Die Erde wird wärmer, aber diese Leute benutzen Eis als „Festplatte“.

Die Speicherung von Informationen ist eines der Heiligen Grale der menschlichen Wissenschaft und Technologie (neben der AGI).

Von der Schrift auf Steintafeln bis zur Knotenaufzeichnung, von Lochkarten bis zu Magnetbändern und Festplatten hat die Menschheit alle Speichermedien ausprobiert, mit Erfolg und auch mit Misserfolg.

Jetzt haben Wissenschaftler der Peking Institute of Technology einen neuen Kandidaten für diesen Wettlauf hinzugefügt – ein Speichermedium, das uns seit Tausenden von Jahren unter der Nase liegt.

Eis. Das Eis, das man in den Kühlschrank packen und in Getränke geben kann. So einfach ist es.

Natürlich nicht, dass man auf Eis schreibt … sondern eine viel raffiniertere Methode: Die Kodierung von Informationen durch die Steuerung der winzigen Blasen, die beim Gefrieren eingeschlossen werden.

Diese Technologie klingt irgendwie kalt (Phrase wörtlich genommen), aber wenn man darüber nachdenkt: offline, kalt, schwer zu hacken – ist das nicht buchstäblich „Cold Storage“?

Die Naturfestplatte, kalt und alt

Die Erde wird wärmer, und jemand will tatsächlich Eis als Festplatte nutzen. Das ist eine ziemlich wilde Idee. Doch der dahinterliegende Grundsatz ist überraschend elegant und wurde bereits durch Jahrmilliarden von Zyklen als wirksam bewiesen:

Etwa 10 % der Erdoberfläche sind mit Eis bedeckt. Die Atmosphäre zirkuliert in das Wasser, und wenn das Wasser gefriert, wird die Atmosphäre in Form von „Eingeschlossenen Blasen“ eingeschlossen. Die alten Eiskerne auf der ganzen Welt verschließen so die Geheimnisse der uralten Atmosphäre und werden zu natürlichen Zeitkapseln. Sie sind eine Schatzkammer für Wissenschaftler, die die Erde vor Milliarden von Jahren wiederherstellen und neue Erkenntnisse zu den ungeklärten Rätseln über Umwelt und Evolution liefern.

Mit anderen Worten, wenn die Erde ein Computer wäre, dann wäre Eis seine „Festplatte“. Die nicht entweichenden Blasen wären unzählige Datenpunkte.

Abbildung: Die uralte Atmosphäre ist im Eis eingeschlossen, und die Menschen der späteren Zeit nutzen es, um die prähistorische Erde kennenzulernen

Wenn Sie das wissen, werden Sie vielleicht das nächste Mal, wenn Sie in eine Bar gehen, eine andere Gefühl haben: Der Barkeeper, der nach perfekten transparenten Eisklötzen strebt, kämpft tatsächlich gegen die Naturgesetze …

Die Frage, wie man die eingeschlossenen Blasen im Eis genauer steuern kann, beschäftigt auch Song Mengjie, ein Professor an der Peking Institute of Technology und Thermodynamikexperte. Er erzählte mir, dass er 2018 als Sonderforschungsbeauftragter an der Universität Tokio viele Forschungen an mikroskopischen eingeschlossenen Blasen durchgeführt und einen groben Ansatz zur Steuerung der Blasen entwickelt hat.

Diese Entdeckungen waren wie Samen in seinem Kopf und brachten neue Inspiration hervor:

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

Der Grundsatz der Blasensteuerung ist ziemlich einfach: Wenn Wasser gefriert, wird das gelöste Gas herausgedrückt und es bilden sich eingeschlossene Blasen. Wenn die Abkühlung zu schnell ist, sind die Blasen oval; langsamer entstehen nadelförmige Blasen; noch langsamer gibt es sogar keine Blasen – ein Trick, den erfahrene Barkeeper schon lange beherrschen.

Wenn man die Formen dieser Blasen mit 1 und 0, Punkten oder Strichen, Ein- und Ausschaltzuständen in Verbindung bringt, wird daraus eine Datenfolge, oder?

Aber diese Entdeckung allein reicht nicht aus. Wenn es nur eine einfache Abbildung von 1 und 0 wäre, könnte ein Eisblock möglicherweise nicht einmal einen ganzen Satz speichern. Das Team muss die Effizienz der Informationskodierung und die Speicherdichte verbessern, damit diese Entdeckung realitätsnah wird.

Das Team der Peking Institute of Technology hat eine Vorrichtung gebaut, die man sich wie einen „2D-Drucker“ für Eis vorstellen kann: Zwischen transparenten Kunststoffplatten wird eine Schicht Wasser eingeschlossen, darunter befindet sich eine Kaltplatte, die die Temperatur präzise steuert. Durch präzise Signalverarbeitung wird für die Kaltplatte eine perfekte Temperaturkurve erstellt.

Indem man die beiden Variablen Temperatur und Zeit steuert, kann das Team stabile und effiziente geordnete Blasen erzeugen. Das ist die Kodierung, aber es ist eher wie das Schaffen eines Bildes im Eis.

Der Prozess der Blasenerzeugung (Kodierung)

Der Dekodierungsprozess ist ebenfalls einfach und elegant und hat eine Schönheit, die Programmierer verstehen können: Man macht ein Foto des Eises, wandelt es in ein Graustufenbild um, und ein Computer-Vision-Algorithmus übernimmt den Rest. Die Software liest Informationen wie die Größe, Form, Anzahl und Verteilung der Blasen und übersetzt sie in Binärcode oder Morsecode.

Die logische Darstellung des Kodierungs- und Dekodierungssystems

Kodierung und Dekodierung der Felder CN (China) und BJ (Peking) mit Morsecode

Endlich hat die Menschheit die Fähigkeit erworben, mit Eis zu kommunizieren. Das klingt wie Science-Fiction, aber die Realität ist oft spannender als die Vorstellung.

Stellen Sie sich vor, in einem 007-Film bekommt Bond, der sich an trockenen Martini gewöhnt hat, ein Cocktail mit einem großen quadratischen Eisblock. Der Blick des Barkeepers lässt ihn ahnen, dass es darin etwas Geheimes gibt. Bond liest mit seinen intelligenten Brillen schnell die Blasen im Eis aus, und die Übergabe der Geheiminformationen ist abgeschlossen.

Natürlich gibt es noch einen langen Weg von dem Labor bis zu einem Hollywood-Blockbuster.

In der Realität gesteht Professor Song ein, dass die Speicherdichte des Eises zwar nicht so hoch wie die herkömmlicher Festplatten ist, aber weit über den ursprünglichen Erwartungen des Teams liegt: Ein 10 x 10 cm großes Eisblatt „kann ungefähr die Informationen von 3 oder 4 Seiten Papier speichern.“

Obwohl es nicht so schnell wie ein SSD in einem Computer ist, ist es zumindest für ein buchstäblich „kaltes“ Speichersystem schon ziemlich gut. Der Fortschritt bei der Speicherdichte hängt nicht vom Forschungsteam ab, sondern von der Branche. Diese Forschung liegt eher im Bereich der Grundlagenwissenschaft als in der Demonstration von Anwendungsmöglichkeiten.

Als ich ihn nach der Schwierigkeit der Reproduktion dieser Technologie fragte, sagte Professor Song, dass man mit handelsüblichen Standardhardware und einer gewissen Fertigkeit im Umgang mit Computern und der Technik es ziemlich gut reproduzieren kann, und dass es „etwa 10.000 Yuan“ kosten würde.

Natürlich ist das nur eine grobe und optimistische Schätzung. Es heißt nicht, dass jeder zu Hause für 10.000 Yuan Festplatten produzieren kann – sondern, dass die Technologie hinter dieser Studie nicht so schwer zu reproduzieren ist und die Schwelle für die Verbreitung niedrig ist.

Abbildung: Die Eismaschine (B) und das Konfigurationsschema des gesamten Kodierungs- und Dekodierungssystems (A)

Kalte Technologie, heiße Zukunft

Eis ist sicherlich nicht in allen Szenarien ein guter Speicherträger und kann die Solid-State-Drives, die in Bezug auf Speicherdichte und Haltbarkeit große Vorteile haben, nicht vollständig ersetzen. Das bedeutet aber nicht, dass die Erforschung von Eis als Speichermedium eine pipe-dream ist.

Die Herausforderungen, denen die auf Elektrizität basierende herkömmliche Speichertechnologie gegenübersteht, können von Eis gelöst werden.

Nehmen wir die Pole als Beispiel. Herkömmliche elektronische Geräte sind nicht nur den niedrigen Temperaturen ausgesetzt, sondern auch an einem Mangel an elektrischer Energie. Das Hochladen von Masseninformationen über Satelliten ist teuer und instabil. In der weißen Welt könnte ein scheinbar normales Eisblock die wichtigen Entdeckungen eines gesamten Forschungsteams tragen.

Oder im Schatten eines Krieges kann ein elektromagnetischer Impuls die Lebensader elektronischer Geräte leicht unterbrechen. Das Eis-Speichersystem verbraucht fast keine Energie. Ein normaler Eisblock könnte die Aufgabe eines Servers übernehmen, kann nicht von Wärmebildern erkannt und von elektromagnetischer Strahlung verfolgt werden, und ist somit versteckt und sicher.

Betrachtet man es von einer anderen Seite, ist das Eis-Speichersystem sogar ein buchstäblich „kaltes“ Speichersystem. Man kann die Daten, die man als Backup aufbewahren möchte und die nicht häufig gelesen werden müssen, in Eis kodieren und kostenlos aufbewahren.

Insbesondere in Situationen, in denen die Elektrizität und die Hardware ausfallen oder sogar in einer Weltuntergangsszenerie, kann das Eis-Speichersystem seine Stärken zeigen. Stellen Sie sich vor, wenn extreme Klimaveränderungen gigantische Tsunamis verursachen oder die Menschheit dummerweise den letzten Weltkrieg auslöst und sich selbst dem Untergang preisgibt … Das Eis-Speichersystem könnte als letzte „Informationsarche“ dienen, bis die Umweltbedingungen auf der Erde sich verbessern und die Gesellschaft wieder aufblüht.

Heute extrahieren die Menschen DNA aus Eis und klonen erfolgreich einen Polarfuchs. Wenn es um das Überleben der Menschheit geht, warum sollte man sich nicht an Eis wenden, um tausend Jahre alte Wissen und kulturelle Überlieferungen – den Beweis seiner eigenen Existenz – zu bewahren?

Genauso kann die Menschheit mit Eis Informationen an die Nachkommen senden, wie in einer unzerbrechlichen und nie verlorenen Flaschenpost.

Natürlich erscheinen diese Dinge aus der Hauptstromperspektive zu weit entfernt, zu früh und zu unwichtig. Also betrachten wir es von einer anderen Seite: Die dritte und vierte Technologierevolution, repräsentiert durch das Internet und die KI, haben auch eine Übermenge an elektronischen Abfällen auf der Erde verursacht. Die Verwendung von Eis zur Datenspeicherung ist genau ein Ausdruck einer umweltfreundlichen Philosophie, die dem entgegengesetzt ist:

Die Berge aus elektronischen Abfällen in der nahen Zukunft in Science-Fiction-Filmen sind nicht weit entfernt. Wenn die Informationen ausgelesen sind und das Eis nicht mehr benötigt wird, kann es perfekt zu Wasser „abbauen“ oder direkt für andere Zwecke eingesetzt werden, wie zum Beispiel zur Konservierung, im Logistikbereich, als Nahrungsmittel oder sogar im Bauwesen.

Was das Bauwesen betrifft – die Informationsspeicherung war nicht die einzige Inspiration für das Team um Song Mengjie. In Tokio erkannte er, dass die genaue Steuerung von Blasen nicht nur auf Eis anwendbar ist, sondern auch auf andere feste oder mehrphasige Materialien.

Vor ein paar Tagen haben wir in seinem Büro an der Peking Institute of Technology über die Perspektiven dieser Technologie in der Materialwissenschaft gesprochen.

Angenommen, egal ob aufgrund irreversibler Klimawandel oder eines Sprungs in der Raumfahrttechnik, wird die Menschheit eines Tages zu einer „mehrplanetaren Spezies“ wie Elon Musk sagt. Aber wenn die Menschen auf dem Mond oder auf dem Mars leben, werden sie feststellen, dass es an Materialien für den Bau von Gebäuden fehlt. Viele Teams auf der Welt forschen an der Möglichkeit, Mondstaub durch Hochtemperatur und Hochdruck in feste Materialien zu verwandeln, die für den Bau verwendet werden können.

Der Grundsatz des Eis-Speichersystems kann auch hier angewendet werden: Durch die Steuerung von physikalischen Größen wie Temperatur und Druck kann man in verschiedenen festen Materialien präzise Blasen (oder Fremdkörper-Einschlüsse) erzeugen. Die Größe, Form, Anzahl und Verteilung dieser Blasen verändern auch die physikalischen Eigenschaften der festen Materialien.