Kleine Fehler können sich über miteinander gekoppelte Netzwerke zu Katastrophen hochschaukeln

Ramat-Gan (Israel)/New York (USA) - Die Infrastruktur in Industriestaaten gründet auf zahlreichen, miteinander verknüpften Netzwerken. So führen schon kleine Fehler im Stromnetz - wie etwa in Italien am 28. September 2003 - zu landesweiten Blackouts und dem Zusammenbruch von Internet, Bahnverkehr oder Wasserversorgung. Diese Anfälligkeit komplexer Versorgungssysteme analysierten nun israelische und amerikanische Mathematiker und erkannten, wie sich kleine Fehler lawinenartig ausbreiten und großen Schaden anrichten können. Ihr mathematisches Modell, das den Weg zu stabileren Netzwerkstrukturen aufzeigen soll, veröffentlichten sie in der Zeitschrift "Nature".

"Moderne Systeme sind miteinander gekoppelt und sollten daher als voneinander abhängige Netzwerke modelliert werden", fordern Shlomo Havlin von der Bar-Ilan Universität in Ramat-Gan und seine Kollegen von der Boston University und der Yeshiva University in New York. Bisher jedoch betrachten Systemstudien allein die Anfälligkeit von einzelnen Netzwerken wie beispielsweise dem Internet. Das ist offenbar zu einfach, um die Risiken der realen Infrastruktur abschätzen zu können.

Um die Fragilität eines Netzwerks zu bestimmen, fokussieren sich die Forscher auf die Netzknoten. Die zentrale Frage: Wie viele Netzknoten können ausfallen, ohne dass das gesamte Netzwerk in voneinander getrennte Fragmente zerfällt? In isolierten Netzwerken liegt dieser Grenzwert weit höher als in miteinander gekoppelten Systemen, in denen sich schon einzelne Fehler in einem Netzwerk zu weit reichenden Zusammenbrüchen vieler, gekoppelter Netzwerke führen kann. Der Blackout 2003 in Italien zeigt diesen Zusammenhang eindrucksvoll. Ein einzelner Kraftwerksfehler wirkte sich nicht nur auf die umgebende Stromversorgung, sondern auch auf Internet und Kommunikationskanäle aus. Dadurch kam es wiederum zu Folgefehlern in weiteren Netzknoten. Kaskadenartig konnte sich der Fehler fortpflanzen und weite Teile der gesamten Infrastruktur lahmlegen.

Die nun untersuchten mathematischen Modelle sind allerdings bisher noch zu simpel, um die Komplexität der realen Welt abbilden zu können. Doch Shlomo Havlin will seine Simulationen Stück für Stück ausweiten, um genauere Risikoanalysen zu erhalten und idealerweise auch Schwachpunkte von verknüpften Netzwerken vor dem Zusammenbruch zu identifizieren. Das Interesse an solchen Modellen könnte weit reichen - bei Datentechnikern über Städteplaner bis hin zu Versicherungen.