Die Erde erwärmt sich, aber diese Leute verwenden Eis, um Festplatten herzustellen

Die Speicherung von Informationen ist (neben AGI) einer der heiligen Grale der menschlichen technologischen Bestrebungen.

Von Steingravuren bis zu geknoteten Schnüren, von Lochkarten bis zu Magnetbändern und Festplatten hat der Mensch alle möglichen Speichermedien ausprobiert, mit einigen Erfolgen, einigen Misserfolgen.

Doch nun haben Wissenschaftler des Beijing Institute of Technology einen neuen Spieler ins Rennen gebracht: ein Speichermedium, das seit Tausenden von Jahren direkt vor unseren Augen verborgen war.

Eis. Eis für den Kühlschrank und in Ihren Getränken. So einfach ist das.

Dabei geht es natürlich nicht darum, Wörter in Eis zu ritzen, sondern um eine subtilere Methode: die Kodierung von Informationen durch die Manipulation der winzigen Bläschen, die bei der Eisbildung entstehen.

Diese Technologie klingt ein wenig nach einem beabsichtigten Wortspiel, aber denken Sie sorgfältig darüber nach: offline, kalt und schwer zu hacken – ist das nicht die wörtliche Bedeutung von „Cold Storage“?

Die Festplatte der Natur, kalt und alt

Die Erde erwärmt sich, und manche denken darüber nach, Eis als Festplatte zu nutzen. Was für eine verrückte Idee! Tatsächlich ist das Prinzip dahinter überraschend elegant und hat sich durch Milliarden von Jahren der Reinkarnation als wirksam erwiesen:

Etwa 10 % der Erdoberfläche sind mit Eis bedeckt. Die Atmosphäre zirkuliert in Gewässern, und wenn Wasser gefriert, wird die Atmosphäre in Form von „gefangenen Blasen“ eingeschlossen. Uralte Eisbohrkerne aus aller Welt bewahren die Geheimnisse der urzeitlichen Atmosphäre und werden zu natürlichen Zeitkapseln. Sie sind eine wahre Fundgrube für Wissenschaftler, da sie das Aussehen der Erde vor Milliarden von Jahren rekonstruieren und neue Einblicke in ungelöste Rätsel der Umwelt und Evolution liefern.

Mit anderen Worten: Wenn die Erde ein Computer ist, dann ist Eis ihre „Festplatte“. Die Blasen, die nicht entweichen können, sind unzählige Datenpunkte.

Wenn Sie diese Dinge wissen, werden Sie bei Ihrem nächsten Barbesuch vielleicht eine andere Erfahrung machen: Das Streben des Barkeepers nach perfekt transparenten Eiswürfeln verstößt tatsächlich gegen die Naturgesetze …

Die Frage, wie sich eingeschlossene Blasen im Eis präziser kontrollieren lassen, beschäftigt auch Song Mengjie, Professor am Beijing Institute of Technology und Experte für Thermodynamik. Er erzählte mir, dass er 2018 als Sonderforscher an der Universität Tokio viel über eingeschlossene Blasen im Mikronbereich geforscht und die allgemeine Idee zur Blasenkontrolle entwickelt habe.

Diese Entdeckungen schlugen wie Samen in seinem Geist Wurzeln und brachten neue Inspirationen hervor:

Wenn die Natur Eis als „Festplatte“ nutzen kann, warum können wir das nicht?

Das Prinzip der Blasenkontrolle ist einfach: Wenn Wasser gefriert, verdrängt es gelöste Gase und es bilden sich eingeschlossene Blasen. Kühlt man es zu schnell ab, werden die Blasen oval; kühlt man es zu langsam ab, bilden sich nadelförmige Blasen; kühlt man es noch langsamer ab, bilden sich überhaupt keine Blasen – eine Fähigkeit, die erfahrene Barkeeper bereits beherrschen.

Die Formen dieser Blasen entsprechen 1 und 0, Punkten oder horizontalen Linien, an und aus. Wird das nicht zu einem Datenelement?

Doch diese Entdeckung allein reicht nicht aus. Handelt es sich lediglich um eine einfache Zuordnung von 1 und 0, kann ein Stück Eis möglicherweise keinen vollständigen Satz speichern. Um diese Entdeckung realistischer zu machen, muss das Team die Effizienz und Speicherdichte der kodierten Informationen verbessern.

Das BIT-Team hat ein Gerät gebaut, das man sich als einen speziell für Eiswürfel entwickelten „2D-Drucker“ vorstellen kann: Eine Wasserschicht wird zwischen transparenten Kunststofffolien eingeschlossen, darunter befindet sich eine Kühlplatte zur präzisen Temperaturregelung, und dann wird durch präzise Signalverarbeitung eine perfekte Temperaturkurve für die Kühlplatte erstellt.

Durch die Kontrolle zweier Variablen – Temperatur und Zeit – gelang es dem Team, gleichmäßig und effizient geordnete Blasen zu erzeugen. Das ist zwar Programmieren, aber es ähnelt eher dem Malen eines Gemäldes aus Eis.

Auch der Dekodierungsprozess ist einfach und elegant und weist eine für Programmierer verständliche Ästhetik auf: Man macht ein Foto vom Eis, wandelt es in ein Graustufenbild um, und der Computer-Vision-Algorithmus übernimmt den Rest. Die Software liest Größe, Form, Menge, Verteilung und andere Informationen zu den Blasen und übersetzt sie in Binär- oder Morsecode.

Stellen Sie sich vor, Bond, der sonst gerne Dry Martini trinkt, bekommt im Film „007“ einen Cocktail mit einem riesigen quadratischen Eiswürfel. Die Augen des Barkeepers verraten ihm, wie tief die Türöffnung ist. Bond liest die Blasen im Eiswürfel mithilfe einer Datenbrille schnell ab, und die vertraulichen Informationen werden ihm übergeben.

Natürlich ist es vom Labor bis zum Hollywood-Blockbuster noch ein weiter Weg.

Zurück zur Realität: Professor Song gab zu, dass die Dichte des Eisspeichers zwar nicht so hoch sei wie die herkömmlicher Festplatten, aber die ursprünglichen Erwartungen des Teams bei weitem übertreffe: Ein 10 x 10 cm großes Stück Eis „kann etwa 3 oder 4 Seiten an Informationen speichern.“

Obwohl es nicht mit der SSD im Computer mithalten kann, ist es zumindest für eine wörtliche „Cold Storage“-Lösung bereits recht gut. Die Weiterentwicklung der Speicherdichte hängt nicht von den Forschungsteams, sondern von der Industrie ab. Diese Forschung konzentriert sich eher auf die Grundlagenforschung als auf die Demonstration von Anwendungsmöglichkeiten.

Auf die Frage nach der Schwierigkeit, diese Technologie zu reproduzieren, sagte Professor Song, dass sie mit herkömmlicher, im Handel erhältlicher Hardware und einem gewissen Maß an praktischen und Computerkenntnissen fast vollständig wiederhergestellt und für „ungefähr 10.000 Yuan“ reproduziert werden könne.

Natürlich handelt es sich hierbei nur um eine grobe und optimistische Schätzung. Das bedeutet nicht, dass jeder mit 10.000 Yuan (ca. 12.000 Euro) zu Hause mit der Festplattenproduktion beginnen kann. Es bedeutet lediglich, dass die Technologie, die diesem Artikel zugrunde liegt, leicht reproduzierbar ist und eine niedrige Schwelle für die Verbreitung aufweist.

Kalte Technologie, heiße Zukunft

Eis ist definitiv kein Speichermedium, das in allen Szenarien gut funktioniert, und es kann Solid-State-Laufwerke, die enorme Vorteile in Bezug auf Speicherdichte und Haltbarkeit bieten, nicht vollständig ersetzen. Das bedeutet jedoch nicht, dass die Erforschung von Eis als Speichermedium Wunschdenken ist. Tatsächlich können die Herausforderungen, vor denen herkömmliche, auf Elektrizität basierende Speichertechnologien stehen, durch Eis gelöst werden.

Nehmen wir die Polarregionen als Beispiel. Herkömmliche elektronische Geräte sind nicht nur den niedrigen Temperaturen ausgesetzt, sondern auch dem Mangel an Elektrizität ausgesetzt. Das Hochladen riesiger Datenmengen per Satellit ist zudem teuer und instabil. In dieser weißen Welt kann ein scheinbar gewöhnliches Stück Eis wichtige Entdeckungen des gesamten wissenschaftlichen Expeditionsteams beherbergen.

Oder im Schatten eines Krieges können elektromagnetische Impulse leicht die Lebensader elektronischer Geräte unterbrechen. Eisspeicher verbrauchen nahezu keine Energie. Ein gewöhnliches Stück Eis kann das Gewicht eines Servers tragen. Es kann weder durch Wärmebildkameras identifiziert noch durch elektromagnetische Strahlung verfolgt werden. Es ist verborgen und sicher.

Aus einer anderen Perspektive ist Ice Storage im wahrsten Sinne des Wortes eine „Kaltspeicher“-Lösung. Daten, die aufbewahrt und gesichert, aber nicht häufig gelesen werden müssen, werden in Ice kodiert und können kostenlos gespeichert werden.

Eisspeicher sind besonders nützlich bei Strom- und Hardwareausfällen oder sogar in Weltuntergangsszenarien. Stellen Sie sich vor, wenn extreme Wetterbedingungen einen Tsunami auslösen oder die Menschheit töricht den letzten Weltkrieg beginnt und sich selbst in den Untergang treibt … Eisspeicher können als letzte „Informationsarche“ dienen, bis sich die Lebensumwelt der Erde erholt und die Gesellschaft wieder aufblüht.

Heute ist es Menschen gelungen, DNA aus Eis zu extrahieren und arktische Wölfe erfolgreich zu klonen. Warum also nicht, wenn die Menschheit überleben muss, auf Eis zurückgreifen, um jahrtausendealtes Wissen und kulturelles Erbe – den Beweis unserer Existenz – zu bewahren?

Natürlich sind diese Dinge aus der Mainstream-Perspektive zu weit weg, zu früh und zu unwichtig. Ändern wir also unsere Perspektive: Die dritte und vierte technologische Revolution, repräsentiert durch Internet und KI, haben auch enorme Mengen Elektroschrott auf die Erde gebracht. Die Verwendung von Eis zur Datenspeicherung spiegelt die gegenteilige Umweltphilosophie wider:

Die Berge von Elektroschrott in der nahen Zukunft der Science-Fiction-Filme sind nicht mehr weit entfernt. Wenn die Informationen gelesen werden und das Eis nicht mehr benötigt wird, kann es problemlos zu Wasser „abgebaut“ oder direkt für andere Zwecke wie Konservierung, Logistik, Lebensmittel und sogar im Bauwesen verwendet werden.

Apropos Architektur: Die Informationsspeicherung ist nicht die einzige Inspiration für Song Mengjies Team. In Tokio erkannte er, dass sich die Verwendung präzise gesteuerter Blasen nicht nur auf Eis beschränkt, sondern auch festere oder mehrphasige Materialien einschließt.

Vor einigen Tagen haben wir in unserem Büro am BIT über die Einsatzmöglichkeiten dieser Technologie in der Materialtechnik gesprochen.

Ob aufgrund des unumkehrbaren Klimawandels oder der explosionsartigen Entwicklung der Raumfahrttechnologie – eines Tages werden die Menschen zu einer „multiplanetaren Spezies“, wie Musk es nennt. Doch wenn Menschen auf dem Mond oder dem Mars leben, werden sie feststellen, dass ihnen die Materialien für großflächige Bauvorhaben fehlen. Viele Teams weltweit erforschen die Möglichkeit, Mondstaub durch hohe Temperaturen und hohen Druck zu festen Materialien zu verdichten, um ihn im Bauwesen zu nutzen.

Das Prinzip der Eisspeicherung ist auch hier anwendbar: Durch die Kontrolle physikalischer Größen wie Temperatur und Druck können Blasen (oder Fremdeinschlüsse) in verschiedenen Feststoffen gezielt erzeugt werden. Partikelgröße, Morphologie, Menge und Verteilung dieser Blasen verändern auch die physikalischen Eigenschaften des Feststoffes.

Angenommen, für den Bau eines Gebäudes werden Ziegel unterschiedlicher Formen benötigt. Auf der Erde erreichen wir dies durch Formguss, Schneiden oder Materialdruck, der auf außerirdischen Planeten nur schwer wiederverwendbar ist. Durch die Steuerung fester Materialien durch Blasen zum Drucken von „Ziegeln“ können diese jedoch per Hand oder Hammer in die gewünschte Form gebracht werden – dies verbessert die Baueffizienz und die Lebensqualität der Menschen im Weltraum erheblich.

(Diese Möglichkeiten werden im Artikel erwähnt, aber aufgrund einiger objektiver Regeln für die Annahme von Manuskripten in wissenschaftlichen Zeitschriften konzentriert sich dieser Artikel auf die Informationsspeicherung.)

In der großen Erzählung der technologischen Revolution sind die Menschen immer auf der Suche nach neuen Durchbrüchen – schneller, kleiner, stärker, intelligenter usw. Aber manchmal erfordert echte Innovation, „einen Schritt zurückzutreten“ und Dinge, die wir für selbstverständlich halten, neu zu untersuchen und zu nutzen.

Nach der Lektüre dieses Artikels kam ich zu einer kühnen Aussage: Die leistungsstärkste Technologie ist oft nicht die komplexeste und umfassendste, sondern sollte einfach, elegant und perfekt auf ein bestimmtes Szenario abgestimmt sein. Sie benötigt keine Seltenen Erden, keinen Elektroschrott und fast keinen Strom, sondern nur Wasser, kalte Luft und etwas menschlichen Einfallsreichtum.

Abschließend hoffe ich, dass Sie, die Sie diesen Artikel lesen, in Ihrem Leben nie auf Eisspeichertechnologie angewiesen sein werden. Doch wenn das Ende der Menschheit unausweichlich ist, mögen die Gletscher die Hoffnung auf eine Erholung bewahren.