Marode Brücken, Anschläge auf Umspannwerke, Hackerangriffe auf digitale Verwaltungsnetze. Wenn in den Nachrichten über Infrastruktur gesprochen wird, dann gibt es an allen Ecken und Enden Probleme und Baustellen. In der heutigen Folge blicken wir aber auf drei Bereiche der Infrastruktur aus der wissenschaftlichen Sicht. Dabei beantworten wir die Fragen, warum der Beton der alten Römer nach 2000 Jahren immer noch hält, wie der Strommarkt die Energiewende bremsen und beschleunigen kann und wie groß die Bedrohung durch Hardware-Trojaner ist. Mein Name ist Wieland Mikulajczyk. Wie gut, dass ihr zuhört. Das Forschungsquartett – Wissenschaft bei detektor.fm, in Kooperation mit der Max-Planck-Gesellschaft.
Beton und seine Herausforderungen
Er ist das Fundament unserer modernen Welt: Beton. Doch dieser Alleskönner hat ein gewaltiges Klimaproblem. Die Zementherstellung ist derart CO2-intensiv, dass sie weltweit für bis zu 8 % des gesamten jährlichen Treibhausgasausstoßes verantwortlich ist. Die Lösung für dieses globale Problem könnte jedoch über 2000 Jahre alt sein. Im Kooperationsprojekt Rizima erforschen Wissenschaftler, wie der extrem langlebige Beton der römischen Antike als Vorbild für uns heute dienen kann.
Mit Prof. Dr. Dinebir, Leiter der Röntgenographie, und Dr. Sebastian Bette, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, habe ich über Beton und was die alten Römer da richtig gemacht haben, gesprochen. Dementsprechend war auch meine erste Frage: Was genau macht diesen römischen Beton so viel haltbarer als das, was wir heute auf unseren Baustellen anrühren?
Ja, ich denke, das ist gerade die entscheidende Frage. Wenn wir das eindeutig beantworten könnten, dann wäre unser Beton nachhaltiger beziehungsweise würde viel länger halten. Und das ist auch eines der Hauptforschungsschwerpunkte vieler Wissenschaftler weltweit. Und diese Frage zu beantworten, ist gar nicht so einfach, weil, wenn wir uns die römischen Bauwerke ansehen, die stehen seit 2000 Jahren und Beton verändert sich. Der Beton ist dem Wind und dem Wetter ausgesetzt, Regen und Sonne, und letzten Endes verwittert er über die Zeit.
Die Geheimnisse des römischen Betons
Und wie der Beton chemisch vor 2000 Jahren, als er angerührt wurde, aussah, das kann heute leider keiner beantworten. Es gibt mehrere Forschungsansätze, die versuchen, das zu beantworten. Und im Grunde genommen sucht man nach den Mineralien, die wir im Beton finden, und versucht, diese so genau wie möglich zu charakterisieren.
Also vielleicht noch einen Satz dazu zu den Römern: Die haben uns natürlich irgendwelche Rezepte hinterlassen. Aber das sind jetzt keine Rezepte, wie heute in der Chemie, wo man das genau nachmachen kann, sondern die sind halt blumige Beschreibungen, was wie verwendet wurde. Und die kannten natürlich nur Bezeichnungen für ihre Porzellanerde zum Beispiel. Also dass sie halt irgendwelche vulkanische Erde genommen haben, wobei die nicht wussten, dass das vulkanische Erde ist.
Dass sie haben irgendwelche Zusätze genommen, das wird dann auch beschrieben. Und wir wissen zum Beispiel oder wir wussten noch nicht einmal, ob man nur spezielle Erden genommen hat oder ob man Erden genommen hat von den Vulkanen, die halt gerade vorhanden sind. Also bei Rom sind andere als bei Neapel, in Griechenland sind wieder andere und in Spanien. Und das ist eigentlich das, was die Sache so schwierig macht.
Forschung und Erkenntnisse
Also es ist ein sehr vielschichtiges Forschungsthema. Man muss erst mal rauskriegen, was haben die eigentlich verwendet. Dann sehen wir natürlich nach 2000 Jahren, dass die Sachen sich verändert haben. Man muss also Rückschluss ziehen: Was wurde damals wirklich reingeschüttet? Es gibt schon Ansätze. Wir sind da, glaube ich, auch mittlerweile recht weit. Es sind viele Gruppen auf der Welt, die daran forschen. Aber es ist nicht so, dass wir sagen können: Exakt so haben das die Römer gemacht.
Und wahrscheinlich haben die Römer es auch nicht immer exakt gleich gemacht, sondern haben eben Erfahrungen, Jahrzehnte, Jahrhunderte Erfahrungen einfließen lassen. Und es wurde eben weitergegeben. Und das Ganze ist dann halt im Mittelalter verloren gegangen. Eine Erkenntnis, die sie gefunden haben, und sie haben es gerade auch schon angesprochen, dass Vulkanasche untergemischt wurde und weniger Kalk wie heute. Damit kann sich der Beton selbst teilen, habe ich gelesen.
Um den Vorgang zu verstehen, hat ihr Kollege Artem Tschevchenko ein ganz bestimmtes Mineral namens Stretlingit untersucht. Können Sie kurz erklären, wie dieses winzige Mineral den Beton dazu bringt, Risse wieder zu verschließen? Die Idee beruhte eigentlich auf einer Studie, die unsere Kollegen 2014 publiziert haben. Da haben die ein Stück römischen Beton genommen und hatten da einen Riss erzeugt. Und letztens konnten sie beobachten, wie dieser Riss dann mit der Zeit geheilt ist.
Die Rolle des Stretlingit
Und es gibt mehrere Forschungsansätze, die in verschiedene Richtungen gehen. Und eines der Minerale, die man da an und in diesem Riss gefunden hat, war der sogenannte Stretlingit. Stretlingit ist ein Mineral, ein Calcium-Aluminium-Silikat, was auch Wasser enthält. Und es ist eine Verbindung, wenn man sich vorstellt, wie die Atome aufgebaut sind, diesen Schichten aufgebaut.
Und wenn man sich dieses Mineral mal anguckt unter einem Mikroskop oder noch genauer unter einem Rasterelektronenmikroskop, dann sind das so tächenförmige Kristallite. Und die findet man sehr häufig in diesem Riss. Die kristallisieren da auch relativ gut. Und das Besondere an dem Stretlingit ist, er enthält Wasser. Und wir haben herausgefunden, dass er das Wasser aufnehmen kann. Dabei schwillt er, er kann es aber auch wieder abgeben. Dabei schrumpft er, ohne dass das Mineral sich zersetzt. Das heißt, es bleibt bestehen.
Und natürlich, wenn wir einen Riss haben, kommt da Feuchtigkeit rein. Die Feuchtigkeit steigt, der Stretlingit kann schwellen. Und das könnte eines der Gründe sein, warum dieser Riss dann heilt. Eine der wichtigen Fragen ist, wenn dieses Mineral eine so entscheidende Rolle spielt und wir gehen davon aus, dass es das tut, dann ist die Frage: Haben die Römer das gewusst? Haben die speziellen Materialien genommen, wo das schon drin war? Oder hat sich das eben erst beim Abbindeprozess oder später bei der Verwitterung vom Beton gebildet?
Herausforderungen der modernen Zementindustrie
Also das ist auch eine interessante Frage. Wir gehen mittlerweile davon aus, dass beides richtig ist. Wenn wir jetzt heutzutage so einen Beton anmischen wollen würden, da könnten wir jetzt nach Italien gehen, die ganze Vulkanasche plündern. Dann ist aber auch von Italien nicht mehr so viel übrig wahrscheinlich und haben dann immer noch nicht genug Vulkanasche für den ganzen Beton.
Im Kooperationsprojekt Rizima haben Sie und Ihre Partner vom Fraunhofer Institut für Baufysik einen Ersatz gefunden: Schmelzprodukte aus gewöhnlicher Müllverbrennungsasche. Wie macht man aus unserem verbrannten Hausmüll antiken Beton und welche Probleme kann es denn da geben? Genau, das ist auch eine dieser Herausforderungen für die Zementindustrie generell. Im modernen Zement sind unter anderem auch Aschen aus der Kohleverstromung enthalten. Da sind auch Schlacken aus der Stahlherstellung enthalten.
Und da wir ja dekarbonisieren, wird Kohleverstromung eingestellt. Das heißt, da fehlen Rohmaterialien. Und auch wenn wir auf Wasserstoffstahl gehen, dann würden dann auch die Aschen da entfallen. Und die Kollegen vom Fraunhofer Institut haben ein Verfahren entwickelt, wie man diese Aschen der städtischen Müllverbrennung auftrennen kann.
Trennung der Aschen
Weil im städtischen Müll haben wir eine Vielzahl von Komponenten. Natürlich enthält auch die Asche eine Vielzahl von Komponenten. Da wären Gläser, da wären aber auch Metalle. Und letztere möchte man nicht im Beton haben. Denn wenn man dann Wasser dazu gibt und der Beton abbindet, dann würden die Metalle im Beton sofort korrodieren. Es würde sich Gas bilden und diese Gasblasen würden natürlich den Beton zerstören.
Deshalb muss man diese Aschen trennen in Metalle, Gläser und die anorganischen Bestandteile. Und es hat sich herausgestellt, dass diese anorganischen Bestandteile von der Mineralogie dem, was die Römer eingesetzt haben, diesen Vulkanaschen gar nicht so unähnlich sind. Und daher drängt es sich natürlich auf, dass man eventuell diese Aschen als Rohstoff zur Zementherstellung und für die anschließende Produktion von Beton anwenden könnte.
Allerdings gibt es da natürlich ein paar Herausforderungen. Ja, also man, erstens mal, jede Müllverbrennungsanlage ist anders. Es gibt auch regionale Unterschiede. Also ist die Frage, was da genau drin ist. Es zeigt sich aber, dass einige Grundbestandteile wie Melinite und ähnliche Minerale überall vorhanden sind. Das heißt, wenn dieses Trennungsverfahren gut funktioniert, dann sehe ich da ein Riesenpotenzial, dass man einen Teil dieser Aschen wirklich verwenden kann.
CO2-Emissionen in der Zementindustrie
Und das würde von der Grundmineralogie ungefähr den vulkanischen Aschen entsprechen. Sie haben gerade schon Dekarbonisierung angesprochen. Wenn man sich heute so die Zementindustrie anguckt, dann ist die für fast 9 % der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich. Woran liegt denn das, dass bei Beton oder Zement so viel CO2 anfällt? Und woher kommt beim Beton das CO2 eigentlich her? Genau, wenn man Zement produziert, fängt man damit an, den Zementklinker herzustellen.
Klassischerweise macht man das, indem man Kalkstein nimmt, das ist Calciumcarbonat, und vermischt den mit Ton, das sind Silikate. Das Ganze kommt dann in große Röhrenöfen, die werden geheizt auf 1450 Grad, ungefähr mal mehr, mal weniger. Und natürlich verbraucht das sehr viel Energie. Das Heizen funktioniert dann meistens durch fossile Brennstoffe. Durch die Hitze zersetzt sich das Calciumcarbonat und es wird Kohlenstoffdioxid frei.
Das heißt, wir haben die Emissionen, die sowohl durch die Zersetzung des Calciumcarbonats entstehen als auch durch das Heizen der Röhrenöfen mit fossilen Brennstoffen. Und dann gewinnt man den Zementklinker, den man dann zur Betonherstellung verwendet. Beton wird gemacht aus Zementklinker, es kommen Zusätze dazu. Mittlerweile ist das ein richtiges Hightech-Produkt. Dann mischt man Aggregat dazu, das ist Sand oder Kies. Man kann nicht jeden Sand und Kies nehmen. Sand ist mittlerweile auch ein kritischer Rohstoff.
Vergleich mit antikem Beton
Und dann wird Wasser zugesetzt und das Ganze bindet ab. Natürlich bindet der Beton beim Abbinden auch Kohlenstoffdioxid wieder, weil Kohlenstoffdioxid wird auch anteilig gebunden, aber natürlich zu einem viel geringeren Anteil, als es frei wird bei der Betonherstellung. Wie sieht es denn im Vergleich mit dem antiken Beton aus? Wie viel CO2 wird denn da freigesetzt? Also es gibt ja offensichtlich ein Interesse an diesem antiken Beton, nicht nur wegen der Haltbarkeit.
Generell lässt es sich relativ schwer quantifizieren, wie viel CO2 bei der römischen Zementproduktion freigesetzt wurde. Zum einen, weil die natürlich viel geringer skaliert wurde und zum anderen, weil wir gewisse Dinge nicht wissen. Man kann es aber abschätzen, weil wir wissen, dass der römische Beton sehr wahrscheinlich viel weniger freien Kalk enthielt. Die Römer haben auch Kalk gebrannt, das wissen wir. Also auch Kalk zum Karbonat zersetzt.
Aber die haben viel weniger dieses Brandkalks ihrem Zement zugemischt, das wissen wir auch. Und ja, dementsprechend war der römische Zement wirklich CO2-arm. Man muss natürlich immer dabei auch sehen, der Faktor Zeit spielt eine Riesenrolle. Die Römer hatten Zeit, wir haben sie heute nicht. Also wir können jetzt nicht einen Zementmisch und sagen, das ist ein ganz toller Zement, der bindet jetzt die nächsten drei, vier Monate ab. Sondern bei uns muss das schnell gehen.
Ausblick auf die Zukunft
Das heißt, also die Römer hatten damals wirklich Zeit. Für die war der Zeitfaktor, denke ich mal, bei den Bauwerken nicht der entscheidende Faktor. Gucken wir mal kurz in die Zukunft. Ab wann kann ich denn jetzt mir hier ein Haus mit selbstheilendem Beton bauen und wie das Pantheon dann im Ruhm über 2000 Jahre hält? Wann wird der Beton, den Sie untersucht haben, vielleicht auch wieder auf Baustellen angerührt?
Das ist die große Frage und das hängt nicht nur an der Wissenschaft. Kommen wir vielleicht mal auf diese Rohstoffe aus der städtischen Müllverbrennung zurück. Denn diese Aschen, die enthalten natürlich auch etwas Schwermetall, was gebunden ist. Aber trotzdem kommen wir neben den wissenschaftlichen Fragen dann auch irgendwann in regulatorische Fragen. Denn Beton muss Standards erfüllen, die gut sind, Umweltstandards erfüllen. Er muss die Normen erfüllen und dementsprechend lässt es sich immer relativ schwer sagen, wie lange es dauert, die wissenschaftlichen Erkenntnisse in industrielle Prozesse zu übertragen, die dann auch noch die Normen erfüllen und die Regularien erfüllen.
Ich vermute, das kann noch etwas dauern. Und auch der Kostenfaktor ist natürlich immer zu berücksichtigen. Heute muss Beton billig sein, weil es in Riesenmengen verwendet wird. Und wenn man jetzt den perfekten Beton herstellen würde und der kostet einfach fünfmal so viel, dann hätte man da keine Chancen. Das würde dann nur sozusagen über politischen Zwang gehen, dass man keinen anderen Beton verwenden darf.
Also man muss immer einen Kompromiss finden zwischen Wirtschaftlichkeit und dem, was man am Ende haben möchte. Die Römer mögen zwar haltbareren Beton als wir gehabt haben, dafür haben wir Strom aus der Steckdose.
Der europäische Strommarkt
Max Wilhelms, Doktorand am Max-Planck Institut für Gesellschaftsforschung im Forschungsbereich politische Ökonomie, untersucht den europäischen Strommarkt und wie politische Entscheidungen die Energiewende beschleunigen können. Mich hat als erstes interessiert, was ihn an der Frage fasziniert, wer am Ende die Rechnung für die Energiewende zahlt. Der Grund, dass ich so daran interessiert bin, ist wahrscheinlich, dass generell und so eben auch in meinem früheren Leben als Strommarktanalyst Strompreise meistens als rein wirtschaftliches Phänomen behandelt werden.
Also als das Ergebnis von Angebot und Nachfrage. Tatsächlich aber ist Strombepreisung ein sehr politisch geprägtes Feld. Deswegen interessiert es mich sehr, Strombepreisung, die sehr wichtig ist dafür, wie die Kosten, aber auch die Erträge, die Nutzen der Energiewende verteilt sind, wie die politisch verhandelt werden, weil das uns so meine Motivation meiner Forschung einen sehr guten Einblick darin gibt, wie die Vorteile, die Nachteile, die Belastung der Energiewende gesellschaftlich ausgehandelt werden.
Gab es für Sie da so einen Moment, wo Sie gesagt haben: Halt, stopp! Das stimmt doch hier mit Angebot und Nachfrage gar nicht überein, sondern da ist irgendwie, ja, das ist jetzt aber politisch irgendwie, was hier reinkommt und da müsste ich mal genauer nachfragen. Also ich glaube, das ging bei mir schon ab dem Punkt los, wo ich mich etwas eingängiger mit Strompreisen und Verbraucherpreisen beschäftigt habe und gemerkt habe, dass eigentlich die Energiebeschaffungskosten, also die Produktion von Strom, nur einen relativ kleinen Anteil dessen ausmacht, was Endverbraucher am Ende zahlen.
Unterschiede in den Strompreisen
Und der viel größere Anteil wird durch Umlagen, Steuern, Netzentgelte bestimmt, was alles Kosten sind, die irgendwie regulatorisch oder politisch beeinflussbar sind. Aber ein Punkt, der natürlich schon prägend war in den letzten Jahren, war die Energiepreiskrise, die der Invasion Russlands in die Ukraine gefolgt ist, wo die Strompreise innerhalb von kürzester Zeit sich sehr stark nach oben entwickelt haben.
Wenn wir uns die europäischen Strompreise mal anschauen, da fällt auf, häufig zahlen private Haushalte ein Vielfaches der Industrie. In Deutschland gab es ein paar Jahre, da haben Haushalte zeitweise ungefähr doppelt so viel bezahlt, in Schweden phasenweise sogar ungefähr das Dreifache wie die Großindustrie. Warum sind die Energiekosten für private Haushalte und Industrie so unterschiedlich? Ja, das ist tatsächlich eine komplexe Frage, die sich gar nicht so einfach in einem Satz beantworten lässt.
Ich würde sagen, um das zu erklären, könnte man im ersten Schritt eben erstmal fragen, woraus setzen sich Strompreise überhaupt zusammen? Und wie schon angedeutet, sind die Energiebeschaffungskosten eben nur ein Teil. Die anderen sind Netzentgelte und Steuern und Umlagen. Kurz: Netzentgelte, nur dass alle mitkommen, das sind die Kosten, die für Stromnetze aufgerufen werden, damit die im Stand gehalten werden.
Netzentgelte und ihre Auswirkungen
Genau, damit sie im Stand gehalten, aber eben auch ausgebaut werden, um den Anforderungen zum Beispiel des Stromsystems, das sich in Richtung Erneuerbare entwickelt, gerecht zu werden. Und was man sieht, dass diese Preisdifferenz, die Sie angesprochen haben zwischen Industrie und Haushalten, die ist weniger durch die Energiebeschaffungskosten geprägt. Die sind zwar auch unterschiedlich, aber insgesamt machen die nur einen relativ kleinen Teil der Verbraucherkosten aus.
Die sind aber vor allem getrieben durch ein unterschiedliches Niveau, was die Netzentgelte angeht und was die Steuern und Umlagen angeht für Industrie im Vergleich zu Haushalten. Wenn man dann guckt im Vergleich zwischen verschiedenen Ländern, wie sich das gestaltet, dann sieht man, dass die Netzentgelte in den meisten europäischen Ländern unterschiedlich ausfallen für Industrie und Haushalte. Oft liegt das daran, dass die Industrie nicht an das Verteilnetz angeschlossen ist, sondern direkt an das übergeordnete Hochspannungsnetz.
Steuerliche Unterschiede
Und dadurch zahlen die insgesamt weniger Netzentgelte. Wenn man aber fragt, warum in manchen Ländern nun die Industrie, wie Sie angesprochen haben, zum Beispiel in Deutschland oder in Schweden wirklich so signifikant viel weniger für den Strom zahlt als Haushalte und warum die Differenz größer ist als zum Beispiel in Großbritannien, dann liegt das in der Regel vor allen Dingen an den Steuern und Umlagen und insbesondere an den Umlagen, die für die Förderung von erneuerbaren Energien verwendet wurden.
Verstehe ich das richtig, dass private Haushalte an sich die Energiewende für die Unternehmen mitfinanzieren? Das könnte man so sagen. Also vor allen Dingen in den Ländern wie in Deutschland, wo die Industrie ausgenommen wird oder ausgenommen wurde, mittlerweile befindet sich oder wird es sowieso über den Bundeshaushalt finanziert, wo die Industrie ausgenommen wurde von den Belastungen für die erneuerbaren Förderungen.
Dort hat sie natürlich davon profitiert, dass erneuerbare ausgebaut wurden, denn das dämpft insgesamt den Strompreis tendenziell, aber war nicht an der Umlage beteiligt, die auf die Industrieverbraucherpreise zugerechnet wird. Deutschland galt mal als weltweiter Vorreiter, was erneuerbare Energien angeht, also 1990 mit dem Strom-Einspeisegesetz und 2000 mit der EEG. Damals wurden privaten Erzeugern und Genossenschaften eine feste Einspeisevergütung garantiert.
Bedeutung der Einspeisevergütung
Warum war dieses sogenannte De-Risking so wichtig, um die Energiewende überhaupt erst anzukurbeln? Was wichtig ist an dieser Art der Förderung ist, dass eben nicht auf irgendeine Weise subventioniert wird, sondern wie der Name schon sagt, dass das Marktrisiko durch die politische Maßnahme abgefedert wird. Das ist bei Erneuerbaren vor allem deshalb sehr wichtig, weil diese Energietechnologien sehr kapitalintensiv sind im Vergleich zu fossilen.
Das heißt, es gibt ziemlich hohe fixe Investitionskosten am Anfang und relativ niedrige variable Kosten, laufende Kosten im Vergleich zu fossilen, wo die Anfangsinvestitionen relativ geringer sind, aber dafür eben für jede Megawattstunde produzierten Strom zusätzlicher Brennstoff benötigt wird. Das heißt, es wird am Anfang relativ viel Kapital benötigt und das kommt in der Regel von Banken. Das heißt, es ist nicht umsonst, sondern ist mit einem Zins versehen.
Einfluss der Kapitalkosten
Und dieser Zins, also die Kapitalkosten, machen bei Erneuerbaren eben einen deutlich höheren Anteil der gesamten Stromgestehungskosten aus. Das heißt, der Investitionscase, also die Rentabilität einer Erneuerbaren-Investition, die ist sehr sensibel für den Preis von Kapitalkosten. Und genau da setzen dann solche Politiken wie die Einspeisevergütung an, indem sie das Preisrisiko minimieren.
Denn das ist zentral dafür, wie hoch Banken die Kapitalkosten, also den Zins, ansetzen. Und wenn nun Erneuerbare zum Beispiel über die Einspeisevergütung genauer vorhersagen können, wie hoch die Vergütung pro produzierte Megawattstunde ist, so reduziert das die Kapitalkosten und macht dadurch Erneuerbare rentabler, als sie wären, wenn sie über den Großhandel den Strom vertreiben würden. Und das hat den Investitionen in Erneuerbare in Deutschland, aber auch in vielen anderen europäischen Ländern sehr geholfen.
Rolle der großen Energieunternehmen
Der Staat ist dann eingesprungen, um das Risiko für kleinere, nicht ganz so kapitalstarke Akteure abzufedern. Warum wurden damals nicht die Energieriesen wie RWE oder E.ON eingespannt? Oder warum haben die nicht von sich selbst aus so eine Vorreiterrolle übernommen? Tatsächlich ist es so, dass ganz zu Anfang die großen Energieunternehmen gar nicht berechtigt waren, diese Förderung zu erhalten. Mit dem EEG waren sie es aber schon.
Dass sie sich dort nicht beteiligt haben, lag in der Regel einfach daran, es wurde noch nicht frühzeitig erkannt, wie groß die Rolle der Erneuerbaren im Stromsystem tatsächlich werden würde. Gleichzeitig hat es auch nicht dem strategischen Modell der großen Energieunternehmen entsprochen, die traditionell sehr zentralisierte, große Stromproduktionsanlagen betrieben haben und sich wirklich mit diesen kleineren, dezentralen Anlagen das nicht in Einstimmung mit ihrem eigenen Geschäftsmodell gesehen haben.
Soziale Aspekte der Energiewende
Die Vereinten Nationen haben vor einer zu starken Belastung der ärmeren Bevölkerung gewarnt. Anderen Fans könnte die Energiewende ins Stocken geraten oder sogar rückwärts laufen. Gleichzeitig sehen wir, dass Wohlhabende die Energiewende oft viel positiver bewerten, weil sie sich Solaranlagen aufs Dach bauen können, weil sie E-Autos vors Haus stellen und auch selbst kostengünstig mit Solarstrom laden können, während Ärmere die steigenden Strompreise immer mehr spüren.
Wie können wir denn verhindern, dass die Energiewende die Gesellschaft spaltet? Mit Sicherheit ist es sehr wichtig, dass die Kosten als auch die Nutzen der Energiewende möglichst fair verteilt werden. Ein Modell, was sich erwiesen hat als politisch sehr tragfähig ist, wenn die Kommunen direkt beteiligt werden, zum Beispiel durch die Pachteinnahmen von kommunalen Flächen oder auch über die Gewerbe- und Grundsteuer, die durch Wind- oder Solaranlagen gezahlt werden.
Das ist ein Modell, was in Deutschland momentan eher auf freiwilliger Basis passiert, aber in anderen Ländern schon auch gesetzlich vorgeschrieben ist und damit Einnahmen für lokale Projekte generieren kann, die dann auch die gesellschaftliche Akzeptanz erhöhen. Aber was wir ja vorher auch schon besprochen hatten, ist mehr die Kostenseite der Energiewende. Und da würde ich sagen, gibt es auch etliche Wege, wie man es anders oder möglicherweise fairer gestalten könnte.
Ansätze zur Verbesserung
Und da kann man an unterschiedlichen Punkten ansetzen. Also einer wäre, dass man wirklich unmittelbar an den Verbraucherpreisen ansetzt und einzelne der Kostenkomponenten, die wir vorher schon besprochen hatten, reduziert. Da hat zum Beispiel jetzt gerade in England der neue Premierminister Burnham die Mehrwertsteuer auf Strom für Haushalte abgeschafft. Und in Deutschland wurde das EEG oder die Umlage für die Erneuerbarenförderung ja bereits in den Haushalt überführt.
Und das ginge theoretisch auch mit anderen Kostenkomponenten. Dann kann man aber auch noch ein bisschen grundsätzlicher nach der Struktur des Strommarktes fragen. Und auch da gibt es unterschiedliche Vorschläge, wie man den Strommarkt vielleicht so reformieren könnte, dass die Kosten insgesamt gesenkt werden. Oder noch ein Stück grundsätzlicher wäre vielleicht nach einer tiefgreifenden Beteiligung des Staates in der Energiewirtschaft zu fragen, so wie es vor der Liberalisierung und Privatisierung seit den 90er Jahren der Fall war, wo auch davon auszugehen wäre, dass, wenn es richtig gemacht wird, hier die Gesamtkosten für die Verbraucher gesenkt werden könnten.
Hardware-Trojaner und ihre Gefahren
Ohne Strom läuft nichts. Vor allem keine Computer. Stromausfall ist aber nicht die einzige Gefahr für Computer und unsere IT. Neben in Anführungsstrichen normalen Computerviren und Trojanern gibt es auch noch Hardware-Trojaner. Prof. Dr. Christoph Paar beschäftigt sich als einer von zwei Gründungsdirektoren des Max-Planck-Instituts für Sicherheit und Privatsphäre unter anderem mit diesen Hardware-Trojanern.
Bevor er erklärt, wie diese funktionieren, wollte ich von Christoph Paar wissen, wie er von einem ausgebildeten Fernmeldemechaniker zu einem der weltweit führenden Kryptografen geworden ist.
Ja, ich glaube, ursächlich, ich war sehr schlecht in Fremdsprachen, war dann heilfroh, nach der 10. Klasse die Schule verlassen zu dürfen und habe immer sehr gerne gebastelt. Ich habe meine Handwerkslehre in einem 15-Mann-Betrieb sehr genossen in Köln. Das war alles nicht geplant. Ich wäre sonst auch Geselle und Meister geworden, aber dann dachte ich, ich probiere es mal Fachabitur. Danach probierst du mal was, heute TH Köln ist FA Köln. Dann war ich super überrascht. Da hattest du kein Englisch und Französisch. Da hatte ich Auf einmal hatte ich sehr gute Noten. Dann war immer ganz klar, Ingenieur zu machen, Ingenieurwissenschaften. Ich habe immer diese Verbindung mit Anwendung gesucht. Das zieht sich bis heute in meine Forschung durch.
Die Handwerkslehre zweiter Bildungswege kann ich immer noch nicht ganz ablegen. Ich hatte über Codierungstheorie promoviert in einem sehr theoretischen Institut, dem Institut der Universität Essen. Meine große Passion habe ich erst nach der Promotion gefunden. Da habe ich die angewandte Kryptographie entdeckt und bin auch nach Amerika gegangen. Das war Ende ’94 Anfang ’95. Seit über 30 Jahren mache ich das und bin immer noch sehr passioniert und verliebt in das Thema Kryptographie und Cybersicherheit.
Wenn man von Trojanern spricht, dann sind fast immer Softwareprogramme gemeint, die Computer und Smartphones ausspähen können. Sie beschäftigen sich unter anderem mit diesen Hardware-Trojanern. Wie muss ich mir das vorstellen, dass so ein Trojaner auf einem Chip existiert? Das ist eine gute Frage. Das Thema ist wissenschaftshistorisch interessant, da es die Möglichkeit konzeptuell schon immer gegeben hat. Früher war es vielleicht sogar einfacher, wurde aber nie thematisiert. Ich habe meine Hardware-Sicherheit. Ich bin einer der Leute, die die Disziplin ein bisschen geformt hat, ein bisschen ins Leben gerufen hat. Ich hatte von dem Thema aber nie gehört, bis so um 2007, 2008, 2009. Da wurde es interessant.
Die Frage, die Sie gerade gestellt haben, wurde thematisiert im Department of Defense in den USA, also im Verteidigungsministerium. Da war das für die ganze Wissenschafts-Community erst mal kein Schock, aber eine Überraschung. Was ist das überhaupt? Was ist das Setting? Was da passiert, ist, dass historisch die Militärchips eigene Chips waren. Die hatten so eine sichere Fertigung, so eine Trusted Fab, nennen die das. Aber diese Halbleiterfabriken für die Chips sind verrückt teuer geworden. Das kann man sich eben jetzt nur für die Fans nicht leisten. Das heißt, die sind auf Custom off the shelf Chips übergegangen. Das heißt, die nehmen die normalen Intel-Chips, die normalen ARM-Chips, Nvidia sicher jetzt auch.
So, und jetzt komme ich so langsam zur Antwort auf die Frage. Die werden bis auf ganz wenige Ausnahmen, Intel-Chips, in Fernost gefertigt. Insbesondere Taiwan ist dafür bekannt, aber auch China und Südkorea. Die Angst, die das DoD hatte und hat, ist, dass man da Chips zur Fertigung hinschickt, also Rheinmetall, ich sage jetzt mal Panzer-Chips zum Beispiel oder auch 5G-Chips von Nokia. Und dann kriegt man die Chips zurück. Die funktionieren auch, aber die haben auch zusätzliche Funktionen drin. Also das Standardbeispiel ist so ein Kill Switch, dass dann die Chips über irgendwelche Backdoors, so Hardware-Trojaner ausgestattet sind, sodass dann ein anderes Land, China oder Luxemburg oder die Schweiz oder Russland, auf einmal die öffentliche Infrastruktur lahmlegen kann, indem sie alle 5G-Basisstationen in Deutschland ausschalten.
Aber dieses Basic Setting, um es vielleicht noch mal zusammenzufassen, was die Amerikaner erst mal so ins Bewusstsein der Wissenschaftler gebracht haben, ist, dass die Chips eben in nicht vertrauenswürdigen Umgebungen gefertigt werden.
Sehen wir denn heute schon, dass sowas gemacht wird, oder haben die Amerikaner so ein bisschen Verfolgungswahn und sagen, das könnten die aber machen, oder sind da Fälle bekannt? Also, es ist ein bisschen von beidem. Also die Smoking Gun, wie man so schön sagt, auf Neudeutsch, die fehlt. Also wir haben noch keinen ganz sauber dokumentierten Fall, dass es ein Produkt gibt, ein Gerät gibt, wo wirklich die Hardware bösartig manipuliert wurde. Nichtsdestotrotz gibt es aber Indikationen.
Es gibt eine Schweizer Firma, Crypto AG, die ist interessant, weil die immer Verschlüsselungsgeräte international verkauft hat. Und die ist schon, ich meine, Ende der 80er Jahre gab es einen Spiegelartikel darüber, dass die Geräte manipuliert wurden und auch, dass die im Bett sind mit der NSA, also National Security Agency, dem BND, und ich meine auch mit dem MI5 von den Briten. Hat dann keinen so ganz richtig interessiert, aber der Fall ist später nochmal aufgepoppt, vor zwei, drei Jahren, der Washington Post, auch wieder Crypto AG, und ist wohl auch verifiziert.
Das waren jetzt in dem Sinne keine kommerziellen Chips, die wurden also nur dann für Regierungsanwendungen gemacht, und das waren keine Trojaner, sondern die unterscheiden sich durch Backdoors. Also wahrscheinlich, wenn das stimmt, was man liest, wurden die vom Hersteller selber manipuliert. Die Verschlüsselung wurde künstlich geschwächt. Es gibt andere Indikationen. In den Snowden-Files wird darüber mal so ein bisschen angeschnitten. Es gibt auch Fälle, was ein bisschen andere Falsitäten hat für Trojaner. Es gibt den Bloomberg-Fall, wo man einen Server-Computer gesehen hat, eine so große Platine, so eine 19-Zoll-Einschübe, wo angeblich zusätzliche Chips draufgelötet wurden.
Das ist ein bisschen was anderes, als so einen Chip aufzumachen und dann innenbürstlich was zu ändern. Und generell weiß man so in der Szene, dass Nachrichtendienste sehr daran interessiert sind, Verschlüsselungen künstlich zu schwächen. Also zumindest in diesem Spezialfall, Verschlüsselungsalgorithmen, die in Hardware realisiert sind, wird wahrscheinlich fast jeder Kryptograf, Wissenschaftler, so wie ich, sagen, ja, Geheimdienste haben ein großes Interesse daran. Und wir können uns gut vorstellen, dass das schon in der Vergangenheit passiert ist.
Wie groß schätzen Sie dieses Problem ein? Ist das wirklich etwas, worüber wir mehr sprechen sollten, oder ist das eher für die Bubble ganz interessant? Ich glaube, es ist nicht nur für die Bubble interessant. Es kommt sicher sehr auf die Anwendung an. Huawei, um jetzt mal einen Namen zu nennen, die haben damit auch zu kämpfen, dass einige Länder, also meines Wissens nach USA und UK, Huawei-Hardware nicht für 5G Kommunikation zulassen, weil sie sich Sorgen machen. Ich glaube, es ist schon ein ernstzunehmendes Problem.
Die Frage ist eher, ein bisschen, wie geht man damit um? Weil es gibt halt zum Teil nur den einen Anwender. Oder es sind ja nicht nur kommerzielle Anwender, die man kauft, sondern eben auch Chips, die jetzt vielleicht Volkswagen, VW oder auch Rheinmetall entwirft, wohlgemerkt in einer vertrauenswürdigen Umgebung, im Werk in Wolfsburg, sage ich mal, oder wo auch immer Rheinmetall sitzt. Aber die werden dann eben zur Fertigung rausgegeben in eine nicht vertrauenswürdige Umgebung. Und Teil unserer Forschung ist natürlich, irgendwie Wege zu finden, wie man damit umgeht.
Es ist aber, muss ich sagen, ich mache das ja schon seit einigen Jahren, es ist ein sehr schweres Problem. Und so ein Silver Bullet dafür haben wir im Moment noch nicht, wie man das wirklich sicher hinkriegt.
Wie könnte man sich denn vor solchen Hardware-Trojanern schützen? Es gibt so verschiedene Ansätze. Also einmal, indem man zum Beispiel extra Teststrukturen in den Chip einbringt. Dazu muss man sagen, also diese Mikrochips heute, das sind diese kleinen schwarzen Rechtecke mit den silbernen Beinchen dran, die jetzt auch jedes Smartphone, jedes iPhone powern. Die sind wie im Kühlschrank, die sind im Bildschirm drin, in jeder Smartcard. Wenn man nach EC schaut, sind ja auch diese goldenen Kontakte, da sind ja alles kleine Chips drin. Die sind zum Teil riesig groß.
Also da wurde vor einigen Jahren die eine Milliarde Transistoren-Grenze geknackt. Was ich eigentlich sagen will, das heißt, als Teil des Fertigungsprozesses müssen die so getestet werden. Wenn da einer von den Transistoren ausfällt, kannst du das Ding in die Tonne hauen, sage ich jetzt mal sehr flapsig. Und deswegen haben die sowieso Testausgänge dran und auch Testfunktionen drin, die dann oft nach der Fertigung abgeschaltet werden. Man könnte zum Beispiel extra Testfunktionalität einbringen, indem man das testen kann.
Ein relativ neuer Forschungszweig, international, in dem wir auch mitwirken, also meine Gruppe, aber auch die Gruppe hier vom Kollegen Peter Schwabe, das ist auch ein Direktor hier in unserem Bochumer Max-Planck-Institut für Sicherheit und Privatsphäre. Das ist dieses Open Hardware Movement. Man kennt ja Open Source Software. Und das ist ja eine Sache, warum das attraktiv ist oder scheinbar attraktiv ist, dass die vielleicht vertrauenswürdiger ist als Open Source Software.
Und das Gleiche gibt es jetzt auch im Hardware-Fall, dass man sagt, okay, jetzt ist zumindest das Design vollkommen bekannt. Und da könnte man sich durchaus darüber legen. Wenn man also, es wird natürlich nach wie vor auch in Open Source, da ist das Design bekannt, aber das wird in Fernost gefertigt. Da ist die Frage, baut man da, könnte man da nicht trotzdem Trojaner einbauen? Aber da ist Open Source schon ein ganz interessanter Ansatz, wenn man das auch vom Design her vielleicht besonders gut testbar bauen kann.
Aber wie gesagt, das ist alles kein Silver Bullet. Also wenn man sich das Angreifer-Modell anschaut, ist halt brutal stark, so nennen wir das. Das kann ein Angreifer machen. Das ist ja eine ganz andere Sache, als wenn jetzt einer extern hier in mein Max-Planck-IT-Netz reinhacken will mit Firefox und Zip und Zap. Alles abgesichert. Das ist ja das ursprüngliche Design von einem Hardware-Chip. Darauf hat ja in diesem Hostile Fab, nennt man das, also gegnerische Chipfabrik, wenn die vollen Zugriff haben und auch die ganze Funktionalität verstehen.
Das ist auch noch natürlich nicht ganz klar, ob die wirklich so einen komplexen Chip verstehen. Das ist natürlich unheimlich mächtig. Sich da wirklich lang vor sich zu schützen, ist schwer.
In den letzten Monaten wurde viel über digitale Souveränität gesprochen. Also die Idee, dass wir unsere Infrastruktur unabhängig von amerikanischen Firmen wie Microsoft, Meta mit Facebook und Instagram oder Amazon oder auch chinesischen und taiwanesischen Herstellern von Chips machen. Glauben Sie an eine solche Unabhängigkeit für Deutschland und Europa? Und was bräuchte es, damit die gelingen kann?
Ich glaube, im Sinne, dass es gut wäre, da unabhängiger zu werden, auch einfach diverser vom Ökosystem. Wie man es erreicht, ist eine andere Sache. Es gibt den European Chip Act. Die Overlove Fonder Line hat den groß bekannt gegeben, vor, ich sage mal, drei Jahren war das etwa. Da sollten viele 10 Milliarden Euro reingesteckt werden, um einen Teil von dieser Halbleiterfertigung, die jetzt meines Wissens nach über 90 Prozent in Ostasien stattfindet, zurück nach Europa zu holen.
Das ist eine Initiative, die ich prinzipiell gut finde und unterstütze auch. Aber am Ende sind das natürlich auch ganz harte Marktbedingungen, Marktzwänge, die man da bedienen muss. Es reicht dann eben nicht, eine Fabrik hier hinzustellen. Nach Dresden ist ja der deutsche Hotspot, der auch guten Kram macht. Aber wenn man da eine Fabrik hinstellt, muss man auch sicherstellen, dass die wirklich ausgelastet wird mit Aufträgen.
Erstmal ist das technologisch nicht so trivial. Man muss sagen, es gibt in Europa, gerade in den Niederlanden, aber auch in Deutschland, gibt es vielleicht ironischerweise viele Firmen, die wichtige Technologie haben, um diese Chip-Fertigungsmaschinen herzustellen. Die gibt es prinzipiell hier. Aber dann dieses ganze Geschäftsmodell, die ganzen Prozesse aufzubauen, dass man da internationale Kunden in großen Stückzahlen mit großen Geldmengen, was da über den Tisch geht, bedienen kann, das ist nochmal eine andere Sache.
Deswegen unterstütze ich prinzipiell die Idee. Es ist auch lobenswert, dass damit öffentliche Gelder eingesetzt werden. Aber wie man dann genau so ein lukratives Business in Europa aufbaut, das mit TMSC in Taiwan konkurrieren kann, da bin ich auch überfragt. Bin jetzt auch kein Halbleiter-Manager oder irgendwas.
Sie merken, technische Souveränität ist wichtig. Ich glaube, man sollte da viel unternehmen. Das ist gerade im Hardware-Fall, das ist vielleicht auch mit das Schwierigste, muss ich sagen. Es ist wahrscheinlich einfacher, als ich sage jetzt mal so sehr vereinfacht, eine deutsche Microsoft aufzuziehen. Das lässt sich wahrscheinlich, wenn ich jetzt mal so aus der Menge sage, einfacher sagen, als eine wirklich leistungsfähige europäische Chipfertigung, die auch immer, da gibt es ja das Mooresche Gesetz, heißt das bei uns.
Das heißt, dass sich ungefähr alle 24 Monate die Strukturgrößen, also die Chips, immer kleiner werden bei gleichbleibenden Kosten. Das heißt, das ist auch so ein Running Target. Das heißt, so eine Chipfabrik hat dann eine Halbwertszeit von ein paar Jahren. Da müsste man wieder 10, 20, 30 Milliarden investieren. Ja, so ist das. Gerade im Hardware-Fall, da wirklich eine volle technische Souveränität zu erreichen, ist schwer.
Vielleicht hilft so eine Teil-Souveränität. Da gibt es auch in der Wissenschaft immer wieder Ansätze. Man sagt, okay, ich mache diese Hochleistungs-, Hochgeschwindigkeits-Teile lasse ich in Asien fertigen, mache dann aber die sicherheitskritischen Teile in der etwas älteren Technologie hier in Europa. Da gibt es alle möglichen Ansätze.
Das war es mit dem Forschungsquartett für diese Woche. Vielen Dank an Prof. Dr. Dinebir und Dr. Sebastian Wette vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, an Max Willems vom Max-Planck-Institut für Gesellschaftsforschung und Prof. Dr. Christoph Pahr vom Max-Planck-Institut für Sicherheit und Privatsphäre für die Interviews. Vielen Dank auch für die Produktion dieser Folge. Die kam diese Woche von Stanley Baldauf.
Und natürlich vielen Dank an euch fürs Zuhören. Ich hoffe, dass ihr was aus dieser Folge mitnehmen konntet und dass ihr auch in die nächste Folge reinhört. Immer donnerstags erscheint eine neue Episode. Außerdem freuen wir uns, wenn ihr einer wissenschaftsbegeisterten Person vom Forschungsquartett erzählt. Mein Name ist Wieland Mikulajczyk. Bleibt neugierig und bis zum nächsten Mal.
Das Forschungsquartett, Wissenschaft bei detektor.fm, in Kooperation mit der Max-Planck-Gesellschaft. Untertitel der Amara.org Community.
Foto: MPIfF
Foto: MPIfG 
Foto: Judith Büthe | MPG