umgebungsbedingungen der Messungen in die Ermittlung zuverlässiger Messergebnisse inklusive Messunsicherheiten einbezogen. Darüber hinaus ist absehbar, dass Methoden der Datenfusion zukünftig verstärkt angewendet werden, um die Ergebnisse verschiedener Messmethoden miteinander zu vergleichen. Die hochgenaue Verbreitung der gesetzlichen Zeit durch die PTB ist wichtiger Bestandteil der allgemeinen staatlichen Infrastruktur in Deutschland und Europa. Insbesondere in den Bereichen Verkehr und Kommunikation basieren Produkte und Dienstleistungen auf der Nutzung präziser Zeitinformationen. Die Synchronisation verteilter Systeme in flexiblen Fertigungsinfrastrukturen von Industrie 4.0 benötigt zunehmend validierte Zeitinformation. Bei innovativen Anwendungen, z. B. bei der Erzeugung ultrastabiler Mikrowellenfrequenzen für die Raumfahrt- und die terrestrische Industrie und für zukünftige Messmethoden der Geodäsie, begrenzen die traditionellen Techniken der Verbreitung über Langwellensender und Satelliten die beim Anwender verfügbare Genauigkeit der Zeit- und Frequenzsignale, die von neuesten, höchstpräzisen Atomuhren abgeleitet werden können. Es werden deshalb strategische Punkt-zu-Punkt-Glasfaserverbindungen für die moderne Zeit- und Frequenzverbreitung benötigt. Diese Verbindungen werden das Rückgrat eines zukünftigen europäischen Glasfasernetzes für Zeit- und Frequenzvergleiche bilden. In nationalen Forschungskooperationen sowie zusammen mit ihren Partnern aus ausgewählten Metrologieinstituten in Europa wird die PTB diese Entwicklung vorantreiben. In der Mikrosystemtechnik, der Halbleiterindustrie und der Nanotechnologie sind dimensionelle Messungen von Mikro- und Nanostrukturen, also die Bestimmung von Strukturgrößen und -formen, wichtige Charakterisierungsmethoden. Immer kleinere Strukturen benötigen Messverfahren mit gesteigertem räumlichem Auflösungsvermögen und einer geringeren Messunsicherheit sowie 3D-Messfähigkeit. Die Messung kritischer Dimensionen von lithographischen Masken für die Fertigung von Halbleiterbauelementen erfordert heute Unsicherheiten von kleiner als 1 nm mit ständig steigenden Anforderungen 11

14 u. a. auch im Bereich der Charakterisierung funktionsrelevanter Mikrokomponenten. Die stärkere Verwendung von natürlichen und künstlichen Nanopartikeln, z. B. in Farben, Kleidung, Lebensmitteln und Kosmetika, erfordert die Bewertung der mit Nanopartikeln potenziell verbundenen Risiken. Zuverlässige Verfahren zur Charakterisierung der Nanopartikel sind wesentliche Voraussetzung für eine belastbare Forschung zu möglichen Risiken, eine darauf aufbauende korrekte und gesellschaftlich akzeptierte Risikobewertung sowie schließlich die rechtssichere Durchsetzung von Kontroll- und Schutzmaßnahmen. Verbesserten Methoden für die Größen-, Form- und Konzentrationsbestimmung von Nanopartikeln kommt hier eine besondere Bedeutung zu. Hierzu werden an der PTB optische, elektronen- und röntgenoptische Messmethoden stetig verbessert, Messgeräte speziell für diese Anforderungen weiterentwickelt und Lücken in der messtechnischen Rückführung von industriell eingesetzten Partikelmessgeräten geschlossen. Des Weiteren unterstützt die PTB massiv die Entwicklung der Lithographie im extremen EUV-Bereich bei einer Wellenlänge von 13,5 nm, eine zukünftige Schlüsseltechnologie der Halbleiterindustrie zur Produktion von Strukturbreiten von weniger als 20 nm. Mittels weltweit einmaliger Möglichkeiten und Instrumente an den Synchrotronstrahlungsquellen Metrology Light Source (MLS) und BESSY II werden EUV-Optiken, -Masken und -Detektoren charakterisiert. Allgemein ist es in dem breiten Feld der Nanometrologie die Strategie der PTB, neben der Konzentration auf Fokusgebiete durch Bereitstellung modernster generischer Methoden in der Lage zu sein, zeitnah auf spezifische Anforderungen aus Industrie und Gesellschaft reagieren zu können. Erweiterte Möglichkeiten werden sich ab 2017 bieten, wenn das aus Bundes- und Landesmitteln errichtete und von der TU Braunschweig in Kooperation mit der PTB betriebene Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA) den Vollbetrieb aufnimmt. Die Anforderungen an die dimensionelle Messtechnik von Großkomponenten mit Abmessungen bis zu mehreren 10 m, z. B. in der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie insbesondere auch für Windenergieanlagen, steigen ständig. Die Prüfung von Fertigungs- und Montagetoleranzen von kleiner als 0,1 mm an Großkomponenten wie auch an montierten Systemen erfordert neue Messmethoden für die funktionsrelevanten dimensionellen Parameter und die mechanischen Eigenschaften. Es werden neue Referenzmesseinrichtungen, fertigungsbegleitende Messtechniken sowie Verfahren für die Überwachung in der Anwendung benötigt. In Deutschland und Europa hat sich eine starke optische Industrie entwickelt, die Spezial- und High-end-Optiken, Bearbeitungsmaschinen und optische Messgeräte herstellt. Asphärische Linsen und Freiformflächen sind Schlüsselkomponenten dieser Produkte. Sie erlauben es, kleinere Bauformen von Optiken, z. B. Kameras in Mobiltelefonen, zu realisieren und gleichzeitig deren Abbildungsleistung zu verbessern. Methoden der Form- und Strukturmessung mit Nanometergenauigkeit an optischen Funktionsflächen von Freiformkörpern sind bisher noch nicht etabliert und bedürfen der metrologischen Untermauerung. Zunehmend kostengünstigere und leistungsfähigere Kameratechnik wird den Einsatz bildgebender Messtechnik bei der berührungslosen Temperaturmessung, der Prozessüberwachung, -steuerung und -optimierung sowie in der Qualitätskontrolle von Produktkomponenten und Systemen im industriellen Umfeld verstärken. Statt nacheinander ein Feld von Messpunkten abtasten zu müssen, kann nämlich ein metrologisch validiertes Kamerabild unmittelbar und viel schneller die Messinformation über eine große Fläche liefern. Multispektralkameras sind weitere Beispiele für technologische Innovation in der bildgebenden Analytik in Zukunftsmärkten wie der Recyclingindustrie oder im Bereich der autonomen Fahr- und Assistenzsysteme im Automotive-Bereich. Die Charakterisierung bildgebender Messmethoden erfordert spezifische Messgrößen und neue vereinheitlichte metrologische Ansätze, die z. B. die Homogenität der Ansprechfunktion der Messgeräte quantifizieren. Bildgebende Messtechnik ist auch Basis für aus der Medizin bekannte 12

15 tomografische Messverfahren (CT), die zur Erfassung der 3D-Geometrie zu prüfender Komponenten zunehmend eingesetzt werden. Anorganische und organische Leuchtdioden werden die Lichtquellen der Zukunft sein und in immer vielfältigeren Anwendungen Glühlampen und einfache Gasentladungslampen weitestgehend verdrängen, ein Multimilliardenmarkt mit starker Beteiligung von deutschen Unternehmen. Neben der Bestimmung der Energieeffizienz dieser Lichtquellen wird die Bewertung der Lichtqualität für die Industrie und den Marktzugang zunehmend bedeutender, mit hohen metrologischen Anforderungen z. B. an die Bestimmung farbmesstechnischer Kenngrößen. Darüber hinaus ist die fotobiologische Sicherheit der neuartigen Lichtquellen zu gewährleisten, was gleichfalls deren Charakterisierung mit hoher metrologischer Genauigkeit voraussetzt. Quantenkryptographie ist eine vielversprechende und zukunftsweisende Technik zur Erhöhung der Sicherheit in der Informationstechnik. Ihre kommerzielle Nutzung hat in geringem Umfang bereits begonnen. Zur weiteren Entwicklung und einer breiteren kommerziellen Nutzung dieser Technologie ist eine zuverlässige Metrologie von Einzelphotonenquellen und -detektoren unabdingbar. Effiziente Einzelphotonenquellen ununterscheidbarer Photonen ermöglichen darüber hinaus die Realisierung verschränkter Photonenpaare für vollständig neue Anwendungen im Bereich der quantengestützten Metrologie jenseits der Standard-Quantengrenze. Der Frequenzbereich der Millimeter- und Terahertzwellen wird verstärkt für neue Methoden der Nahbereichskommunikation, Sicherheitstechnik, Medizindiagnostik, Radartechnik und Klimaforschung erschlossen. Damit einher geht ein steigender Bedarf an metrologischen Verfahren zur Feld-Darstellung und zur Bestimmung charakteristischer Messgrößen für diesen Frequenzbereich. Darüber hinaus ergeben sich neue metrologische Aufgaben bei der Entwicklung und Charakterisierung von Referenzmaterialen, z. B. für spektroskopische Anwendung von Terahertzwellen. Für innovative Technologien im Explosionsschutz sind Prüfverfahren, abgestützt auf die Modellierung sicherheitstechnisch relevanter Zündquellen und Verbrennungsvorgänge, zu entwickeln, die spezielle Messaufgaben beinhalten, z. B. die Zündgefahr durch optische Strahlung von Laser- und LED-Lichtquellen oder Zündung durch Ultraschall. Die Priorität liegt hierbei nicht auf der Erreichung der geringstmöglichen Messunsicherheit, sondern auf der Erarbeitung von Messverfahren, die einerseits ausreichende Sicherheit der geprüften Geräte gewährleisten, andererseits nachfolgend von den Explosionsschutzprüfstellen mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand angewendet werden können. Energie und Umwelt Die Metrologie ist eine Schlüsseldisziplin für den Umwelt- und Klimaschutz sowie für eine sichere, nachhaltige, umweltverträgliche und wirtschaftliche Energieversorgung. Die metrologischen Herausforderungen der kommenden Jahre bestehen in der Erweiterung der Messbereiche energierelevanter physikalischer Größen und der Entwicklung und Rückführung empfindlicher und hochgenauer Messverfahren für umweltrelevante Größen. Zur Sicherstellung einer nachhaltigen Energieversorgung und zum Erreichen der Klimaziele verfolgt die deutsche Bundesregierung das Ziel, den Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung bis 2020 auf mindestens 30 % zu steigern. Die Windenergie wird voraussichtlich den größten Beitrag zu diesem angestrebten Ausbau leisten. Deutschland verfügt über eine weit verzweigte und weltweit agierende Industrie im Bereich der Windkraftanlagen. Zur Unterstützung der Innovationsbestrebungen in diesem Bereich wird die PTB ein Windkraft-Kompetenzzentrum einrichten. In diesem Zentrum werden PTB- Aktivitäten zur Metrologie geometrischer Messgrößen und großer Drehmomente für 13

16 Komponenten von Windkraftanlagen und Forschungsarbeiten zur Bestimmung von Windgeschwindigkeiten zusammengefasst. Die Photovoltaik (PV) ist ein weltweiter Wachstumsmarkt. Deutsche Unternehmen erbringen in diesem Markt einen hohen Anteil der Kalibrierdienstleistungen. Die über die gesamte Lebensdauer eines PV-Moduls erzeugte elektrische Energie für einen bestimmten Standort ist für Investitionsentscheidungen die entscheidende Kenngröße. Die Ermittlung dieser Kenngröße erfordert die metrologisch fundierte PV-Effizienzbestimmung. Es werden Messverfahren für großflächige PV-Module unterschiedlicher Technologien benötigt, die es erlauben, die Effizienz unter Betriebsbedingungen zu projizieren. Diese neuen Messverfahren müssen dazu unterschiedliche Beleuchtungsspektren und variierende Einstrahlungswinkel realisieren können. Biogas und synthetisches Erdgas werden fossiles Erdgas im zukünftigen Energiemix verstärkt ersetzen. Ihre typischerweise dezentrale Einspeisung verändert die Beschaffenheit der Gasmischung im Erdgasnetz. Für einen sicheren Betrieb der Gasversorgungsinfrastruktur, die Einhaltung von Emissionsanforderungen und die faire Abrechnung des individuellen Verbrauchs ist die Bestimmung der Mischgaszusammensetzung in Abhängigkeit von Ort und Zeit notwendig. Eine flächendeckende Ausrüstung der Gasnetze mit Geräten zur Messung von Gaszusammensetzung und Brennwert ist allerdings kostenintensiv. Hier werden zukünftig verstärkt mathematische Methoden für die Zustandsrekonstruktion von Gasnetzen entwickelt und angewendet. In Kombination mit neuartigen Gasmessverfahren und Gaszählern kann so die korrekte Quantifizierung von Gasmengen in einem stark vermaschten Netz für Transportzwecke und für korrekte Verbrauchsbestimmung erfolgen. Elektrische Energie aus regenerativen Quellen, z. B. Windkraft- und Photovoltaikanlagen, wird in überwiegendem Maß lokal erzeugt. Mit ihrer dezentralen Einspeisung in das Stromnetz steigen die Anforderungen an die Bestimmung von Netzzustandsparametern. Die Erfassung dieser Parameter ist wesentlich, um die Qualität der Elektroenergieversorgung, d. h. die Stabilität von Netzspannungen und -frequenzen, sicherzustellen. Die präzise Erfassung von Netzstörspannungen und -strömen insbesondere die neuartigen, z. B. durch Photovoltaikanlagen verursachten erfordert neu zu entwickelnde, metrologisch abgesicherte Messverfahren. Darüber hinaus werden für die Bestimmung der Effizienz neuer Übertragungstechniken, wie der Hochspannungs-Gleichstromübertragung, breitbandige Strom- und Spannungswandler sowie Leistungsmessgeräte entwickelt. Ca. 55 % der insgesamt in Deutschland bereitgestellten Endenergie entfallen auf Nutzwärme für Haushalte, Dienstleistungsbetriebe und Industrie. Verbesserte Wärmedämmung beheizter Räume und optimierte Prozessführung in der Industrie stellen daher ein beträchtliches Potenzial zur Erhöhung der Energieeffizienz dar. Um dieses zu nutzen, ist die genaue Kenntnis der thermophysikalischen Eigenschaften von Werkstoffen, industriellen Rohstoffen und Energieträgern eine wichtige Voraussetzung. Neue Methoden zur präzisen Bestimmung der relevanten Materialparameter Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Emissionsgrad, Dichte und Viskosität werden benötigt. Im Umfeld der Mobilität auf Basis von Verbrennungsmotoren hängen die Effizienz des Antriebs sowie die Schadstofferzeugung (u. a. Rußaerosole) von den Prozessbedingungen ab; Gleiches gilt für die Stromerzeugung für die Elektromobilität aus konventionellen Kraftwerken. Optimierung ist durch genaue Modellierung der chemischen Reaktionsprozesse möglich, wozu präzise und metrologisch rückgeführte reaktionskinetische Parameter benötigt werden. Konventionelle Grundlast-Kraftwerke werden in Deutschland bis über das Jahr 2050 hinaus eine wesentliche Rolle bei der Energieversorgung spielen. Genauere Durchfluss- und Temperaturmessungen der Arbeitsmedien Wasser bzw. Hochtemperatur-Salzschmelzen als Wärmeträger erlauben eine wesentlich präzisere Prozesssteuerung und damit die 14

17 verbesserte energetische Ausschöpfung der Prozesse in thermischen Kraftwerken; dies reduziert zugleich den spezifischen CO 2 -Ausstoß. Die Minimierung der Messunsicherheit der Durchflussmessung in Kraftwerken ist ausschließlich durch die Kalibrierung der Durchfluss- Messgeräte vor Ort zu erzielen. Hierfür müssen neuartige Methoden der laseroptischen Durchflussmessung zur metrologischen Rückführung der Volumenstrommessung in Kraftwerken entwickelt und validiert werden. Die Sicherung der Wasserressourcen und -qualität erfordert die flächendeckende Überwachung von darin auftretenden Schadstoffen auf der Grundlage einheitlicher Grenzwerte und metrologisch abgesicherter, vergleichbarer Messergebnisse. Dazu müssen neue Messverfahren mit geringsten Nachweisgrenzen und höchster Genauigkeit entwickelt werden. Ziel ist es, Verfahren zur Untersuchung des gesamten Wasserkörpers, d. h. einschließlich der darin enthaltenen schadstoffbelasteten Schwebstoffe mit Größen im Bereich von Mikro- und Nanometern, zu entwickeln. Für die Überwachung gasförmiger Schadstoffe in der Luft und die Erfassung der Atmosphärenzusammensetzung und Sonneneinstrahlung für den Klimaschutz werden optisch-spektroskopische Fernerkundungs- und Messverfahren im Spektralbereich des mittleren Infrarot bis Vakuum-Ultraviolett eingesetzt. Die Präzision dieser Messverfahren bestimmt wesentlich die Genauigkeit von Emissionskatastern und Klimamodellen. Sie kann durch innovative, feldtaugliche Referenzspektrometer einerseits und die Bereitstellung metrologisch validierter Referenzdaten andererseits verbessert werden. Gesundheitsschädliche ultrafeine Partikel mit Größen von unter 100 nm, vor allem Rußaerosole aus Verbrennungsprozessen in Fahrzeugen, belasten zunehmend die Atmosphäre. Sowohl stationäre Messnetze als auch Erdfernbeobachtungen werden zur Detektion von Aerosolen eingesetzt. Metrologisch abgesicherte Verfahren zur Bestimmung der klassifizierenden Parameter Größe, Größenverteilung und Anzahl dieser Aerosole sowie ihrer optischen Eigenschaften sind erforderlich, um die Zuverlässigkeit von Aerosolmessungen zu verbessern. Für die Rechtssicherheit bei regulatorischen Maßnahmen sowie für die gesellschaftliche Akzeptanz ist das nachweislich richtige Messen eine entscheidende Voraussetzung. Die Zwischen- und Endlagerung radioaktiver Abfälle, darunter auch Neutronen emittierender hochradioaktiver Abfall aus der Nutzung der Kernenergie, stellt eine langfristige Aufgabe dar, die mit großen Befürchtungen in der Bevölkerung und mit deren Skepsis gegenüber den Betreibern kerntechnischer Einrichtungen verbunden ist. Vertrauenswürdige Messungen durch eine unabhängige Institution wie die PTB sind daher von starker gesellschaftspolitischer Bedeutung. Die Kompetenz in der PTB auf dem Gebiet der Neutronenmetrologie soll deshalb in den kommenden Jahren in einem Kompetenz- Zentrum Neutronenmetrologie gebündelt und ausgebaut werden. Mensch und Gesundheit Kaum eine Entwicklung wird die modernen Industriegesellschaften in der in Zukunft so prägen wie der demografische Wandel, welcher zu einem starken Anstieg von altersbedingten Leiden (wie z. B. Herzkreislauferkrankungen, Krebs und neurodegenerative Krankheiten) führen wird. Die moderne Medizin beruht auf quantitativen Messungen von physiologischen Größen als auch von zellulären und molekularen Prozessen. Im menschlichen Körper sind diese Größen eng miteinander verbunden und für eine verbesserte Diagnose von Krankheiten und fundierte Therapieentscheidungen von hoher Bedeutung. Darüber hinaus spielen quantitative Messverfahren bei der Therapiekontrolle eine Schlüsselrolle, um Änderungen von individuellen Messwerten aufgrund einer Therapie für unterschiedliche Patienten zu erfassen. Dieser Trend einer evidenzbasierten und personalisierten Medizin hat positive Auswirkungen auf den weltweiten Wachstumsmarkt Medizintechnik. Die PTB 15

18 unterstützt die Industrie insbesondere in den Bereichen Laboratoriumsmedizin, Bildgebung und Umweltmesstechnik. Etwa 70 % aller medizinisch-diagnostischen Entscheidungen beruhen auf Ergebnissen der Laboratoriumsmedizin, die im Wesentlichen auf der quantitativen Analyse von Körperflüssigkeiten basiert. Dabei wird u. a. die Konzentration von Biomolekülen bestimmt, die als diagnostische Marker eingesetzt werden können, z. B. für die Diagnose von Herzerkrankungen oder eine virologische oder bakterielle Belastung. Dies erfordert die sichere Identifizierung relevanter Moleküle und ihre genaue Quantifizierung. In der klinischen Praxis eingesetzte Verfahren müssen durch Primärverfahren validiert sein. Diese basieren gegenwärtig in der Regel auf der Massenspektrometrie, die für kleinere Moleküle mit molaren Massen bis etwa 1000 g/mol eingesetzt werden kann. Viele wichtige diagnostische Marker sind jedoch Makromoleküle mit molaren Massen bis zu mehreren Millionen g/mol. Routineverfahren zur Analyse dieser Marker liefern oft keine übereinstimmenden Ergebnisse. Die dringend erforderliche Rückführung solcher Messgrößen erfordert gänzlich neue Strategien für Primärverfahren. Hier werden Lösungen auf der Grundlage biotechnologischer und optisch analytischer Messverfahren entwickelt. Messungen von Zellkonzentrationen prominentestes Beispiel ist das Kleine Blutbild sind sehr häufige Analysen in der Labormedizin. Sie haben eine erhebliche Bedeutung für Therapieentscheidungen und -kontrollen. Neue Ansätze in der labormedizinischen Diagnostik erfordern verbesserte Methoden der Identifikation und Zählung seltener Zelltypen in kleinen Probenmengen. Hier sind die Entwicklung von Referenzverfahren und deren Validierung durch Ringversuche erforderlich. Neue quantitative Mess- und Analyseverfahren im Bereich der in-vivo-bildgebung mit Hilfe von Ultraschall, Röntgenstrahlung und Magnetresonanz (MR) werden entwickelt, um die Diagnose anhand von Bildkontrasten zu unterstützen. Die Messung physiologischer Parameter, wie z. B. lokale Durchblutung, Sauerstoffversorgung und Stoffwechsel, ist hier von hoher Bedeutung. Zusätzlich wird Bildgebung vermehrt mit lokalen spektroskopischen Messungen und elektrophysiologischen Untersuchungen kombiniert. Ziel ist es, funktionelle Effekte mit höherer Genauigkeit und Empfindlichkeit messen zu können. In den letzten Jahren haben verstärkt multi-modale Systeme (z. B. PET-CT, PET-MR) in den klinischen Alltag Einzug gehalten. Daher werden kombinierte Mess- und Rekonstruktionsverfahren an Bedeutung gewinnen, da neue iterative Rekonstruktionsalgorithmen oft einen größeren Einfluss auf die Messgenauigkeit haben als die eigentlichen Messverfahren selbst. Neue Rekonstruktionsverfahren werden zur Dosisreduktion bereits verstärkt in der OP-begleitenden Röntgenbildgebung und in der Computer-Tomographie eingesetzt, wozu neue Ansätze zur individuellen Dosisbestimmung entwickelt werden müssen. Auch die Kombination von Therapieverfahren mit bildgebender Diagnostik ist ein aktueller Trend in der Medizintechnik. Dadurch werden sowohl eine bildgeführte Therapie als auch eine direkte lokale Therapiekontrolle möglich. Für die Kombination von Strahlentherapien mit MR-Bildgebung besteht ein großer Bedarf an Referenzphantomen und neuen Dosimetrie-Prozeduren, mit denen eine genaue Bestimmung der Therapiedosis in den hohen MR-Magnetfeldern oder sogar simultan zur MR- Diagnostik möglich ist. Ein langfristiges Ziel dieser Entwicklungen ist eine zuverlässige Messung der biologischen Wirksamkeit einer Strahlentherapie bei gleichzeitiger MR- Bildgebung, z. B. eines bestrahlten Tumors und des umgebenden gesunden Gewebes. Nanopartikel sind für die medizinische Diagnostik und pharmazeutische Anwendungen von zunehmender Bedeutung. Magnetische Nanopartikel sind bereits fester Bestandteil in der Labordiagnostik, z. B. bei der Zellcharakterisierung. Zukünftig werden sie als Kontrastmittel in der MR-Bildgebung bzw. als kontrastgebendes Material in der magnetischen Partikelbildgebung eingesetzt. Sie erlauben ebenfalls neue Ansätze in der Krebstherapie. Die 16

19 diagnostische Qualität und der therapeutische Effekt hängen wesentlich von den magnetischen Eigenschaften der eingesetzten Nanopartikel ab. Ihr pharmakokinetisches Verhalten wird hingegen stark von Form, Größe und elektrischer Ladung bestimmt. An diese Anwendungen angepasste Methoden der magnetischen, elektrischen und dimensionellen Charakterisierung magnetischer Nanopartikel sind deshalb für die Beurteilung sowohl der Wirksamkeit als auch der Patientensicherheit erforderlich. Der Schutz des Hörens wird im Zuge einer immer älter werdenden Gesellschaft eine zunehmend wichtigere Aufgabe für die Sicherung der Lebensqualität. Unverträgliche Lärmexpositionen an Arbeitsplätzen oder den Lebensräumen im privaten Bereich sind zu vermeiden. Neue Verfahren zur Bestimmung der wahrnehmbaren Belastung durch Infraschall und Ultraschall, d. h. bei Frequenzen unterhalb und oberhalb des typischen menschlichen Hörbereichs, sind für das Verständnis von Wahrnehmungsmechanismen und die Bewertung möglicher negativer Umwelteinflüsse auf die Gesundheit von hoher Bedeutung. Gesetzliches und internationales Messwesen Durch gesetzliche Regelungen über Messungen, Messgeräte und die Verwendung von Messwerten wird in praktisch allen Staaten der Welt ein fairer Handel unterstützt und das Vertrauen der Bürger in amtliche Messungen gefördert. Darüber hinaus dienen gesetzlich geregelte Messungen auch der Rechtssicherheit und der Abwendung von möglichen großen wirtschaftlichen Schäden, wie zum Beispiel beim grenzüberschreitenden Handel mit Erdgas oder Mineralöl. Nur mit international einheitlichen Anforderungen an Messgeräte und Messbedingungen lässt sich erreichen, dass Messgeräte in unterschiedlichen Staaten innerhalb bestimmter Fehlergrenzen dieselben Messwerte anzeigen. In Zeiten der Globalisierung ist es darüber hinaus wichtig, dass nicht nur technische Anforderungen an Messgeräte einheitlich und verbindlich geregelt sind, sondern auch Prüfverfahren, Prüfberichte und Zertifikate. Dies ist die Aufgabe von internationalen und regionalen (z. B. europäischen) Organisationen, wie OIML(Organisation Internationale de Métrologie Légale) und WELMEC (European Legal Metrology Cooperation). Die internationalen Übereinkünfte zwischen den nationalen Metrologieinstituten zur gegenseitigen Anerkennung von Kalibrierungen, Konformitätsbewertungen und Zertifikaten, das CIPM-MRA und das OIML-MAA, tragen sehr erfolgreich dazu bei, dass technischadministrative Hindernisse für den globalen Handel und die internationale technische Zusammenarbeit deutlich verringert, teilweise sogar ganz ausgeräumt sind. Das zunehmende Aufkommen von vertrauensbildenden Prozessen im Rahmen dieser Übereinkünfte zum Nachweis der Kompetenz der beteiligten Partner, z. B. Schlüsselvergleiche und gegenseitige Begutachtungen, erfordert allerdings eine Verbesserung der Prozessabwicklung und ihres Qualitätsmanagements. Die PTB strebt eine Aktualisierung des CIPM-MRA an, ist Mitglied der entsprechenden Arbeitsgruppen im CIPM und wird in Zusammenarbeit mit anderen nationalen Metrologieinstituten Vorschläge erarbeiten, um die Praktikabilität und Effektivität der Übereinkünfte zukünftig zu sichern. Auf europäischer Ebene wird die PTB weiterhin intensiv in den Gremien des gesetzlichen Messwesens, z. B. WELMEC und NoBoMet (Cooperation of Notified Bodies for European Measuring Instruments), mitwirken, um Wettbewerbsverzerrungen für deutsche Hersteller und mögliche Nachteile für deutsche Verbraucherinnen und Verbraucher zu vermeiden. Auch in internationalen Gremien, z. B. OIML, WELMEC und COOMET, wird die PTB in den nächsten Jahren mit dem Ziel aktiv mitarbeiten, die Interessen der deutschen Industrie und Verbraucher vertreten zu können. Dabei ist insbesondere der Ausbau des OIML Mutual Acceptance Arrangements (OIML-MAA) zu nennen, der deutschen Herstellern von 17

20 Messgeräten einen erleichterten Zugang zum Markt in vielen Ländern ermöglicht. In Zusammenarbeit mit anderen nationalen Metrologieinstituten wird durch diese Aktivitäten die internationale Harmonisierung des gesetzlichen Messwesens weiter vorangetrieben. Mit dem Inkrafttreten des neuen Mess- und Eichgesetzes (MessEG) am 1. Januar 2015 wurde das gesetzliche Messwesen in Deutschland völlig neu geordnet und konsequent für alle Messgerätearten an europäische Richtlinien, z. B. die europäische Richtlinie 2004/22/EG über Messgeräte (MID), und internationale Entwicklungen angepasst. So wurde 2014 an der PTB eine Konformitätsbewertungsstelle für die Baumusterprüfung von über 150 Messgerätearten eingerichtet, der Regelermittlungsausschuss gegründet und der Ausschuss der Konformitätsbewertungsstellen eingeführt. Die Leitung und Geschäftsführung dieser neuen Gremien ist der PTB übertragen worden. Insbesondere durch diese neuen Funktionen kann die PTB ihre gesetzliche Beauftragung erfüllen, für die Einheitlichkeit im Messwesen in Deutschland zu sorgen. Die erfolgreiche Umsetzung des neuen MessEG wird von der PTB auch durch intensive Beratungsleistungen für die für das Messwesen zuständigen Landesbehörden sowie für Hersteller von Messgeräten unterstützt. Besondere Herausforderungen bei der Prüfung von gesetzlich geregelten Messgeräten sind die zunehmende Modularität, Komplexität, softwaregesteuerte Funktionalität und Interkonnektivität, bis hin zur Softwareaktualisierung per Internet und Speicherung geschützter Daten in einer Cloud. Messgeräte werden zunehmend in Netzwerken betrieben, beispielsweise vernetzte Wägegeräte, Messgeräte in Fertigungsanlagen oder kommunikative Verbrauchszähler im Haushalt ( Smart Meter ). Hier entsteht der Bedarf, die Standardisierung der Kommunikation und der Datenformate voranzutreiben. Die europäische Messgeräte-Richtlinie MID und das neue MessEG fordern, Verfahren zur Risikoanalyse und -bewertung für über das Internet kommunizierende Messgeräte zu erarbeiten. Gleichfalls sind Anforderungen zu entwickeln, die Messgeräte bei der Fernabfrage, der Softwareaktualisierung oder der Fernwartung über das Internet erfüllen müssen. Die PTB engagiert sich zunehmend bei der Erarbeitung der Handlungsempfehlungen für Messgerätehersteller, Konformitätsbewertungsstellen sowie Organisationen der Marktund Verwenderüberwachung und wird europaweit als Kompetenzzentrum wahrgenommen. Ein aktuelles und gesellschaftlich wie auch wirtschaftliche wichtiges Beispiel für die Vielfalt gesetzlich geregelter Messgeräte sind Abgasmessgeräte. So legt die EU-Richtlinie für die EURO-6-Norm Abgasgrenzwerte von Verbrennungsmotoren in Personen- und Nutzfahrzeugen fest. Zur Überprüfung der neu festgelegten Grenzwerte müssen Abgasmessgeräte sowohl Partikelanzahl als auch -größen zuverlässig bestimmen. Verschiedene Verfahren der Partikelzählung und -größenklassifizierung werden hierzu verwendet. Die Validierung dieser Methoden ist Voraussetzung für die Konformitätsbewertung von modernen Abgasmessgeräten. Die PTB treibt hierzu die entsprechenden apparativen Entwicklungen voran. Auch nach dem neuen Mess- und Eichgesetz obliegt die Konformitätsbewertung der Bauart von Messgeräten, die zur Messung der Dosis ionisierender Strahlung dienen, weiterhin ausschließlich der PTB. Durch die anstehende Anpassung des nationalen Strahlenschutzrechtes an das europäische Recht ist mit der Einführung der Messgrößen H p (3) und H'(3) zu rechnen. Im Falle der Einführung dieser weiteren Strahlenschutzmessgrößen wird die PTB ihre spezifischen Referenz-Strahlungsfelder entsprechend charakterisieren, um Konformitätsbewertungen und Kalibrierungen von Orts- und Personendosimetern durchführen zu können. 18