Quelle: www.scinexx.de bzw. www.nature.com 07.01.14 (Originalartikel nature), Update 09.12.17: Der Standard, Update 18.01.18: Vortrag Shlomo Havlin im CSH Vienna

Forscher warnen vor Anfälligkeit des Stromnetzes und anderen geografisch angepassten Netzen

Ohne Strom kein Rechnernetz – und oft auch umgekehrt: Wenn mehrere Netzwerke voneinander abhängig sind, steigt ihre Anfälligkeit. Besonders heikel wird es, wenn eines von ihnen nicht willkürlich angeordnet ist, sondern geografischen Gegebenheiten angepasst wurde – wie etwa ein Stromnetz. Dann kann bereits ein einzelner defekter Knoten einen Totalausfall verursachen, wie Forscher im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Forscher beschäftigen sich daher intensiv damit, wie Netzwerke aufgebaut sein müssen, um möglichst gut gegen Ausfälle gewappnet zu sein. Im Idealfall funktionieren sie auch dann noch, wenn ein Großteil ihrer Knotenpunkte lahmgelegt wurde.

Doch robuste Netzwerke zu entwickeln ist eine komplexe Angelegenheit. Schließlich lässt sich die Wirklichkeit weniger säuberlich berechnen als die mathematischen Grundmodelle. Und die Sache wird noch verzwickter: Viele Netzwerke sind mit anderen Netzwerken in wechselseitiger Abhängigkeit verbunden. Das Stromnetz liefert beispielsweise den Saft für das Computernetzwerk, das wiederum Elektrizitätswerke und Verteilerstationen kontrolliert.

Diese Konstellation hat eine überaus unangenehme Eigenschaft, wie der US-Physiker Sergey Buldyrev und seine Kollegen 2010 in einer Veröffentlichung in Nature darlegten: Beide Netze gemeinsam sind deutlich anfälliger, als jedes der Netze allein es wäre. Hier genügt es, eine sehr kleine Zahl von Knotenpunkten lahmzulegen, um einen Totalausfall zu provozieren. Fällt ein Knoten in einem der Netzwerke aus, reißt er Knotenpunkte im anderen Netzwerk mit ins Verderben. Das geht so lange hin und her, bis beide Netze lahmgelegt sind.

Doch es kommt noch schlimmer: Der israelische Physiker Shlomo Havlin zeigt nun gemeinsam mit Buldyrev und anderen Kollegen, dass Systeme aus zwei verknüpften Netzen noch fragiler werden, wenn Knotenpunkte und Verbindungen innerhalb eines Netzwerkes nicht willkürlich verteilt sind, sondern einer räumlichen Anordnung folgen.

Im Falle zweier Netzwerke mit willkürlicher Verteilung lässt sich berechnen, wie viele voneinander abhängige Knotenpunkte mindestens ausfallen müssen, um eine verhängnisvolle Kettenreaktion anzustoßen. Ist jedoch eines der Netzwerke räumlich eingebettet, so stellten die Forscher zu ihrer eigenen Überraschung fest, existiert ein solcher Mindestwert gar nicht. Schon der Ausfall eines einzigen interdependenten Knotenpunktes kann das System unaufhaltsam ins Verderben stürzen.

„Wir müssen uns dringend fragen: Wie können wir unsere Netzwerke widerstandsfähiger machen?“

09.12.17

Forscher unterscheiden dabei zwei Arten voneinander abhängiger Netzwerke: Jene mit im Vergleich zur Größe des Systems relativ kurzen Verbindungen („space embedded networks“), etwa das Stromnetz oder das Transportsystem, und solche mit sehr langen Links („non-embedded networks“) wie das Internet oder soziale Netzwerke. Es zeige sich, dass erstere deutlich anfälliger seien als etwa das Internet „und bereits kleine lokale Störungen reichen aus, um zu Ausfällen zu führen, die sich lawinenartig ausbreiten“, so Havlin.

„Ich versuche die Leute zu überzeugen, dass Netzwerke ein wichtiges Werkzeug sind, um verschiedenste Phänomene zu verstehen“, sagte der Forscher. Mehr und mehr Bereiche würden dies auch erkennen. „Die Mathematik von Netzwerken ist allgemeingültig, deswegen beginnen in nahezu allen Disziplinen Leute, an Netzwerken zu arbeiten – von Medizin, Biologie, Ökonomie bis zu sozialen Netzwerken wird zunehmend klar, wie wichtig dieses Werkzeug ist.“

Man sei erst am Anfang, Netzwerke zu verstehen. Und wie immer in der Wissenschaft gelte dabei: je mehr man wisse, desto größer werde das Nichtwissen. Havlin: „Was wir jetzt wissen, reicht aber schon aus, um es zu unserem Nutzen anwenden zu können.“ Eines der schwierigsten Probleme sei dabei, die verschiedenen Verbindungen zwischen den Objekten eines Netzwerks zu identifizieren. „Wenn man die richtigen Links und Zusammenhänge kennt, kann man verschiedenste Phänomene des Lebens studieren – da werden wir noch viele Durchbrüche erleben in Zukunft.“

18.01.18

Shlomo Havlin @ CSH Vienna | (1) "Our world is an extremely unsafe place"

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Shlomo Havlin @ CSH Vienna | (2) "Our world is an extremely unsafe place"

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Shlomo Havlin @ CSH Vienna | (3) "Our world is an extremely unsafe place"

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Kommentar

Damit werden einmal mehr die Hinweise untermauert: Vernetzung schafft Komplexität und systemische Risiken mit der Gefahr von strategischen Schocks. Havlin erklärt dieses Phänomen im zweiten Video ab Minute 6:55. Er adressiert dabei die wechselseitigen Abhängigkeiten der kritischen Infrastrukturen und insbesondere das Strom- und Telekommunikationssystem und die Gefahr eines abrupten Kollapses.

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