Neues Protokoll macht Bitcoin-Transaktionen sicherer

Presseaussendung der TU Wien vom 04.05.2021

An der TU Wien wurde ein Protokoll entwickelt, das Transaktionen mit Kryptowährungen wie Bitcoin schneller und sicherer macht.

Kryptowährungen wie Bitcoin werden immer populärer. Auf den ersten Blick haben sie viele Vorteile: Transaktionen sind normalerweise anonym, schnell und kostengünstig. Aber manchmal gibt es dabei auch Probleme. In bestimmten Situationen sind Betrügereien möglich, User können Information über andere User ermitteln, die eigentlich geheim bleiben sollte, und manchmal kommt es zu Verzögerungen.

Der Forschungsbereich „Security and Privacy“ der TU Wien (Lukas Aumayr und dessen Dissertationsbetreuer Prof. Matteo Maffei) hat in Kollaboration mit dem IMDEA Software Institute (Prof. Pedro Moreno-Sanchez, zuvor Postoc an der TU Wien) und der Purdue University (Prof. Aniket Kate) diese Probleme analysiert und ein verbessertes Protokoll entwickelt. Dieses wurde nun veröffentlicht und wird in diesem Jahr beim USENIX Security Symposium präsentiert – einer der „Big Four“ IT-Sicherheitskonferenzen weltweit, die als äußerst prestigeträchtig gelten.

Der Bitcoin-Strom ist nur ein Bächlein

„Schon lange weiß man, dass Bitcoin und andere Blockchain-Technologien ein Skalierungsproblem haben: Es kann nur maximal zehn Transaktionen pro Sekunde geben“, sagt Lukas Aumayr vom Security and Privacy Forschungsbereich der TU Wien. „Das ist sehr wenig, verglichen etwa mit Kreditkartenfirmen, die weltweit zehntausende Transaktionen pro Sekunde durchführen.“

Aus diesem Grund hat man das sogenannte „Lightning Netzwerk“ entwickelt – ein zusätzliches Netz an Transaktionskanälen zwischen Blockchain-Usern. Wenn etwa zwei Personen in kurzer Zeit viele Transaktionen abwickeln möchten, können sie Zahlungen auf diese Weise direkt untereinander austauschen, ohne dass jede einzelne Transaktion in der Blockchain sichtbar wird. Nur zu Beginn und am Ende dieser Serie an Transaktionen kommt es zu einem offiziellen Eintrag in der Blockchain.

Diese „Seitenzweige“ der Blockchain können auch relativ kompliziert gestaltet werden, mit Ketten aus mehreren Usern. „Dabei können Probleme entstehen“, sagt Lukas Aumayr. „In bestimmten Fällen können User dann an Daten über andere User gelangen. Außerdem muss jeder in dieser Kette einen gewissen Geldbetrag einbringen, der als Sicherheit gesperrt wird. Manchmal scheitert eine Transaktion, und dann kann es passieren, dass viel Geld relativ lange gesperrt bleibt – je mehr Personen beteiligt sind, umso länger.“

Schwachstellen mathematisch ausschließen

Das Forschungsteam an der TU Wien analysierte, wie sich dieses Transaktionsprotokoll verbessern lässt, und entwickelte eine Alternativvariante. „Man kann die Sicherheit solcher Protokolle mit formalen Methoden analysieren. Wir können also mathematisch beweisen, dass unser neues Protokoll bestimmte Fehler und Probleme in keiner Situation erlaubt“, sagt Aumayr.

So kann man ganz bestimmte sicherheitskritische Attacken ausschließen, die bisher möglich waren, und auch langfristige Geldsperren verhindern: „Bisher waren zwei Kommunikationsrunden nötig: In der ersten Runde wird das Geld gesperrt, in der 2. Runde wird es freigegeben – oder zurückgebucht, wenn es Probleme gab. Das kann bedeuten, dass für jeden User in dieser Kette ein zusätzlicher Tag an Verzögerung auftritt. Bei unserem Protokoll muss die Kommunikationskette nur einmal durchlaufen werden“, erklärt Lukas Aumayr.

Simulation beweist Praxistauglichkeit

Wichtig ist aber nicht nur die fundamentale logische Struktur des neuen Protokolls, sondern auch seine Praxistauglichkeit. Daher simulierte das Team in einem virtuellen Transaktionsnetzwerk, wie sich die neue Technologie verglichen mit dem bisherigen Lightning-Netzwerk verhält. Dabei wurden die Vorteile des neuen Protokolls besonders gut sichtbar: Je nach Situation, etwa abhängig davon, ob es Attacken und Betrugsversuche gibt oder nicht, gibt es durch das neues Protokoll um einen Faktor 4 bis 33 weniger fehlgeschlagene Transaktionen als mit dem herkömmlichen Lightning-Netzwerk.

Das Team der TU Wien ist bereits in Kontakt mit den Betreiberorganisationen des Lightning-Netzwerks. „Wir hoffen natürlich, dass unsere Technologie rasch eingesetzt wird, oder zumindest als sicherere Alternative zur bisherigen Technologie angeboten wird“, sagt Lukas Aumayr. „Technisch wäre das sofort umsetzbar.“ (Florian Aigner)

Originalpublikation:
L. Aumayr, P. Moreno-Sanchez, A. Kate, M. Maffei, Blitz: Secure Multi-Hop Payments Without Two-Phase Commits, USENIX Security Symposium 2021

Externer Link: www.tuwien.at

Grüner Strom trifft blaues Wasser: Forschungsteam findet neuen Ansatz zur Entsalzung von Meerwasser

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 06.05.2021

Weltweit gilt Wasserstoff als ein Hoffnungsträger für die Energiewende. Aber um ihn im industriellen Maßstab zu gewinnen, muss man auf Meerwasser zurückgreifen. Dessen Entsalzung ist aber bisher nur unter großem Energieeinsatz möglich. Die Energie-Experten Yuan Zhang und Volker Presser haben einen Weg gefunden, dem Meerwasser direkt mit einer Brennstoffzelle das Salz zu entziehen, die bisher „nur“ für die Stromerzeugung genutzt wurde. Das könnte die Herstellung von Wasserstoff revolutionieren.

Ihr Prinzip haben sie in der renommierten Fachzeitschrift Cell Reports Physical Science veröffentlicht.

Im Grunde genommen ist die Wende hin zur Wasserstoffwirtschaft ein Klacks: Von den rund 1,4 Milliarden Kubikkilometern Wasser auf der Erde (das sind 1.400.000.000.000.000.000 oder 1400 Trillionen Liter) ist die überwältigende Mehrheit als Salzwasser in den Ozeanen gut zugänglich und, das kann man wohl ohne Untertreibung sagen, in ausreichender Menge vorhanden, um die Menschheit über lange Zeit mit Energie zu versorgen. Dieses schier unerschöpfliche Gut könnte man also nutzen, um so viel Wasserstoff herzustellen, wie man nur braucht, um daraus Strom zu gewinnen. Die „grüne“ Energiewende weg von fossilen Energieträgern wäre geschafft.

Dass das noch niemand gemacht hat, liegt an einem kleinen, aber feinen Haken: „Heutige Elektrolysesysteme können keinen Wasserstoff aus salzhaltigem Wasser gewinnen“, bringt es Volker Presser auf den Punkt. Der Professor für Energie-Materialien an der Universität des Saarlandes und Leiter des Programmbereichs Energie-Materialien am INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien ist einer der führenden Experten auf dem Gebiet der Energiespeicherung. Seine Arbeiten insbesondere auf dem Gebiet der Elektrochemie finden internationale Beachtung in hochrangigen Zeitschriften.

Gemeinsam mit seiner Doktorandin Yuan Zhang ist ihm nun ein großer Schritt in Richtung „Energie aus Meerwasser“ gelungen – im experimentellen Maßstab zumindest. Bisherige Systeme sehen vor, dass Wasserstoff für Brennstoffzellen erzeugt wird, indem man zuvor mit viel Energie deionisiertes (also entsalztes) Wasser aus Meerwasser herstellt, um aus diesem aufbereiteten Wasser wiederum Wasserstoff zu gewinnen. Denn nur so ließe sich genügend Wasserstoff herstellen, ohne die begrenzten, wertvollen Süßwasservorräte drastisch zu verringern. Dieses Verfahren ist aber nicht wirklich nachhaltig, wenn die Energie zur Entsalzung nicht vollständig aus regenerativen Quellen stammt. „Yuan Zhang hatte nun eine revolutionäre Idee: Wir benutzen einfach die Brennstoffzelle selbst, um das Meerwasser zu entsalzen und anschließend Süßwasser zu erhalten, das dann in der Brennstoffzelle für die Wasserstofferzeugung genutzt werden kann“, so Energie-Experte Presser.

Dazu haben sich er und seine Doktorandin einen simplen und für jedermann nachvollziehbaren Experiment-Aufbau überlegt: Aus einer Brennstoffzelle für den Schulbedarf haben sie eine Anlage gebaut, die aus dem Ausgangsstoff Salzwasser am Ende Süßwasser erzeugt und dazu noch Strom und Wärme produziert, die wiederum in die Gewinnung von Wasserstoff investiert werden können. Das im Salzwasser vorhandene Salz (vor allem NaCl, Kochsalz) wird dabei durch die Zugabe von Wasserstoff und Sauerstoff gezwungen, seine Verbindung mit dem Wasser aufzulösen. Es entstehen neben dem dann entstandenen Trinkwasser (das man im Anschluss für die Gewinnung von Wasserstoff nutzen kann) eine Säure (insbesondere HCl; Salzsäure) und eine Base (insbesondere NaOH, Natriumhydroxid) als Zwischenprodukte. „Außerdem erzeugen wir an dieser Stelle Elektrizität, die wir weiter nutzen können“, so Volker Presser. Die Säure und die Base erzeugen, wenn man sie zum Schluss wieder zusammenbringt, zusätzlich Wärme, die man ebenfalls weiter nutzen kann.

„Wir können nun also aus jeder Brennstoffzelle ein Modul bauen, das nicht nur Strom generiert, sondern ganz nebenbei auch Trinkwasser erzeugt. Dieses kann dann auch für die Wasserstoffproduktion genutzt werden. Man braucht dazu halt Wasserstoff, aber den kann man über Elektrolyse ‚grün‘ mit ‚Power to Gas‘ herstellen“, erklärt Volker Presser den möglichen Nutzwert des neuen Technologieansatzes, der in weiterer Zukunft in großem Maßstab zum Einsatz kommen könnte.

Publikation:
Zhang et al., Electrocatalytic fuel cell desalination for continuous energy and freshwater generation, Cell Reports Physical Science (2021)

Externer Link: www.uni-saarland.de

technologiewerte.de – MOOCblick Mai 2021

Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

Plant Based Diets: Food for a Sustainable Future
Eva Everloo (Wageningen University & Research) et al.
Start: 18.05.2021 / Arbeitsaufwand: 14-21 Stunden

Externer Link: www.edx.org

Schritt in Richtung Massenmarkt

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 05.05.2021

Redox-Flow-Batterien eignen sich hervorragend, um große Mengen regenerativer Energien zu speichern. Allerdings waren sie bislang noch zu teuer für den Massenmarkt. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT haben nun das »Herz« einer Redox-Flow-Batterie – den Stack – vollständig re-designt – und konnten so den Materialeinsatz und die Kosten massiv senken. Dafür erhalten sie den Joseph-von-Fraunhofer-Preis.

Sonne und Wind orientieren sich nicht an unserem Strombedarf – regenerative Energie muss daher bis zum Verbrauch gespeichert werden, zum Beispiel in Redox-Flow-Batterien. Diese sind sowohl zyklenstabil – ihre Kapazität nimmt also auch nach tausenden Zyklen nicht merklich ab – als auch nicht brennbar und lassen sich in puncto Leistung und Kapazität auf den Bedarf auslegen. Zudem brauchen sie keine kritischen Materialien, und ihre Elektrolyte können vollständig zurückgewonnen werden. Aber: Bis dato waren sie schlichtweg zu teuer für den Massenmarkt.

Kostengünstig, leicht und kompakt

Forscher des Fraunhofer UMSICHT konnten nun dieses Problem nachhaltig lösen: Sie haben die Herstellungsweise des zentralen elektrisch leitfähigen Kunststoffs neu erfunden, so dass dieser flexibel bleibt und sich verschweißen lässt. Dieses neue Verfahren hat erhebliche Auswirkungen auf die Redox-Flow-Batterien. »Der entwickelte Stack, das Herzstück einer jeden Redox-Flow-Batterie, ist von den Materialkosten her 40 Prozent günstiger, auch die Produktionskosten konnten deutlich gesenkt werden. Der Stack wiegt 80 Prozent weniger als ein herkömmlicher Stack und ist nur etwa halb so groß«, fasst Prof. Christian Doetsch zusammen. Vermarktet wird der Stack vom Spin-off Volterion. Für diese Entwicklung erhalten Christian Doetsch und Lukas Kopietz vom Fraunhofer UMSICHT sowie Dr. Thorsten Seipp von der Volterion GmbH & Co. KG den Joseph-von-Fraunhofer-Preis. Die Jury begründete ihre Entscheidung unter anderem mit »der Ausgründung und dem erfolgreichen Exit von Fraunhofer, die prototypisch den Weg der Vermarktung von neuen Fertigungstechnologien zeigen«.

Üblicherweise bestehen die Stacks aus 160 gestapelten Komponenten, die mit einer Vielzahl von Schrauben und massiven Metallplatten zusammengehalten und mit zahlreichen Dichtungen abgedichtet werden. Ein Teil dieser Komponenten wird spritzgegossen und ist aufgrund der für den Spritzguß notwendigen hohen Drücke und Temperaturen spröde wie eine Bleistiftmine. Um dies zu umgehen, verwendet das Forscherteam zwar ähnliche Ausgangsstoffe, also Grafite und Ruße, ging aber auf andere Art und Weise an den Prozess heran: Pelletförmiger Kunststoff wird auf bis zu minus 80 Grad gekühlt, zu Pulver zermahlen und mit 80 Gewichtsprozent Graphit gemischt. Das entstehende Pulver schickt das Forscherteam durch ein System aus mehreren Walzen mit verschiedenen Temperaturen und Geschwindigkeiten. Zwischen den Walzen wird das Pulver bei moderaten Temperaturen und geringen Drücken kurz aufgeschmolzen, geknetet, zu einer »Endlos-Platte« gewalzt und schließlich aufgerollt. »Das neue Material erhält dabei thermoplastische Eigenschaften, es ist also biegsam und verschweißbar, obwohl der Kunststoff nur einen Anteil von 20 Prozent hat«, erläutert Lukas Kopietz. Der Stack kommt somit ohne eine einzige Dichtung aus, auch Schrauben sind überflüssig – die Zellen werden einfach miteinander verschweißt. Ein weiterer Vorteil: Über diese Methode lassen sich Bipolarplatten nicht nur deutlich schneller und damit kostengünstiger herstellen, es gibt auch keine Größenbegrenzung mehr. Bipolarplatten mit bis zu mehreren Quadratmetern sind problemlos möglich.

In der Volterion GmbH & Co. KG bis zur Batterie umgesetzt

Der zweite entscheidende, weil kostensenkende, Schritt war die Entwicklung eines kontinuierlichen Produktionsverfahrens: das Pulver-zu-Rolle-Verfahren, in dem sich die Bipolarplatten als Endlos-Rolle fertigen lassen. Auf diese Weise lassen sich sehr dünne Platten herstellen. Ist die Plattendicke beim Spritzgießen produktionsbedingt auf mehrere Millimeter begrenzt, kann sie beim Pulver-zu-Rolle-Verfahren zwischen 0,1 und 0,4 Millimeter dünn werden. Es ist also deutlich weniger Material notwendig, was den Preis wiederum senkt sowie leichtere kompaktere Stacks ermöglicht. »All dies verschafft ganz neue Möglichkeiten in der Konstruktion, die wir in der Volterion GmbH & Co. KG bis hin zur ganzen Batterie umgesetzt haben«, sagt Thorsten Seipp. Mittlerweile hat Volterion bereits über tausend Stacks gebaut und verkauft.

Externer Link: www.fraunhofer.de