Blockchain, die vermeidbare Energieverschwendung

Die Blockchain ist eine kontinuierlich erweiterbare Liste von Datensätzen, die durch ein kryptographisches Verfahren miteinander verkettet sind. Das Ganze hat allerdings einen erheblichen Nachteil, nämlich einen sehr hohen Energieverbrauch. Wie hoch dieser Verbrauch genau ist, bleibt im Dunkeln. In China und Island existieren riesige Serverfarmen, deren einzige Aufgabe darin besteht, Bitcoins zu minen. Durch „Mining“ werden neue Blöcke in einem rechenintensiven Prozess erschaffen und anschließend über das Netzwerk an die Teilnehmer verbreitet. Um einen Bitcoin zu schürfen, werden schätzungsweise 42.000 Kilowattstunden verbraucht. Zum Vergleich, ein Durchschnittshaushalt verbraucht im Jahr 3.500 Kilowattstunden. Zudem können nur sieben Transaktionen pro Minute verarbeitet werden. VISA verarbeitet beispielsweise hingegen in einer Sekunde etwa 24.000 Transaktionen.

Um zu verstehen, wieso der Energieverbrauch extrem hoch ist, möchte ich mit euch zunächst einen Blick auf den Aufbau der Blockchain werfen. Der Hauptbestandteil ist der Datenblock, in dem alle Transaktionen gespeichert sind. Da die Transaktionen alle öffentlich lesbar sind, kann der jeweilige Kontostand ermittelt und eine Transaktion überprüft werden. Damit allerdings nur der Kontoinhaber eine bestimmte Transaktion ausführen kann, wird diese mit dem privaten Schlüssel signiert. Die Grundlage für die asymmetrische Kryptografie wurde übrigens schon in den 70er Jahren erschaffen und kommt auch heutzutage – zum Beispiel beim Verschlüsseln von E-Mails – zum Einsatz.

Sobald der Block voll ist, werden vom Miner alle Transaktionen überprüft und der Hashwert generiert. Bei einem Hashwert handelt es sich um Prüfnummern, die für die Verschlüsselung von Nachrichten mit variabler Länge verwendet werden. Bei der Überprüfung von Transaktionen wird zuerst die Signatur geprüft, um zunächst den Absender zu verifizieren. Im Anschluss wird bewertet, ob der Absender überhaupt Coins – also die verwendete virtuelle Währung – besitzt. Dabei kann der Kontostand relativ einfach durch alle vorigen Transaktionen ermittelt werden. Sobald sich allerdings nur ein einzelner Wert im Block ändert, ist der Hashwert ein anderer und der Block ist ungültig. Somit kann im Nachhinein kein Wert manipuliert werden, ohne dass sich der Hashwert ändert. Ein neuer Block hat immer eine Referenz auf den vorigen, woraus dann eine „Blockkette“, also die Blockchain, entsteht.

Proof of Work als Grund der Energieverschwendung

Mit dem Konzept „Proof of Work“ wurde im Jahr 1992 von Cynthia Dwork und Moni Naor eine Methode für die Bekämpfung der Spammails vorgeschlagen. Die Idee ist relativ simpel: Vor jeder E-Mail sollte ein Arbeitsnachweis erbracht werden, wodurch sich das Versenden einer E-Mail um ein paar Sekunden verzögert. Für die meisten Nutzer ist die Verzögerung akzeptabel, für einen Spam-Versender stellt diese Verzögerung allerdings ein Problem dar, da die Anzahl der versendbaren E-Mails innerhalb eines Zeitintervalls deutlich ausgebremst wird.

Im Jahr 2008 wurde diese Idee mit Bitcoin für einen neuen Zweck verwendet. Denn auch hier muss der Miner zu jedem Block einen Arbeitsnachweis erbringen. Wie das im Einzelnen funktioniert, zeige ich euch: Bei Bitcoin muss ein Hash als Arbeitsnachweis berechnet werden. Damit dieser gültig ist, müssen die ersten X-Stellen vom Hash mit 0 beginnen. X wird dynamisch vom Blockchain-Netzwerk berechnet, damit die Schwierigkeit an die Weiterentwicklung der Hardware angepasst werden kann. Das hat zur Folge, dass der Hash nicht nur einmal berechnet werden muss. Falls der erste Hash nicht die Anforderung erfüllt, kann das Feld „Nonce“ im Header geändert werden, womit sich auch der komplette Hash ändert. Der Nonce-Wert muss so lange angepasst werden, bis der Hash mit genügend Nullstellen anfängt. In dieser Endlosschleife wird nun auch die ganze Energie verbraucht.

Welche Alternativen gibt es?

Als Lösung des Problems hat Sunny King im Jahr 2012 ein anderes Vorgehen vorgeschlagen, nämlich das Proof-of-Stake-Verfahren (PoS). Dabei wird, im Gegensatz zu Proof of Work, nicht ein rechenzeitintensiver Arbeitsnachweis verwendet. Es wird nämlich über eine gewichtete Zufallsauswahl die Zeit der Zugehörigkeit zum Blockchain-Netzwerk oder die Anzahl der Coins als Arbeitsnachweis benutzt. Ein entscheidender Vorteil, der deutlich Energie spart, denn es entfällt die verschwenderische Endlosschleife, die bei Proof of Work die Grundlage bildet.

Mit Ethereum Casper existiert außerdem noch eine weitere Alternative zu Bitcoin. Ethereum ist mit einer Marktkapitalisierung von 40 Milliarden Euro die zweitgrößte Kryptowährung nach Bitcoin. Ethereum hat im Mai dieses Jahres das Casper-Update veröffentlicht. In dieser Version wird der Umstieg von Proof of Work auf Proof of Stake eingeleitet. Im ersten Schritt werden beide Verfahren zusammen verwendet. Mit einem folgenden Update soll nur noch das PoS-Verfahren eingesetzt werden.

Fazit

Wie ihr gesehen habt, sind Blockchains richtige Energiefresser. Die Frage nach der Nachhaltigkeit dieser Technologie steht zwar weiterhin im Raum, aber es gibt durchaus Lösungsansätze, um dieses Problem in den Griff zu bekommen. Es bleibt also zu hoffen, dass sich das Proof-of-Stake-Verfahren durchsetzt und die Energieverschwendung damit beendet werden kann.

Ihr interessiert euch für weitere Themen aus dem Banking-Bereich? Dann werft doch auch einen Blick auf die bisher erschienenen Blog-Beiträge. Wenn ihr mehr zum Thema „Blockchain erfahren möchtet, empfehle ich euch den Artikel zum Thema „Wie funktioniert eine Blockchain“.