So entstanden die ersten digitalen Quarzuhren und ihre preiswerte Präzision

Zeitmessung mit Quarz

Quarz, auch Bergkristall genannt, ist chemisch nichts anderes als Siliziumdioxid (SiO₂). So unspektakulär der Bergkristall aussehen mag, für die heutige Gesellschaft und insbesondere für die Uhrenindustrie ist er von großer Bedeutung. In seiner reinen Form handelt es sich zunächst um ein farbloses, transparentes Mineral – praktischerweise das zweithäufigste in der Erdkruste. Wenn Quarz schmilzt, nimmt es eine glasähnliche Gestalt an. Soweit an und für sich nichts Besonderes.

Im Jahr 1880 entdeckte und erforschte der Franzose Pierre Curie (1859 -1906), den die Eigenschaften des Quarzkristalls faszinierten, die piezoelektrischen Eigenschaften des Quarzes. Kurz gesagt, beginnt ein piezoelektrischer Kristall in genau jener Frequenz zu vibrieren, die eine angelegte Wechsel­spannung besitzt. Regt man ihn andererseits mechanisch zum Schwingen an, generiert der Quarz selbst eine Wechselspan­nung.
Die Resonanzfrequenz hängt zum einen von der Größe des Kristalls selbst oder eines daraus geschnittenen Teils ab. Zum anderen hängt die Frequenz von der Ausrichtung des Schnitts durch den Kristall ab, besser gesagt von der Schnittebene zur kristallinen Ausformung der Kristallgitter. So viele verlässliche Schwingungen sind doch schon mal recht praktisch.

Die präziseste Uhr der Welt

All diese Erkenntnisse machten sich die Elektroingenieure Joseph W. Horton und Warren A. Marrison ab 1927 zunutze. Beide arbeiteten im New Yorker „Bell Lab“. In diesem Forschungszentrum der Western Electric sollten sie zunächst einen quarzstabili­sierten Frequenzgenerator entwickeln. Nach dem Ausscheiden von Horton mutierte dieses Instrument 1928/1929 zur damals präzisesten Uhr der Welt, der so genannten „Crystal clock“. Ihre Kreation beruhte auf der Tatsache, dass Zeit den Reziprokwert der Frequenz verkörpert.
Während die besten Pendeluhren zu dieser Zeit jährlich etwa drei Sekunden von der astronomischen Norm abwichen, brachte es die „Crystal clock“ rechnerisch auf nur 0,3 Sekunden. Die Präzision war die Leistung von Marrisons und wurde im Jahr 1932 mit dem Patent Nr. 1,788,533 geschützt.

Bei Interesse gibt es hier das genaue Funktionsprinzips einer Quarzuhr. 

 Die Ära der Quarzuhren beginnt

Doch auch in anderen Ländern arbeitete man derweil an Präzisionsuhren mit Quarz: England wartete 1931 mit einer eigenen Quarzuhr auf, Deutschland 1932, Frankreich 1936 und Japan 1937.  Eine sehr interessante und wechselhafte Geschichte. Diese „Elektrifizierung der Armbanduhr“ wurde zum Beispiel von L. Trueb in seinem Buch von 2011 sehr schön beschrieben.

Das Verständnis des Prinzips, wie einzelne hochpräzise Uhren brachten jedoch noch keinen Marktdurchbruch. Insbesondere der Weg von den großen stationären Quarzuhren ans Handgelenk dauerte noch bis ins Jahr 1969. Da war es Seiko, die mit ihrem Modell Astron einen weltweit durchschlagenden Erfolg erzielten und der Quarzuhr zum Durchbruch verhalf. Nebenbei brachten diese präzisen, preisgünstigen und unempfindlichen Uhren auch die sehr bequem gewordenene Schweizer Uhrenindustrie an den Rand des Abgrunds. 

Heutzutage ist trotz der Renaissance der mechanischen Uhren das Thema Quarz so aktuell wie eh und je. Gerade funktionale Uhren für den Sportbereich oder auch mit integrierten Tracking- und Datenfunktionen wie zum Beispiel von Garmin haben den Anwendungsbereich der Quarzuhren erweitert – von den modischen Modellen der hippen jugendlichen Szene ganz zu schweigen. 
Es ist nicht davon auszugehen, dass sich Pierre Curie oder auch Warren A. Marrison solch eine Anwendung ihrer Quarz-Uhren vorgestellt haben.