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Netzausgleich Mathematik hilft dem Strom im Takt zu bleiben

| Redakteur: Carina Schipper

Geht einem Musiker der Rhythmus verloren, erntet er vom Publikum keinen Beifall. Ein Stromnetz ohne gleichmäßige Frequenz bricht zusammen. Das menschliche Herz kann stehen bleiben. Wissenschaftler des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung e.V. (PIK) und internationaler Partner arbeiten an einer Methode, den Rhythmus mithilfe von Mathematik wiederherzustellen.

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(Bild: gemeinfrei, flickr.com)

Die mathematische Methodik, die sie dazu nutzen, baut auf die Analyse komplexer Netzwerke auf. Überprüft hat das Team den Ansatz in Experimenten mit chemischen Reaktionen. Er könnte Stromnetze stabilisieren und die unregelmäßige Zufuhr von Energien aus erneuerbaren Quellen ausbalancieren. In Zukunft ließe sich die Methodik auch auf andere Netzwerke übertragen, etwa auf Prozesse in Körperzellen und auf das menschliche Herzkreislaufsystem, heißt es. „Viele Systeme sind angewiesen auf winzige Vor- und Rückwärtsbewegungen in einem bestimmten Rhythmus, wie in der Musik - wir nennen das Oszillation“, erklärt Jürgen Kurths vom PIK und Leiter der Forschungsgruppe. „Wenn nun der Rhythmus gestört wird, kann das System nicht richtig weiterarbeiten. Daher das Interesse, Wege zu finden, um den Rhythmus wieder herzustellen.“ Die Ergebnisse erscheinen im Fachjournal Nature Communications.

Strom aus Wind und Sonne stören die Frequenz

Die Stabilität von Stromnetzen bildete den Ausgangspunkt für die Wissenschaftler. Wechselstrom in Stromleitungen schwingt in einer bestimmten Frequenz. In Europa beispielsweise liegt sie bei 50 Hz, in den USA bei 60 Hz. Ändert sich die Stromzufuhr auf einmal, gerät die Frequenz aus dem Gleichgewicht. Windräder zum Beispiel hängen von der Stärke der Böen ab. Die Menge an erzeugter Elektrizität und Einspeisung richtet sich nach der Menge an Wind. Das belastet die Stromnetze und führt zu Blackouts. Die von den Wissenschaftlern entwickelte Methode ist nur eine von mehreren Möglichkeiten, dem Problem vorzubeugen. „Das Prinzip ist ziemlich einfach, aber die Mathematik dahinter ist es keineswegs“, sagt István Kiss von der Saint Louis University in den USA. „Wir konnten zeigen, dass die Theorie in einem praktischen Experiment angewendet werden kann, in dem die Rhythmizität in einem kleinen Netzwerk von Strom erzeugenden chemischen Reaktionen wieder hergestellt werden kann. Bei diesen Reaktionen findet eine Menge komplexer physikalischer und chemischer Prozessen statt, mit vielen Variablen und Unsicherheiten; deshalb ist es wirklich erstaunlich, wie gut ein rein mathematisch entwickelter Ansatz hier seine Wirksamkeit beweist. Das deutet auf eine bemerkenswerte Allgemeingültigkeit hin.“

Zwei Orgelpfeifen mit ähnlicher Tonhöhe können gegenseitig ihre Vibrationen unterdrücken

Die Forscher beschäftigten sich mit der Wechselwirkung von gekoppelten schwingenden Systemen. Bereits im 19. Jahrhundert stand fest, dass zwei nebeneinander stehende Orgelpfeifen mit ähnlicher Tonhöhe gegenseitig ihre Vibrationen abmildern können. Ähnliche Phänomene kommen in der Neurowissenschaft, bei chemischen Reaktionen und in elektronischen Schaltkreisen vor. Bis jetzt konnte keine Lösung zur Wiederherstellung der Rhythmen gefunden werden. Zu dem Team von Wissenschaftlern zählen Experten aus China, Indien, Russland, den USA, England, Mazedonien und Deutschland. Viele der internationalen Wissenschaftler haben während ihrer Zeit als Gastwissenschaftler am PIK an der Studie gearbeitet, wo sie einen Großteil der Analyse entwickelten.

„Wir zeigen, dass eine gewisse Verzögerung des Impulses, der etwa in einem Stromnetz von einem Element des Systems zum anderen geht, die vorher gestörten Oszillationen wieder herstellen kann“, sagt Wei Zou von der Huazhong University of Science and Technology in China, der Leitautor der Studie. „Selbst eine schwache Abweichung kann einen großen Unterschied machen. Ich muss gestehen, dass wir selbst überrascht waren wie einfach und robust unsere Methode ist. Jetzt hoffen wir, dass sie die Tür zu zukünftiger Forschung im Bereich komplexer Systeme öffnet, und letztendlich Anwendungen in vielen Bereichen anregt, von der Biologie über das Ingenieurwesen bis zu den Sozialwissenschaften.“

Bild: Eric Wüstenhagen, CC BY-SA 2.0, flickr.com

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