Aräometer

Ein Aräometer ist ein beschwerter Schwimmer mit einer Skala am Hals. In einer leichten Flüssigkeit sinkt er tiefer ein als in einer dichten, und die Tiefe, in der er zur Ruhe kommt, gibt die Dichte an. Die älteste Beschreibung steht in einem Brief des Synesios von Kyrene an Hypatia um 400, und der Alkoholmesser wendet das Verfahren auf die Stärke von Branntwein an.

Was es ist

Ein Aräometer, auch Senkspindel oder Dichtemesser genannt, misst die Dichte einer Flüssigkeit, also wie schwer ein bestimmtes Volumen davon ist, meist im Vergleich mit Wasser. Es ist ein geschlossener Schwimmer, fast immer aus Glas, unten beschwert, damit er aufrecht bleibt, mit einem langen dünnen Hals, der eine Skala trägt. In eine Probe getaucht, sinkt es ein, bis es frei schwimmt, und der Strich auf Höhe der Oberfläche gibt den Messwert.

Ein Säureprüfer misst die Säure einer Bleibatterie und zeigt so ihren Ladezustand.

Jedes Gewerbe hat seine eigene Skala. Der Alkoholmesser ist für Gemische aus Wasser und Ethanol in Volumenprozent Alkohol geteilt und dient dazu, die Stärke von Branntwein aus der Destillation zu prüfen und zu besteuern. Brauer verfolgen damit die Gärung beim Bier, und ein Säureprüfer misst die Säure einer Bleibatterie, um ihren Ladezustand zu zeigen. Manche älteren Geräte arbeiteten umgekehrt: Man legte kleine Gewichte auf, bis der Schwimmer bis zu einer festen Marke einsank, und das nötige Gewicht ergab die Dichte.

Wie es funktioniert

Derselbe Schwimmer steht im Salzwasser höher, weil es dichter ist als Süßwasser.

Ein schwimmender Körper sinkt so weit ein, bis er sein eigenes Gewicht an Flüssigkeit verdrängt hat. Ein Aräometer wiegt immer gleich viel und muss deshalb in jeder Flüssigkeit dasselbe Gewicht verdrängen. In einer dichten Flüssigkeit genügt dafür ein kleines Volumen, und es schwimmt hoch. In einer leichten muss es tiefer einsinken. Ethanol ist leichter als Wasser, deshalb sinkt ein Alkoholmesser umso tiefer, je stärker der Branntwein ist.

Jedes Teil hat seine Aufgabe. Der Ballast unten, Quecksilber oder festgelegtes Bleischrot, hält das Gewicht tief, damit das Gerät aufrecht schwimmt. Der luftgefüllte Hohlkörper liefert den größten Teil des Auftriebs. Der Hals ist schmal, sodass schon eine kleine Dichteänderung die Oberfläche ein gutes Stück an ihm entlang verschiebt und sich die Skala fein ablesen lässt. Die Papierskala sitzt im Hals eingeschlossen, wo die Flüssigkeit sie nicht erreicht. Abgelesen wird dort, wo die ebene Flüssigkeitsoberfläche auf den Hals trifft, unterhalb des kleinen Wulstes, an dem die Flüssigkeit am Glas hochsteigt.

Warme Flüssigkeit dehnt sich aus und wird leichter, deshalb zeigt ein Aräometer nur bei der Temperatur richtig an, für die es geeicht wurde. Für den Alkoholmesser von Gay-Lussac waren das 15 °C, Geräte nach der heutigen internationalen Empfehlung sind auf 20 °C geteilt. Tabellen berichtigen Messungen bei anderen Temperaturen, und darum gehört ein Thermometer zum Gerät.

Wasser und Alkohol mischen sich nicht einfach. Je fünfzig Milliliter ergeben nur etwa 97 mL, weil sich die beiden Flüssigkeiten dichter zusammenlagern als jede für sich. Die Stärke eines Gemisches lässt sich daher nicht durch einfache Verhältnisrechnung aus den Dichten von Wasser und Alkohol bestimmen, und die Skala eines Alkoholmessers beruht auf Tafeln von Dichten, die an Gemischen bekannter Stärke gemessen wurden. Alles, was sonst in der Flüssigkeit gelöst ist, verändert ihre Dichte ebenfalls. Zucker in einem Likör verfälscht die Anzeige, und solche Getränke werden vor der Messung destilliert.

So geht’s

Ein Aräometer aus einem Strohhalm ist weit ungenauer als ein Glasgerät, zeigt aber das Prinzip und lässt sich an bekannten Flüssigkeiten eichen. Man braucht einen durchsichtigen Plastikstrohhalm, Knetmasse, zwei hohe schmale Gläser oder durchsichtige Gefäße, Wasser, Kochsalz, einen Löffel, einen feinen wasserfesten Stift und zum Eichen, falls vorhanden, eine Bierspindel aus dem Hobbybrauerbedarf.

Einen Pfropfen Knetmasse in ein Ende des Strohhalms drücken, damit kein Wasser eindringt, und um dieses Ende eine kleine Kugel Knetmasse als Ballast formen. Ein Gefäß mit zimmerwarmem Leitungswasser füllen und den Halm mit dem Knetende voran hineinsenken. Er soll aufrecht schwimmen und ein Stück aus dem Wasser ragen. Kippt er, Knetmasse zugeben, sinkt er, etwas wegnehmen. Das Auge auf Höhe der Wasseroberfläche bringen und den Halm dort markieren, wo die Oberfläche ihn schneidet.

Zwei bis drei Löffel Salz im zweiten Gefäß in Wasser auflösen und den Halm darin schwimmen lassen. Er steht höher, die Wasserlinie liegt also weiter unten am Halm. Auch diese Linie markieren. Mit einer gekauften Spindel diese in jeder Flüssigkeit ablesen und den Wert neben die passende Marke am Halm schreiben. Lösungen mit mehr oder weniger Salz ergeben Zwischenmarken. Alle Flüssigkeiten beim Markieren auf derselben Temperatur halten, denn warmes Wasser ist leichter als kaltes.

Geschichte und Entwicklung

Die Regel, dass ein schwimmender Körper sein eigenes Gewicht an Flüssigkeit verdrängt, geht auf die Schrift des Archimedes über schwimmende Körper im 3. Jahrhundert v. Chr. zurück.

Das Gerät, wie Synesios es beschreibt: ein gekerbtes Bronzerohr mit einem Kegel als Abschluss.

Die älteste Beschreibung eines Aräometers steht in einem Brief, den Synesios von Kyrene um 400 an Hypatia schrieb, die Mathematikerin und Philosophin in Alexandria, bei der er gelernt hatte. Er bat sie, ihm ein „Hydroskop“ in Bronze gießen zu lassen: ein Rohr von Form und Größe einer Flöte mit einer geraden Reihe von Kerben, an einem Ende verschlossen durch einen gleich breiten Kegel, den er Baryllion nennt. In Wasser gesetzt, stand es aufrecht, und die Kerben gaben das Gewicht des Wassers an. Man hat die Erfindung Archimedes oder Hypatia selbst zugeschrieben, doch kein Text stützt das. Ein lateinisches Gedicht über Gewichte und Maße aus etwa derselben Zeit, das einst dem Grammatiker Priscian zugeschrieben wurde, beschreibt das Gerät ebenfalls.

Galilei beschrieb ein Aräometer in einem Brief von 1612, und die Accademia del Cimento in Florenz benutzte gläserne Schwimmer mit geteiltem Hals sowie Schwimmer mit kleinen Schalen für Gewichte. 1675 beschrieb Robert Boyle eine kleine Glasblase mit einem langen dünnen Hals, um Flüssigkeiten zu vergleichen, und kehrte den Gedanken dann um, um zu prüfen, ob Goldmünzen echt waren.

Die Branntweinsteuer machte das Gerät zum amtlichen Instrument. In London stellte John Clarke ab Mitte der 1720er-Jahre einen Spirituosenmesser her, eine hohle Kugel aus Kupfer oder Messing mit geteiltem Hals und einem Satz Gewichte, der 1787 zum gesetzlichen Maß wurde. Ein Parlamentsgesetz von 1816 ersetzte ihn durch das Aräometer des Steuerbeamten Bartholomew Sikes, das mit nur neun Gewichten auskam und mit Temperaturtabellen geliefert wurde. Das Sikes-Aräometer blieb in Großbritannien bis in die 1970er-Jahre in Gebrauch. Vom späten 18. Jahrhundert an wurden viele patentierte Aräometer für die Industrie gebaut, und Antoine Baumé und William Nicholson gehörten zu ihren bekanntesten Konstrukteuren.

1821 bat die französische Verwaltung den Chemiker Joseph Louis Gay-Lussac um ein praktisches und genaues Verfahren, die Stärke von Branntwein zu messen. Sein hundertteiliger Alkoholmesser, 1824 beschrieben und mit dem Instrumentenbauer Collardeau gefertigt, zeigt 0 in reinem Wasser und 100 in reinem Alkohol. Bei 15 °C ist der Wert der Alkoholgehalt in Volumenprozent, und Tabellen berichtigen Messungen bei anderen Temperaturen. Frankreich, Deutschland und die Vereinigten Staaten verwendeten gläserne Alkoholmesser dieser Art, mit den Tafeln von Gay-Lussac oder den deutschen Tafeln von Tralles. Geräte nach der internationalen Empfehlung OIML R 44 sind auf 20 °C geteilt, die amerikanischen Alkoholmesser für Spirituosen dagegen noch immer auf 60 °F, etwa 15,6 °C. Elektronische Messgeräte haben beide zum Teil abgelöst.