|
Metroloogide juhtlause ütleb: “Kord mõõdetud, kõikjal tunnustatud.”
Kes meist ei puutuks kokku kõikvõimalike olukordadega, kus on tarvis midagi mõõta. Kui mitte muidu, siis igapäevaseid sisseoste tehes, kuigi otsest kaalumist kohtab kaupluses üha harvemini, sest enamik kaupa on eelnevalt pakendatud. Ning hommikul välja minnes tahame ikka teada, kas õues ootavad ees sooja- või külmakraadid ja kui palju neid on. Kilogramm, meeter ja Celsiuse kraad on midagi niisugust, mille olemust adub vist küll igaüks. Vähegi järjekindlam Horisondi lugeja teab ilmselt ka seda, et teadusmaailmas mõõdetakse sageli hoopis raskemini tajutavaid suurusi, olgu siis tegu näiteks astronoomiliste kaugustega, mikroskoopiliste üksikasjadega või temperatuuriga, mis aina ligineb absoluutsele nullile, aga kunagi sinna välja ei jõua. Mõõtühikute, nende süsteemide, mõõtmismeetodite ja mõõtevahenditega tegeleb teadusharu, mida nimetatakse mõõteteaduseks ehk metroloogiaks. Metroloogiast üldiselt ja Eesti omariiklikust metroloogiast, mis tänavu suvel tähistas 85. sünnipäeva, räägivad Eesti metroloogia keskasutuse rolli täitva AS-i Metrosert etaloniteenuste divisjoni juht TOOMAS KÜBARSEPP ja etaloniteenuste divisjoni teadur, etalonihoidja VIKTOR VABSON.
Kui metroloogia igapäevaeluline praktiline väljund kõrvale jätta, siis mis ta ikkagi on, omaette teadus või pigem nagu abiteadus, mis teistel teadustel oma asja ajada aitab ja otsekui nende usaldusväärsust kinnitab?
V.V.: Ütleme nii, et Eestis on metroloogia ilmselt abiteadus. Meie ressurssidest ja inimestest ei piisa, et jõuda metroloogia eesliinile. Aga suurtes metroloogiainstituutides tehakse teadust kõige tõsisemal tasemel ja ei ole harvad juhtumid, kus vastavate tööde eest on saadud Nobeli preemiaid.
T.K.: Olgu näiteks nimetatud Brian D. Josephson (1973), kes kirjeldas ja seletas ära efekti, mis hiljem sai tema nime. Josephsoni efekt seisneb lühidalt seletatuna selles, et pinge rakendamisel ilmneb dielektrikuga lahutatud kahe ülijuhi võnkumine diskreetsetel sageduse väärtustel, mille kordse määravad ära fundamentaalkonstandid elektroni laeng ja Plancki konstant. Josephsoni efekti rakendus on tänapäeval oluline elektriliste suuruste, eeskätt pinge ühiku voldi realiseerimisel. Sakslased on sel alusel nüüdseks välja töötanud kaubandusliku toote – võimalik on osta seadmete komplekt, see laboris üles panna ning kasutama hakata. Ja ongi olemas pinge etalon, mis põhineb teataval fundamentaalsel loodusnähtusel.
Hilisematest nobelistidest võib esile tuua kaht ameeriklast, kes on töötanud USA riiklikus metroloogiainstituudis (National Institute of Standards and Technology, NIST) – William D. Phillipsit (1997) ja Eric A. Cornelli (2001).
V.V.: Metroloogia käib alusuuringute eesliinil, pakkudes samas tõesti kõikidele teistele teadustele metodoloogilise baasi selleks, et eri ajal ja eri kohtades saadud tulemused oleksid võrreldavad.
Enam pole aeg, kus igas riigis või külakeses kasutataks oma mõõtühikuid, olgu külimittu, tündrit, naela või versta. Meetermõõdustik on täna üsna üldiselt levinud ja meeter jääb meetriks nii Tallinnas kui Londonis. Tundub, et kõiges on ammu kokku lepitud ja töö tehtud?
T.K.: Riigi põhiülesanne on kindlustada oma kodanike heaolu ja mehhanism, mis seda teha aitab, on majandus. Majanduse efektiivsuse tagamise üks tegureid on kindlasti teadus- ja arendustegevus, mille käigus otsitakse pidevalt võimalusi, kuidas seda kõike paremini teha. Ühistel alustel on see kergem. Küllap seda mõisteti ka varem, aga 19. sajandi lõpul leidis niisugune arusaamine väljundi meetrikonventsioonis, millele esialgu kirjutas alla 17 riiki. Meetrikonventsiooni üheks eesmärgiks kujunes ka etalonide arendamine, põhiliselt just muutumatute loodusnähtuste rakendamine mõõtühikute defineerimisel.
V.V.: Juba prantslastel oli 18. sajandi lõpul meetermõõdustikku sisse seades idee, et süsteemi aluseks olevad ühikud tuleks seostada mingi muutumatu loodusobjektiga. Esialgu valiti selleks Maa meridiaan, mida siis ka hoolega mõõdeti. Aga praktilise rakendamise jaoks osutus see ebaotstarbekaks, kuna tarvilik töömaht ja mõõteviga, nagu tol ajal öeldi, või mõõtemääramatus, nagu tänapäeval räägitakse, osutus meridiaani mõõtmisel liigsuureks. Isegi sadakond aastat hiljem, meetrikonventsiooni sõlmimise aegu, saavutati prototüüpide kasutamisega hõlpsasti kaks suurusjärku väiksem määramatus kui loodusobjekti mõõtmise teel. See oligi põhiline põhjus, miks 19. sajandil n-ö füüsilised prototüübid kasutusele võeti.
Lõppkokkuvõttes on esialgne idee siiski viljakaks osutunud ja praktikasse juurdunud, seda eeskätt tänu uudsetele tehnilistele võimalustele. Praeguseks on omaaegsed prototüübid ikkagi asendatud definitsioonidega, mis põhinevad mingitel stabiilsetel loodusnähtustel, ainsaks erandiks on massi ühik kilogramm. Ent ka kilogrammi jaoks otsitakse lahendust – võimalik, et selleks saab kindlat tüüpi osakeste täpselt teadaolev arv etteantud tingimustes (märksõna Avogadro konstant), või siis õnnestub kilogrammi seostamine elektriliste, oomi ja voldi kvantetalonidega, kasutades nn vattkaalu (märksõna Plancki konstant).
T.K.: Kuidas areng on kulgenud, see saab selgemaks, kui jälgida, mis näiteks meetri definitsiooniga viimase 100 aasta jooksul on juhtunud. 1889 defineeriti meeter kui rahvusvaheline prototüüp – kriipsmõõt plaatina ja iriidiumi sulamist x-kujulise ristläbilõikega vardal. Seejärel võeti aluseks teatud ainest (krüptoonist) teatud tingimustel kiirguva valguse lainepikkus ja meeter avaldati selle kaudu. Lõpuks defineeriti meeter ümber valguse kiiruse peale, mis on füüsikas fundamentaalkonstant. See on universaalne ja võimaldab kasutada paljusid valgusallikaid, sealhulgas sedasama krüptoonlampi.
Milline on Eesti suhe meetrikonventsiooniga?
T.K.: Eesti on 2004. aastast Euroopa piirkondliku metroloogiaorganisatsiooni Euromet täisliige, mis on üks võimalus teha koostööd meetrikonventsiooni raames. Meetrikonventsiooniga liitumine tuleb kõne alla ikka pärast seda, kui riik on tegev regionaalses organisatsioonis. Otseselt meetrikonventsiooniga Eesti liitunud pole – põhjus peitub eeskätt rahas, sest liitumine toob kaasa teatud kohustused. Ilmselt saavad need tõkked siiski lähemal ajal ületatud. Hetkel on küll kahjuks nii, et oleme Euroopas pea ainsad omataolised, lisaks Eestile ei ole meetrikonventsiooniga liitunud veel Albaania.
Kui palju metroloogilisi etalone tänapäeval maailmas üldse on? Kui mitu riigietaloni ühel riigil olema peaks?
T.K.: Kõik sõltub riigi vajadustest. Isegi kõiki põhiühikuid, mida SI-süsteemis on seitse, ei pea etaloni tasemel olema, samas võib olemas olla mõne tuletatud ühiku etalon. Muidugi – põhiühikud on aluseks tuletatud ühikute etalonide tegemisel.
V.V.: Tänapäeval eristatakse üheksat suurt metroloogiavaldkonda, nagu näiteks pikkus, mass, termomeetria jne. Igaüks neist jaguneb omakorda hulgaks alavaldkondadeks. Suurriikidel on tavaliselt igas alavaldkonnas midagi olemas. Kuid etalonide arv iseenesest ei näita riigi metroloogilist suutlikkust. Hindamiseks on tarvis igas valdkonnas detailselt võrrelda realiseeritud mõõtepiirkondi, saavutatavaid mõõtemääramatusi ning seda, milliseid eripäraseid etalon- ja mõõtevahendeid on ühes või teises instituudis võimalik kalibreerida.
Riikidest rääkides koondab kõige rohkem ja kõige mitmekesisemate mõõtevõimalustega etalone ikkagi ilmselt NIST USA-s. Ameerika Ühendriikidel on tohutu majandus, mis peab olema kindlustatud väga paljude valdkondade kõrgel tasemel etalonidega. Seejuures ei rahulda need etalonid ainult USA enese vajadusi, vaid on sageli aluseks mõõtmistele kogu Ameerika kontinendil ja paljudes kaugemates riikideski. Sama saab öelda Euroopa juhtivate instituutide kohta. Näiteks Saksa metroloogiainstituudi Physikalisch-Technische Bundesanstalti ehk PTB kalibreerimistele tugineb umbes veerand maailma majandusest. Ühe väikeriigi metroloogiakeskuse mõjukuse ja tähtsusega on seda muidugi raske võrrelda, kuigi osutatud mõõteteenuste arvult võib mõni väike suuri instituute isegi märgatavalt ületada. Lõpuks on otsustav ikkagi iga teenuse metroloogiline ja majanduslik kaal. Eestis on hetkel kinnitatud kaks riigietaloni – massi ja pikkuse oma.
Tundub, et rahvusvaheline koostöö on metroloogias väga oluline?
V.V.: See on tõesti nii, samas pole ühislaborite projektid alati edukad olnud. Ükski riik ei taha päriselt loobuda oma metroloogiaalasest kompetentsist.
T.K.: Üks ühisuurimiskeskus on Euroopas siiski edukalt tööle hakanud. Nimelt keemiaalaste etalonainete instituut, mis on Euroopas ainulaadne. See loodi konkureerimiseks ameeriklastega, kel kõnealune valdkond on hästi arenenud, et mitte lubada Ameerika etalonaineid Euroopa turule. Aga seda keskust rahastab Euroopa Liit, mitte liikmesriigid üksikuna võetult.
Sisulise töö kõrval ongi viimasel ajal just kulutused need, mis metroloogiaringkonnad üldisemaltki ärevuses hoiab. Hinnad kogu aeg kasvavad, ja kasvab ka nõudmine täpsuse järele, aga rahalisi vahendeid ei taha valitsused suurendada. Et ressursse efektiivsemalt kasutada, otsivad Euromet, samuti Põhja- ja Baltimaid ühendav Nordtest koostöövorme rahvuslike metroloogiainstitutsioonide vahel. Välja on pakutud neli tulevikustsenaariumi. Esimese kohaselt jääks kõik nagu on, st et iga riik ajaks oma asja ehk veidi lihtsustatult öeldes – igaühel oleks oma meeter ja kilogramm. Teine ja kolmas stsenaarium pakuvad mitmesuguses vormis koostööd, neljas näeb ette ühtse Euroopa metroloogiainstitutsiooni loomise. Eurometi liikmed on leidnud üksmeelselt, et koostööd tuleb tihendada, ja on hääletanud maha nii esimese kui viimase arenguvariandi.
Niisugused on tänased strateegilised suundumused Euroopa metroloogias. Aga koostöö saab olla ainult vabatahtlik, kedagi ei saa sellele sundida. Oluline on ka rõhutada, et metroloogiainstituudid saavad koostöö raames vahetada teadmisi ja töötajaid, aga raha jagavad valitsused ja seevõrra on vajalikud kokkulepped valitsuste tasandil.
Vahepeal kandus jutt keemiale, mis pikkuse/meetri ja massi/kilogrammi kõrval tundub olevat hoopis spetsiifilisem valdkond. Ehk seletate näiteks kas või seda, mida tähendab etalonaine?
V.V.: Need on ained, mida kasutatakse mõõteseadmete kalibreerimiseks.
T.K.: Aga etalonainetega on seotud ka näiteks niisugune praktiline valdkond nagu teatud asjade sisalduse mõõtmine toiduainetes, sh geneetiliselt muundatud toiduainetes. Või puhas joogivesi, milles tavaliselt mõõdetakse selliste kahjulike metallide sisaldust nagu kaadmium või plii. Metroloogiaalase ettevalmistusega inimesed valmistavadki ja annavad välja puhta joogivee etaloni, öeldes: siin on nii palju vett, milles sisaldub nii palju ainet (sellise täpsusega). Põhimõtteliselt saab igaüks minna selle puhta joogivee etaloniga koju, võrrelda seda kraanist või kaevust võetud veega, ja kindlaks teha, mis kvaliteediga tema joogivesi on. Kui tal muidugi on vajalikud oskused, teadmised ja seadmed.
V.V.: Etalonaineks võib olla ka gaaside segu jpm. Kemikaale, mille koostis on täpselt üle kontrollitud ja omadused kalibreeritud, on tohutu palju.
Nii võib ju etalonide koguarv maailmas tõusta lõpuks kaugelt üle saja – lausa tuhandeteni?
V.V.: Teatud mõttes küll, aga pigem peetakse keemia metroloogiat üheks suuremaks alaks, igat üksikut etalonainet siin etaloniks ei nimetata. Kui, siis räägitakse valdkondadest, näiteks orgaanilisest ja anorgaanilisest keemiast. Nii nagu näiteks Eesti praegune massi riigietalon ei ole mitte üks 1-kilogrammine viht, vaid koosneb enam kui 120 vihist, hulgast kaaludest ja komparaatoritest, nõuetekohastest ruumidest ja abiseadmetest. See kõik kokku ongi üks riigietalon, mis kindlustab massiskaala hoidmise, esitamise ja kasutamise.
T.K.: Keemia metroloogia on üldse uus ja arenev valdkond, ehk ainult paarkümmend aastat vana. Alguses võib keemia alal tehtavate mõõtmiste hulk tõesti ära ehmatada. Ja võtab ahhetama, et kas tõesti peab iga mõõtmise jaoks oma etalonaine olema. Aga aja möödudes taandub see kõik mingisugusele vähemale hulgale mõõtmistele, nagu metroloogias üldiselt on olnud. Ka igasuguseid mõõtühikute süsteeme oli ju kunagi seinast seina, aga lõpuks asi ühtlustus.
V.V.: Erinevate riikide laborite kooskõla keemias on hetkel tõesti tunduvalt laialivalguvam kui füüsikaliste mõõtmiste alal. Aga nagu öeldud – nad alustasid hiljem ja samale tasemele jõudmine võtab aega. Siin on ees nii praktika kui teooria areng.
Miks siis kogu selle tohutu ressursimahukuse ja rahvusvahelise ühistöö kogemuse juures iga riik tänapäeval ikkagi oma etalone püüab rakendada?
T.K.: Riik on institutsioon, mis reguleerib kõiki elualasid, muidu ei täida ta oma funktsiooni. Põhiline ongi siin just kohaliku kompetentsi olemasolu, mis huvitab ka väikeriike. Teiseks on kogu metroloogiaalase teenuse sisseostmine väga kulukas. Me oleme välja arvutanud, et kui Eestil ei oleks oma pikkuse ja massi riigietaloni ning me loobuksime nende hoidmisest ja arendamisest, läheks see riigile maksma kümme korda rohkem kui praegused kulutused kahele riigietalonile.
V.V.: Suurem häda on selles, et mõne etaloni puudumine võib oluliselt pidurdada teatud valdkondade arengut. Aga rahaliselt on väikeriigi olukord keerulisem selles mõttes, et mingis valdkonnas konkureerides ei saa ta ju endale lubada väiksemat täpsust. See aga tähendab omakorda, et kulutused iga etaloni arendamisele kujunevad hoopis väiksema majanduse mahu tõttu suhteliselt suuremaks kui suurriikidel.
1799. aastal valmistati Prantsusmaal üks meetri etalon, sellest esialgu jätkus. 1870.–1880. aastatel valmistati 31 uut meetri etaloni, millest üks jäi rahvusvaheliseks prototüübiks, ülejäänud jagati loosiga rahvusvahelise meetrikonventsiooniga ühinenud riikide vahel. Milline on tänapäeval see protseduur, mille alusel üks riik endale mingi riigietaloni saab? Kellele ja mida tuleb tõestada?
V.V.: Eestis vastutab selle valdkonna eest sisuliselt Majandus- ja Kommunikatsiooniministeerium. Seal on majandusarengu osakond, mis kogub infot, ja kui asi küps, teeb valitsusele vastava ettepaneku.
Kogu protseduur toimub riigisiseselt?
T.K.: Majandus- ja kommunikatsiooniministri määrustega on sätestatud riigietaloni kinnitamise kord, mille taotlev labor peab läbima.
V.V.: Suurel määral tuleb ettevalmistustöö teha isegi laborisiseselt. Sest etalonilabori tase on kõrgem ja täpsus suurem (tavaliselt 3–10 korda) kui neil laboreil, mis klientidele massteenuseid osutavad, nende baasil riigi etalonilabor ennast kontrollida ei saa. Vastupidi – ta peab olema võimeline teiste laborite taset hindama ja võrdlusmõõtmisi korraldama, neid metoodiliselt toetama. Niisiis peab etalonilabor iseenese suutlikkuses mingil muul viisil veenduma.
Kui kõik kulgeb plaanipäraselt ja ressursse jätkub, võtab ühe etaloni väljaarendamine umbes kolm aastat. See on tavapärane rahvusvaheline praktika. Seejuures peab olema sihiks, et etalon ei oleks valmides kohe vananenud, vaid et tal ikka oleks mingi kasutusaeg. Etaloni ei saa teha hetke vajadust silmas pidades, vaid üksnes sellise arvestusega, et see kindlustab riigi vajadused ka homme-ülehomme.
Kas ühe riigi riigietalon mingit rahvusvahelist kinnitust ei vajagi?
V.V.: Siin puudub kindel kord. Üldine põhimõte on selline, et millegi etaloniks kinnitamiseks peavad olema loodud vajalikud tingimused: muretsetud seadmed ja metoodikad, see kõik hoolikalt ja korduvalt läbi katsetatud ja kontrollitud. Peab olema spetsialist, kes selle kõigega tegeleb. Need on põhieeldused, et etaloni võiks kinnitada. Ja muidugi peaks olema eksperimentaalselt näidatud, et etalon oma ülesannet täidab. Selliseks lõplikuks tõestuseks sobivadki tõepoolest rahvusvahelised võrdlusmõõtmised.
T.K.: Võrdlusmõõtmised on üks vahend demonstreerida, et riigi mõõtesüsteem toimib ja on vajalikul tasemel. Hetkel osaleb Eesti rahvusvahelises mõõtmises temperatuuri alal. Mõõtmised ise lõpetame septembriks, aga lõplikud tulemused selguvad alles tükk aega hiljem. Niisuguste võrdlusmõõtmiste perioodsus on küllalt pikk, kümmekond aastat, mistõttu võib juhtuda, et rahvusvaheline tõestus tuleb alles takkajärele. Sellisel juhul peab otsima kahepoolseid kontakte teiste etalonilaboritega, aga see on tülikas.
AS Metrosert on osalenud ka pikkuse ja massi rahvusvahelistes sekundaartaseme võrdlustes.
Mida kujutab endast üks riigietalonide rahvusvaheline võrdlusmõõtmine?
V.V.: Eesti osales näiteks massi võrdlusmõõtmiste alastes Eurometi projektides 2002. ja 2003. aastal. Viimase raames saadeti meile kohvris viis vihti – 10-kilogrammine, 500-grammine, 20-grammine, 2-grammine ja 100-milligrammine. Need saabusid Soomest, kus oli eelmine mõõtepunkt. Meil oli kaks kuud aega neid mõõta, ja siis toimetasime vihid edasi Lätti, kus asus järgmine mõõtepunkt. Lätist viidi vihid tagasi pilootlaborisse Rootsis (Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut, SP), mis enne väljasaatmist ja pärast võrdlusi vihid üle mõõtis. Selles võrdluses kasutati viit ühesugust gruppi vihtisid, mille vahel seose lõigi SP. SP omakorda soetas need vihid varakult enne võrdluste algust, jälgis ligi aasta nende stabiilsust ja sobivust võrdlusetalonideks, ning alles siis saatis need ringlema viide erinevasse riikide gruppi. Kokku enam kui kolmekümne Euroopa massietalonilabori tulemusi analüüsis NPL-i (National Physical Laboratory) kuuluv Briti massietalonilabor. Selliste võrdlusmõõtmiste töömaht on suur ja need võtavad aega, mistõttu neid korraldatakse küllaltki harva, vahest kord kümne aasta jooksul. Kes ühest “rongist” maha jääb, peab kaua ootama uut võimalust.
Muide – Euromet on “kõigest” regionaalne metroloogiaorganisatsioon ja tema võrdlused pole sugugi kõrgeima tasemega. Viimaseid sooritavad omavahel juhtivad primaarlaborid, milliseid leidub maailmas paarikümne ringis. Need laborid peaksid, vähemalt idee järgi, realiseerima ühiku primaartasemel – vastavalt definitsioonile ja teistest sõltumatult. Nad ei kalibreeri oma asju kellegi juures ja võrdlevad üksnes omavahel. Nende kooskõlaliste tulemuste järgi hinnatakse SI tugiväärtused (metoodikaid on mitmeid, selleks kasutatakse vahel kaalutud keskmist, vahel mediaani). Ja kõik ülejäänud võrdlused, sh regionaalsed, seotakse niiviisi hinnatud tugiväärtusega sel teel, et mõned primaarringi laborid osalevad ka regionaalvõrdlustes. Sel moel luuakse link ehk seos nende mõõtmiste vahel.
Põhimõtteliselt on olemas veel kolmas võimalus, milleks on kahepoolne võrdlus mingi laboriga, kes on kas primaar- või sekundaarringis osalenud. Aga viimasel ajal on üsna raske leida tugevat pilootlaborit, kes sellise töö oleks nõus ette võtma. Sest kui kõik laborid hakkaksid oma etalone kahepoolselt läbi võrdlema, on ju töö veel mõõtmatult mahukam kui ühe üldise rahvusvahelise võrdlusmõõtmise puhul.
T.K.: Ka meetrikonventsiooni raames sõlmitud vastastikuste kalibreerimis- ja mõõtmistulemuste tunnustamise leppe mõte on just selles, et vähendada kahepoolsete lepingute ja tööde hulka. On üks suur leping, milles kõik osalevad, ja mille kaudu ennast tõestavad, ning kahepoolset tööd on vähem.
Kahepoolne võrdlus on muidugi kiirem ja ega ta tasemelt pruugi halvem olla, aga kui võtta näiteks kõik Eesti kaubanduspartnerid ja teha nende kõikidega erinevates mõõtevaldkondades kõik võrdlusmõõtmised läbi, võtaks see meeletu aja. Pealegi – kui eesti ja Läti end võrdleksid ja leiaksid, et näiteks nende massiühikud on hästi kooskõlalised, siis laiemale maailmale ei tõesta see veel midagi.
V.V.: Kahepoolsed mõõtmised ei anna alati ka linki SI tugiväärtusega, mida peetakse väga oluliseks rahvusvahelise ekvivalentsuse näitamisel. Etaloni üldine ülesanne on ju selles, et luua riigis kohapeal kättesaadav baas, mida kõik tarbijad saaksid kasutada, mis oleks usaldusväärne. Sellepärast peab etalon olema tunduvalt täpsem, kui muud tarbijad otseselt vajaksid.
Kellel maailmas on hetkel tublimad metroloogid ja täpsemad etalonid?
V.V.: Maailma kümne parema hulgas on kindlasti USA, Saksamaa ja Inglismaa. Inglismaal oli metroloogia heal tasemel juba enne meetermõõdustiku kasutuselevõtmist, nende nael toimis, olles väga täpne ja stabiilne. Sellepärast ei äratagi eriti imestust, et inglased nii visalt meetermõõdustiku vastu seisid, täpsuse pärast polnud seda üleminekut vaja. Mõnda aega oli neil meetermõõdustiku kasutamine vabatahtlik ja kaks süsteemi toimisid paralleelselt, aga nüüd on nael muuseumis.
Muidugi ei tohi unustada selliseid riike nagu Jaapan, Austraalia, Uus-Meremaa, Kanada, Prantsusmaa, Itaalia, Šveits. Ka Soomes on hästi arenenud mõõteetalonide süsteem, eriti pikkuse osa, mis rakendab laserinterferomeetriat.
Etalonide arendamine pole muidugi mingi majanduse imevahend. Neid tuleb teha, arvestades tegelikke vajadusi ja arengu prioriteete, aga ühtlasi neid vajadusi ennetades. Ei saa oodata, et majandus areneks ja kasvaks ning toodaks aina uusi Nokiaid, et alles seejärel, kui rikkust piisavalt, hakata mõtlema ka etalonide peale. Pigem on ikka vastupidi – enne esimest Nokiat tuleb teha hulk investeeringuid etalonidesse, rakendusuuringutesse ja arendustegevusse.
T.K.: Huvitav näide on Singapur – kolme miljoni elanikuga väike riik, aga metroloogias tubli. Metroloogiainstituudi asutasid nad 29 aastat tagasi, siis oli riigis 1,5 miljonit elanikku ja majandust polnud ollagi. Täna on neil paljud etalonid olemas primaartasemel ja Eesti kauplused on Singapuri kaupu täis. Põhjus – muu hulgas – peitub kindlasti ka heas metroloogia tasemes, sest sellise kauba tootmiseks on vaja korralikku metroloogilist baasi.
Lugeja sai juba vihje, et Eestis on hetkel olemas kaks riigietaloni – meeter ja kilogramm. Ja et temperatuuri etalon on hetkel töös. Milline peaks olema Eesti siht? Kui palju etalone peaks Eestil olema?
V.V.: Etalonvaldkonnad on omavahel seotud. Ei ole võimalik rajada normaalselt toimivat süsteemi, ehitades üles ainult ühe etaloni. Kui me Eestis hakkasime massi ja pikkuse etaloni tegema, siis oli selge, et temperatuur lisandub tahes või tahtmata, sest labori tingimusi ja objektide temperatuuri on vaja nii täpselt mõõta, et selleks vajalikke kalibreerimisi ei tehta Eestis kusagil mujal. Sama lugu on elektriliste mõõtmistega. Nende etalonide olemasolu lihtsustab paljude teiste etalonide hoidmist, sest tänapäeval on juba kord nii, et enamik mõõtmisi on elektrilised ja nende osatähtsus järjest suureneb. Eesti vajab siin väga tugevat edasiarendamist, kuna seni kasutatud mõõtevahendid nõuavad liiga palju käsitsi tööd ja on raskesti automatiseeritavad. Uue põlvkonna etalonvahendite kasutuselevõtmisel oleks võimalik efektiivselt kalibreerida kõiki neid moodsaid multimeetreid (ostsillograafe jms), mis praegu järjest enam laiatarbekasutusse tulevad.
T.K.: Peale temperatuuri on arendamisel ka etalonibaas elektriliste suuruste mõõtmisteks. Tegemist ei ole küll Josephsoni efekti rakendusega, kuid piisavalt kõrge tasemega, et kindlustada kohaliku majanduse vajadused mõõtetäpsuse järele alalispinge, alalisvoolu ja alalisvoolu takistuse mõõtmistel. Nende valdkondadega haakuvad tihedalt ka vahelduvvoolu täppismõõtmised.
Riigietalonide väljatöötamist finantseerib riik?
V.V.: Etalonvahendite sisseseadmine on riigi funktsioon, sest see on kvaliteedi infrastruktuuri oluline element. AS Metroserdil on sõlmitud leping Majandus- ja Kommunikatsiooniministeeriumiga. Lisaks oleme saanud mõõtevahendeid kahe Phare metroloogiaprogrammi raames, ja juba varem tagastamatut abi Šveitsist.
T.K.: Eestis valitseb arusaamine, et mõõtesüsteemi ülesehitamine peab olema võimalikult odav ning soovitatavalt kiiresti tasuv. See aga pole lihtsalt võimalik. Kiiresti võib kasvada palm lõunameresaare viljakal pinnasel. Mõõtesüsteemi ülesehituse seisukohalt käibki Eestis praegu piltlikult öeldes viljaka pinnase ettevalmistamine selleks, et ühiskond saaks pidevalt areneda.
Mitu inimest hetkel Eesti riigietalone arendab?
V.V.: AS Metroserdi etalonide divisjonis on neli töökohta. Inimesi on küll füüsiliselt rohkem, aga mõned töötavad osalise koormusega ja täidavad ka teisi ülesandeid. Ent metroloogia on tehniliselt väga keerukas valdkond, kus on tarvis kursis olla maailmas toimuvaga. Tegelik vajadus oleks seetõttu iga etalonivaldkonna peale kaks inimest, kellest üks saaks siis rohkem keskenduda uue info läbitöötamisele, uurimis- ja arendustegevusele, teine rohkem rutiinsele tööle.
Räägime mõne sõna lähemalt ka Eesti kilogrammist. 1799. aastal Prantsusmaal valmistatud esimene kilogrammi etalon tehti plaatinast, sada aastat hilisem plaatina ja iriidiumi sulamist. Millest Eesti tänane etalon on valmistatud? Kilogrammi etalonidel on üsna tavalise kaaluvihi kuju, kas sel välisel vormil on mingi spetsiifiline otstarve või on see lihtsalt ajalooliselt nii kujunenud?
V.V.: Eesti kilogrammietalonid on valmistatud mittemagnetilisest roostevabast terasest. See on materjal, millele püsimagnetiga lähenedes midagi ei juhtu – mingit vihi ja magneti vahelise jõu muutust ei teki. Tegu ei ole muidugi odava materjaliga, aga sellise vihi valmistamine on isegi kallim kui materjal, sest viht justeeritakse õigele väärtusele lihvimise teel ja lõpptulemus peab olema peegelsile poleeritud pind. See ei ole sugugi lihtne. Samas on vihtide täpne kalibreerimine väikeste vihtide korral kallimgi kui nende valmistamine.
Vihi kuju on, jah, traditsiooniline. Etalonviht peab olema sujuva pinnaga ja ilma teravate rantideta, et me teda liigutades ei vigastaks, sest siis muutuks ju kohe ka mass. Näiteks kuup või teravate servadega silinder seetõttu ei sobi. Niisiis on vihtide kujul oma mõte olemas.
Olgu veel öeldud, et etalonvihte valmistatakse mitmel tasemel, rahvusvahelise klassifikatsiooni järgi eksisteerib hetkel seitse täpsusklassi. On E-taseme etalonvihid (E1, E2), mis on monoliitsed roostevabast terasest välja poleeritud tükid, mille nimiväärtus vastab väga täpselt teatud massile. F-klassi vihid võivad olla monoliitsed või siis justeerimisõõnsustega, neid saab täiendava massi lisamise teel kergesti välja justeerida. M-klassi vihid on reeglina justeerimisõõnsustega, nende materjalile ja pinnale esitatavad nõuded on palju madalamad. Ja need vihid on ka palju odavamad. Meie labor on ette nähtud E-klassi ja F-klassi vihtide kalibreerimiseks: meie enda tugietalonid on E1 klassist, osa tööetalone on E2 klassist ja mõned üksikud ka F1 klassist. E-klass ongi etalontaseme vihid, F-klass on üldiselt analüütilise labori tase, aga F2 võib kõne alla tulla ka olulisemate majanduslike mõõtmiste juures.
Asi ongi juba muutunud selles mõttes, et kui varem kasutati kaubanduses otseselt suurel hulgal vihtisid, siis nüüd vajatakse neid üha vähem. Tänapäeval läheb vihte tarvis põhiliselt digitaalsete kaalude kalibreerimiseks. Nõuded selles vallas aga üha kasvavad, sest analüütilised kaalud lähevad aina täpsemaks. Nii polegi enam harvad juhud, kus isegi E2 klassi vihist enam ei piisa, on vaja E1 klassi vihtisid. Eestis on see muidugi tulevik, meil piisab hetkel tavalise tarbija jaoks E2 klassi vihtidest.
Teisalt on muidugi selge, et kõige täpsemaid mõõtmisi saab teha ikkagi otsesel võrdlusel vihtidega, olgu tegu mehhaanilise või elektroonilise kaaluga. Massi etalonilaboris on kasutusel elektroonilised komparaatorid, mis võimaldavad saada täpsust, mida mehaanilise kaaluga tavaliselt ei saavuta, erandiks üksnes mõned üksikeksemplaridena valmistatud nn prototüüpkaalud.
Meie labor on ette nähtud kalibreerimiseks 1 milligrammist 50 kilogrammini, ent kindlustame täpse tugietaloni kuni 500-kilogrammiste vihtide kalibreerimiseks.
Rääkides Eesti pikkuse etalonist, tuli välja, et niisugust ühemeetrist pulka, nagu on 1-kilogrammine viht, Eestis ei olegi?
V.V.: Ka meetrised otsmõõdud on põhimõtteliselt olemas, aga etalontasemel ja võrdlusvahendina niisugust Eestis praegu tõesti pole. On otsmõõdud mõõtepiirkonnas 0,5–500 millimeetrit. Need on valmistatud karastatud tööriistaterasest. Otsmõõtude kaitsmiseks rooste eest peab hoidma niiskuse laboris kindlates piirides. Kui otsmõõdu pinnale tekivad roostetäpid, see enam pikkust vajaliku täpsusega ei defineeri ja on sisuliselt rikutud. Põhjus, miks otsmõõdud just tööriistaterasest valmistatakse, peitub selles, et kalibreeritavad mõõtevahendid on enamasti samasugusest materjalist. Aga on olemas ka näiteks keraamilised ja kõvasulamist otsmõõdud, mille soojuspaisumine on palju väiksem ning pind palju tugevam.
Otsmõõtudega saab võrrelda suvalist pikkust, aga väga pikkade otsmõõtude võrdlemisega kaasnevad oma tehnilised probleemid. Tänapäeval kasutatakse suuremate pikkuste puhul sageli juba interferomeetrilisi mõõtmisi. Sellisel juhul seisneb pikkuse kalibreerimine nende interferomeetriliste seadmete kalibreerimises – nende laserite lainepikkuse kalibreerimises ja mõõtetulemuste valideerimises. Interferomeetrilised mõõtmised on tunduvalt viljakamad, neid on kerge automatiseerida ja on võimalik saada paremat täpsust. Ent niisuguste mõõtmiste juures kerkib üles keskkonnatingimuste mõõtmine, kuna mõõtetulemus sõltub õhumurdumisnäitajast. Selle määramine ei pruugi omakorda alati väga lihtne olla, eriti kui keskkond ei ole homogeenne – mõõtetulemust mõjutavad nii tolm kui õhus leiduvad kemikaalid.
Temperatuuri etaloni Eestil veel pole, aga oleme teel sinnapoole. Kilogrammist vihti ja terasest otsmõõtu suudab tavainimene küllap ette kujutada, aga kuidas hoida temperatuuri etaloni?
T.K.: Temperatuuriskaalagi määratakse rahvusvahelises praktikas teatavate muutumatute loodusnähtustega, milleks on kinnispunktid, mida on kokku 17. Kinnispunkt on teatud tasakaalulises olekus fikseeritud temperatuur. Selle ilmekaim näide on vee kolmikpunkt, kus on realiseeritud kolme vee oleku tasakaal – korraga ühes tingimuses on olemas nii jää, veeaur kui ka vesi.
Niisugune tasakaaluline olek realiseerub ainult teatud temperatuuril. Selle saavutamiseks kasutatakse nn vee kolmikpunkti rakku, mis kujutab endast kvartsanumat teatava koguse veega. Selles on kanal termomeetri jaoks, vesi ja veeaur. Ja rohkem mitte midagi. Kasutamiseks tuleb see vee kolmikpunkti rakk jahutada 0 kraadi lähedasele temperatuurile ja kasvatada selle keskmise kanali ümber jäämantel. Siis tekibki kolme faasi – jää, vee ja veeauru – tasakaal.
Seejärel pistetakse see vee kolmikpunkti rakk termostaati ja saadakse temperatuur, mille juures taoline olek säilib teatud aja, olenevalt tingimustest 2–3 nädalat. Temperatuur, mille juures kõnealune olek tekib, on 10 millikelvinit üle 0 kraadi Celsiuse. Määramatus, millega seda on võimalik hoida, on heal juhul 0,1 millikelvinit.
Kinnispunktidest ongi meil Eestis olemas ainult vee kolmikpunkt. Selle abil me kontrollime oma etalontermomeetri stabiilsust, st teeme kindlaks, kas kalibreerimistulemused kehtivad jätkuvalt ja kas midagi pole muutunud, et siis oma tööetalone selle termomeetri suhtes võrrelda ja tarbija termomeetreid erinevates keskkondades kalibreerida.
Kalibreerimas käiakse meie etalontermomeetrit väljaspool. Niisugune termomeeter on väga õrn ja korduskalibreerimistele peab inimene seda käes viima, sest kui termomeeter saab näiteks mehhaaniliselt põrutada, siis tema takistus muutub ja kalibreerimistunnistus enam ei kehti.
Meie etalontermomeeter ise töötab hästi ja vastab teatud tingimustele, aga tema tulemused (temperatuurist sõltuv takistus, sest tegu on takistustermomeetriga) peavad olema registreeritavad. Seda tehakse automaatse mõõtesillaga. Eestis hetkel olemas olev alalisvoolu sild on parim automaatsild, mis praegu maailmas saada. Ent sellest hoolimata tuleb see sild meil endal hästi läbi uurida ja läbi katsetada, sest metroloog peab alati teadma, kuidas tema seadmed reaalselt toimivad. Pimesi usaldada ei saa me midagi. Meie sild peaks olema hea ja mõõtma 10 korda täpsemalt, kui hetkel vajame.
Taotledes riigietaloni, väidab meie labor, et me mõõdame teatud temperatuuri (alates –40 kuni 600 kraadini C) mingis vahemikus teatud täpsusega. Ja see on – etaloni kinnitamisel – riigi kõrgeim tase. Temperatuuri etaloni kinnitamiseni loodame jõuda veel 2004. aastal.
Lisaks oma etalonidele ja seadmetele hoiate te kiivalt ka oma laborikeskkonda?
V.V.: Oleme juba korduvalt rõhutanud, et hea etaloni üks olulisemaid tunnuseid on stabiilsus ning et etalonihoidjad peavad teadma, millised on nende kasutuses olevate seadmete, nt komparaatorite omadused. Kolmandaks on oluline laboritingimuste, eeskätt temperatuuri ja suhtelise niiskuse stabiilsus ja õhu puhtus. Täpselt tuleb mõõta ka õhurõhku.
Tingimused, mis on loodud massilabori praeguses asukohas, Füüsika Instituudi keldris endises tsiviilkaitsevarjendis, on hetkel Eestis parimad. Vaja oleks teha sanitaarremonti, aga stabiilsemat ega sobivamat ümbrust pole kusagil – näiteks muutub meie laboris temperatuur ööpäeva jooksul tavaliselt vähem kui 0,1 kraadi. Mis ei tähenda, nagu vajadust paremate keskkonnatingimustega labori järele polekski. On ikka – eriti annab see tunda pikkuse juures, sest pikkusemõõtmiste jaoks on lisaks temperatuuri stabiilsusele väga oluline, et võrreldavate objektide temperatuuri oleks võimalikult lähedal just 20 kraadile Celsiust. Massi puhul pole nii määrav, kas temperatuur on 20 või hoopis 21 või 19 kraadi, kui see püsib stabiilne, siis väike hälve 20 kraadist ei tähenda midagi.
Palju sõltub muidugi sellest, kui kiiresti temperatuurimuutused toimuvad. Tänapäevastes laborites tekitavad sageli probleeme konditsioneerid, mis kasutavad temperatuuri kontrollimiseks suure võimsuse lülitamist. Selle tagajärjel tekivad tihti suhteliselt kiired temperatuurimuutused, iga selline järsk aste mõjub komparaatorile aga nagu väike haamrilöök. Sellest tulenevalt soovitatakse isegi veel tänapäeval paigutada labor võimaluse korral hoopis sügavatesse keldriruumidesse, kus stabiilsus on saavutatav loomulikul teel, ilma konditsioneerideta. Näiteks Berliinis kasutatakse tänaseni enam kui saja-aastast laborihoonet, kus maja välisseina ääres paikneb koridor ja keskel asuvad kõrged, loomuliku ventilatsiooniga laboriruumid, mis senini kindlustavad paljude valdkondade jaoks piisavalt hea keskkonna. Etalonide pikaajaliseks pidamiseks on niisugune labor kindlasti odavam lahendus.
Lühirännak läbi metroloogia ehk mõõteteaduse olemuse tutvustas Horisondi lugejale mõõtmiste mitmeid tahke. Tundub, et metroloogia on sissesööbinud kõikidesse elualadesse, sealhulgas ikkagi ka teadusesse?
T.K: Kindlasti puutuvad Horisondi lugejad oma igapäevategemistes kokku mõõtmistega paljudel tasemetel. Suurt üldistust, et metroloogia – see on teaduse alus, teha just ei saa. Aga ma ütleksin teistpidi – teaduslikud saavutused ilma mõõtmisteta, metroloogiata, on rasked tulema. Parafraseerides vanasõna – üheksa korda mõõda, ükskord usu.
| 
