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Von Stromnetzen bis zum Herzen: mit Mathematik Rhythmen wiederherstellen

15.07.2015 - Wenn ein Rhythmus stockt, kann der Effekt fatal sein – in einem Stromnetz kann es einen Blackout bedeuten, für das menschliche Herz sogar den Tod. Ein internationales Team von Wissenschaftlern hat nun einen neuen Ansatz entwickelt, gegen diese unerwünschten Zustände vorzugehen. Sie nutzten dazu eine innovative mathematische Methodik, aufbauend auf der Analyse komplexer Netzwerke, und überprüften diese in Experimenten mit chemischen Reaktionen. Dies könnte zur Stabilisierung von Stromnetzen beitragen, für die eine unregelmäßige Zufuhr von Energie aus erneuerbaren Qellen eine neue Herausforderung bedeutet. Zukünftige Forschung könnte die Methodik auch auf andere komplexe Netzwerke anwenden, etwa auf Prozesse in Körperzellen und sogar auf das menschliche Herzkreislaufsystem.
Von Stromnetzen bis zum Herzen: mit Mathematik Rhythmen wiederherstellen

Gekoppelte elektrochemische Reaktionen (Abbildung 6 aus Zou et al, 2015)

„Viele Systeme sind angewiesen auf winzige Vor- und Rückwärtsbewegungen in einem bestimmten Rhythmus, wie in der Musik – wir nennen das Oszillation“, sagt Jürgen Kurths vom Potsdam-Instiut für Klimafolgenforschung (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 werden im renommierten Fachjournal Nature Communications veröffentlicht.

Mehr Strom aus Wind und Sonne: Schwankende Einspeisung

Die Stabilität von Stromnetzen war der Ausgangspunkt für die Wissenschaftler. Wechselstrom in Stromleitungen schwingt in einer bestimmten Frequenz, in Europa zum Beispiel mit 50 Hertz, in den USA mit 60. Dies kann gestört werden, wenn die Stromzufuhr sich von einem Moment zum anderen ändert – was passieren kann, wenn zum Beispiel von Windrädern erzeugter Strom ins Netz fließt, und es plötzlich stürmt oder eine Windstille eintritt. Kohle-Kraftwerke hingegen produzieren sehr gleichmäßig Energie. Da das Verbrennen fossiler Rohstoffe Treibhausgasemissionen verursacht, die der Hauptverursacher gefährlicher Klimaveränderungen sind, wird jedoch mehr und mehr erneuerbare Energie in die Stromnetze eingespeist.

Um diese Belastung der Stromnetze und eventuelle Blackouts zu vermeiden, sind neue Ansätze zur Stabilisierung gefragt. Die jetzt von den Wissenschaftlern entwickelte Methode ist nur eine von mehreren Möglichkeiten, von denen einige bereits diskutiert werden – sie ist allerdings hoch innovativ. „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 Prozesse 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 Wissenschaftler untersuchten die Wechselwirkung von gekoppelten schwingenden Systemen. Bereits im 19. Jahrhundert stellte man fest, dass zwei nebeneinander stehende Orgelpfeifen mit ähnlicher Tonhöhe gegenseitig ihre Vibrationen unterdrücken können. Ähnliche Phänomene kennt man aus der Neurowissenschaft, von chemischen Reaktionen und elektronischen Schaltkreisen. Bis jetzt konnte keine Lösung zur Wiederherstellung der Rhythmen gefunden werden.

Zu dem Team von Wissenschaftlern gehören 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 Gutteil 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.“


Artikel: Zou, W., Senthilkumar, D.V., Nagao, R., Kiss, I.Z., Tang, Y., Koseska, A., Duan, J., Kurths, J. (2015): Restoration of rhythmicity in diffusively coupled dynamical networks. Nature Communications [doi: NCOMMS8709]
 
Weblink:
http://www.nature.com/ncomms/2015/150715/ncomms8709/full/ncomms8709.html


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