Blockchain – heute, morgen, übermorgen …

Tatsächlich ist dieser vor allem beim Proof of Work-Verfahren (PoW), das bei vielen Blockchains zur Anwendung kommt, ein signifikantes Problem! Spürbare Folgen des Klimawan­dels und Engpässe bei der Energieversorgung erhöhen den Druck, nach sparsameren Lösungen auszuschauen: So hält die Europäische Zentralbank (EZB) beim Proof of Work-basierten Mining von Kryptowährungen auch Verbote schon für denkbar.

Blockchain? Proof of Work? Mining? – Was steckt dahinter?

In Anknüpfung an einen vorangegangenen Artikel über NFT-Kunst aus dem Juni 2022 beziehen wir uns hier nochmals auf den Vergleich der Blockchain mit einem „Kassen-, Grund- oder Logbuch“: Wie diese Register wird auch die Blockchain mit jedem neuen Vorgang chronologisch fortge­schrieben. Datensätze neuer Transaktionen – z. B. die Einschreibung eines NFT oder die Übertragung von Kryptowährungseinheiten (Coins) – werden in Blöcken angefügt. Man kann sich die Blöcke dabei als Kartons vorstellen, in denen alle relevanten Informationen wie Zeitpunkt, Sender, Empfän­ger, Dateityp, Betrag etc. verpackt sind. Jeder neue Block wird an den jeweils vorangegangenen angehängt, sodass im Zeitverlauf eine Blockkette (Blockchain) entsteht. Dabei tragen alle Blocks einen verschlüsselten Code, den sogenannten „Hash“¹: Ähnlich der Prüfziffer einer Kontonummer ergibt sich dieser aus den Block-Daten plus dem Hash des jeweils vorangegange­nen Blocks. Somit bleibt die Reihenfolge gewahrt und jede (unerlaubte) Manipulation an einem Block hätte automatisch auch Auswirkungen auf alle anderen verschlüsselten Blöcke, deren Hashs dann nicht mehr stimmig wären. Es würde also auffallen – zumal die „Blo­ckketten-Datenbank“ nicht zentral verwaltet auf einem einzigen Server liegt, son­dern auf den weltweit verteilten Nodes (kleinere Server) ihrer einzelnen Nut­zer:innen, wo sie sich fortlaufend identisch aktualisiert. Alle sind miteinander vernetzt und verifizieren die Gültigkeit neuer Daten in ständigem Austausch.

So funktionieren Blockchains als dezentrale selbst regulierende Systeme ohne ordnende zentrale Instanz bzw. Autorität (wie das anderswo z. B. Banken im Finanzbereich oder Notare beim Immobilienbesitzwechsel sind). Ein sogenannter Konsensalgorithmus, wie der häufig verwendete „Proof of Work“ (Arbeitsnachweis), stellt sicher, dass nicht jeder einfach beliebig Transaktionen anfügen kann: Hierzu muss als Arbeits- und Berechtigungsnachweis erst eine aufwendige Rechenaufgabe gelöst werden. Das Prinzip mag an ein CAPTCHA² erinnern – allerdings ist die Dechiffrierung eines Hashs als „Proof of Work-Rät­sel“ unvergleichlich viel komplexer und erfordert gigantische Rechenleistung³. Steht eine Transaktion zur Anfügung „in der Warteschleife“, begeben sich viele Rechner weltweit automatisch an die „Rätsel-Arbeit“: Wer die Lösung zuerst hat, darf (nachdem diese bestimmten Regeln folgend durch die Community innerhalb des Blockchain-Netzwerks verifiziert wurde) die neue Trans­aktion anfügen und wird mit Kryptowährungseinheiten (z. B. Ether oder Bitcoin) belohnt. In Anlehnung an das „Schürfen“ von Gold nennt sich dieser Vorgang Mining – denn mit der PoW-Rechenarbeit werden ebenfalls gänzlich neue Werteinheiten „aufgesucht“ und in Umlauf gebracht.

In der Praxis findet Mining auf riesigen „Computer-Farmen“ statt, die wegen des enormen Energieverbrauchs meist in Gebieten bzw. Staaten mit günstigem Strom – etwa aus Geothermiekraftwerken – ansässig sind: Bis die chinesische Zentralbank un­autorisiertes Mining bzw. Blockchain-Dienstleistungen im Mai 2021 verbot, befanden sich diese Farmen größtenteils in China. Island, das fast 100 Prozent seines Stroms aus erneuerbaren Energien schöpft, ist ebenfalls – noch heute – ein wichtiger Player. Doch auch hier gibt es im Hinblick auf die katastrophale Mining-Energiebilanz bereits Restriktionen: Nachrichten – etwa, dass Island Krypto-Minern wegen Energieknappheit bereits den Strom drossele und neue „Miner“ ablehne – zeugen davon.

Warum sind Blockchains so vielseitig verwendbar? – (Denkbare) Beispiele:

Die charakteristischen Merkmale einer Blockchain – nämlich, dass sie unveränderbar, verteilt, konsensfähig, programmierbar, anonym sowie transparent ist, und es für die Durchführung von Transaktionen keines vertrauenswürdigen zentralen Mittlers bedarf – eröffnen eine Vielzahl interessanter Anwendungsbereiche für unterschiedliche Branchen. Neben der Optimierung diverser Abläufe an sich, für die die unterschiedlichen Blockchain-Eigenschaften jeweils von spezifischem Vorteil sind, spielt auch ökonomisches Interesse eine Rolle: So kann eine Blockchain z. B. für die schnellere Abwicklung internationaler Zahlungen zwischen Beteiligten direkt (ohne Bank) genutzt und damit Transaktionskosten re­duziert werden. Dennoch interessieren sich auch Banken für die Blockchain-Nutzung: schnellere Risikoprüfung, automatisierte Abstimmungsprozesse, Nachvollziehbarkeit von Dokumenten seien hier nur beispielhaft als Stichworte genannt.

Im Gesundheitswesen ist die (fälschungs-)sichere Verwaltung von Gesundheitsdaten und Zugriffsrechten ein möglicher Einsatzbereich. Behörden kann die Identitäts-Verifikation erleichtert werden. Versicherungen denken über die Blockchain-automatisierte Schadensabwicklung nach. Schlüsselübergaben und Nutzungsübergänge – z. B. für Leihwagen oder Ferienwohnungen – lassen sich via Blockchain automatisieren. Auch für digitale Wahlen und die fälschungssichere Zertifizierung von Bildungsabschlüssen (Zeugnisse) bietet sich der Blockchain-Einsatz an. Die Möglichkeiten sind zahllos …

Fazit und Ausblick:

Blockchains bergen hinsichtlich ihrer Einsatzmöglichkeiten vielfältige Chancen. Doch so vielversprechend zukunftsorientiert diese Technologie hier auch sein mag: Ihr bislang exorbitanter Energieverbrauch ist es nicht! Möchte man die volle Ausschöpfung vorhandenen Potenzials auch vor dem Hintergrund eines fortschreitenden Klimawandels und drohender Energieversorgungsengpässe zeitgemäß betreiben, braucht's – neben der allgemeinen Umstellung auf saubere erneuerbare Energiequellen – sparsame­re Lösungen. Einen Schritt in diese Richtung plant Ethereum im August 2022 mit der Umstellung auf „Ethereum 2.0“: Als Konsensmechanismus kommt hier dann das umweltfreundlichere „Proof of Stake-Verfahren (PoS)³ zum Tragen.

¹ _{Über die Hash-Funktion wird Dateiinhalten ein eindeutiger numerischer Wert zugewiesen – der Hash ist somit wie ein Fingerabdruck der betreffenden Datei. Die Umwandlung ursprünglicher Zeichenfolgen in einen Hash-Wert wird auch zur Verschlüsselung verwendet.}

² _{Ein CAPTCHA (Completely Automated Public Turing test to tell Computers and Humans Apart) ist ein Test, der z. B. für die Einreichung von Internet-Formularen genutzt wird, um sicherzustellen, dass die Eingaben von einem Menschen und nicht etwa durch maschinelle Bots erfolgen. Zu lösende CAPTCHA-Tests („Rätsel“) können z. B. darin bestehen, in einer Abbildung nach bestimmten Kriterien einzelne Bildausschnitte anzuklicken}

³ _{Der enorme Rechenaufwand verursacht einen exorbitanten Strom- bzw. Energieverbrauch, weshalb das Proof of Work-Verfahren besonders in der Kritik steht. Ein alternativer Konsensmechanismus ist „Proof of Stake“ (Anspruchs- bzw. Anteilsnachweis). Dieses Verfahren funktioniert energiesparender, ohne Mining: Die Berechtigung fürs Anfügen neuer Transaktionen entscheidet sich hier nach dem Anteil bzw. der Anzahl gehaltener Währungstoken (z. B. Ether), die zu hinterlegen sind. Als Analogie zur Autobranche vergleicht man das PoS-Verfahren mit dem Elektroauto, und das PoW-Verfahren mit einem Auto, das noch mit fossilen Brennstoffen läuft.}