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Ainsi qu’on le sait, la plupart des étalons de base du Système International d’Unités de mesure ont été « dématérialisés », à une seule exception : la masse. L’étalon du kilogramme, qui est un petit cylindre d’alliage de platine/iridium (90% / 10%) de 39 mm de haut pour 39 mm de diamètre, a été fabriqué en 1878 et il est abrité depuis le départ au Bureau International des Poids et Mesures (BIPM). Pour éviter toute contamination (ou de dépôt de poussière) qui altéreraient sa masse et mettraient à mal son statut d’étalon (ce qui serait dommageable pour un étalon…), il ne prend pratiquement jamais l’air. Six copies ont été créées pour répondre au besoin de référencement de la chaîne d’étalonnage. Depuis 1880, l’étalon est sorti seulement trois fois de son abri afin de vérifier que les copies sont conformes à l’original. Ces sorties ont permis de mettre en évidence que la masse des copies dérivait (par rapport à l’étalon de référence) en moyenne de 0,5 µg par an. En un siècle, cette dérive correspond à la masse d’un grain de sable de 0,4 mm de diamètre. C’est peu mais trop car cette variation peut compromettre la stabilité du système international d’unités SI, d’autant plus que d’autres unités du SI sont dépendantes du kilogramme : la mole, l’ampère et la candela sont rattachés par défi nition à l’unité de masse.
Indépendamment de ces aspects, il y a aussi le risque lié à l’unicité de l’étalon de masse. Jusqu’ici, il a résisté à deux guerres mondiales, mais sait-on jamais…
Toutes ces raisons ont conduit le BIPM à chercher à réaliser un nouvel étalon de masse (à l’horizon 2015), plus pratique et qui s’appuie sur les grandes phénomènes de la physique, à l’image des autres étalons. Plusieurs approches sont en cours, et plus particulièrement celles basées sur une balance de Watt. Le principe est d’équilibrer le poids d’une masse par la force de Laplace engendrée sur une bobine par un flux d’induction magnétique. La bobine est déplacée verticalement, a fin de caractériser avec exactitude les paramètres du circuit magnétique par une mesure de tension induite. La résistance et la tension électrique sont mesurées très précisément par l’intermédiaire d’étalons à caractère quantique faisant intervenir la constante de Planck. La masse est ainsi reliée aux étalons existants ainsi qu’à une constante de la physique.
En Suisse, le Metas (l’équivalent de notre bureau de métrologie) est au coeur de cette réalisation, avec pour partenaires le CERN qui fournit le circuit magnétique, Mettler-Toledo qui construit un comparateur de masse et l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne dont l’objectif est de réaliser le mécanisme de translation verticale de la bobine.
Les niveaux d’incertitude recherchés sont très élevés, de sorte que le choix des matériaux et les mécanismes de fonctionnement de cette machine doivent être maîtrisés dans le moindre détail. Parmi les éléments critiques de la machine, il y a une cellule de charge qui doit permettre d’atteindre une résolution de 1 µg pour une masse jusqu’à 2 kg. Mettler Toledo affirme avoir pulvérisé cet objectif et atteint une résolution de 0,3 µg…
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