Das entfesselte Elektrorad
Saarbrücken · Ob Auto oder elektrische Zahnbürste – kein digitales Gerät kommt ohne spezielle Steuerchips aus, die in der Fachwelt als „Embedded Systems“ bezeichnet werden. Weil ihre Programmierung Betriebsgeheimnis ist, sind sie Segen und Fluch zugleich. Sie verhindern zum Beispiel, dass Komponenten unterschiedlicher Hersteller ausgetauscht werden können. Das will der Saarbrücker Informatiker Holger Hermanns ändern. Er beginnt beim Elektrofahrrad.
Die Central Processing Unit, kurz CPU, ist der wichtigste Baustein eines Computersystems. Mehrere Milliarden dieser Mikrochips werden in jedem Jahr hergestellt, fast ein halbe Billion Dollar Umsatz macht die Branche damit. Wer nun allerdings annimmt, der Ausstoß der Produktionsanlagen sei allein für PCs oder Smartphones bestimmt, der liegt falsch. Der überwiegende Teil wandert in sogenannte Embedded Systems (Eingebettete Systeme), massenweise produzierte elektronische Billig-Bauteile, die in Autos, Rasenmäher, Waschmaschinen und neuerdings auch in Fahrräder eingebaut werden.
Wie bei der großen CPU gilt auch bei seinem kleinen Bruder, dem Mikrocontroller : Ohne Software läuft nichts. Doch nach Überzeugung des Saarbrücker Informatik-Professors Holger Hermanns läuft gerade an diesem Punkt so einiges schief. Selbst für Fachleute, so der Informatiker der Saar-Uni, ist das Innenleben solcher Chips undurchschaubar. Denn über ihre eingebettete Software wisse nur der Hersteller Bescheid - und der wiederum wisse aus seinem Herrschaftswissen Kapital zu schlagen. Weil der Benutzer vom Innenleben der Chips ausgesperrt sei, sei er bei Reparatur, Wartung und allen Dienstleistungen rund um Geräte mit eingebetteter Software vom Produzenten abhängig. Der lege auch fest, welche Elektronikkomponenten zusammenarbeiten und welche Ladegeräte an welche Batterien angeschlossen werden können.
"Wir verlieren durch die eingebettete Software die Kontrolle über unsere Geräte", warnt der Saarbrücker Forscher. Diese Tendenz, den Nutzer auszusperren, greife auch bei Autos und Smart-TVs um sich. Und das treibt den Informatiker Hermanns nun zum Handeln. Der Professor der Saar-Uni will in den nächsten fünf Jahren den Grundstein für die Entwicklung sogenannter quelloffener Software für solche Mikrochips legen. Dies soll einen herstellerübergreifenden Austausch elektronischer Bauteile im Fahrrad der Zukunft ermöglichen. Der EU-Forschungsrat ERC hat das Projekt "Powver" ("Power to the People. Verified") der Saar-Uni mit dem Forschungspreis ERC Advanced Grant ausgezeichnet. Er ist mit 2,4 Millionen Euro dotiert (wir haben berichtet).
Von quelloffener Software (Open Source) sprechen Informatiker, wenn zu einem ausführbaren Computerprogramm auch der Programmcode veröffentlicht wird, so dass Fachleute ihn überprüfen, modifizieren und gegebenenfalls Fehler beheben können. Ein Beispiel aus der Computerwelt ist das offene Betriebssystem Linux, Gegenbeispiele sind die IT-Konzerne Microsoft und Apple mit ihren Systemen Windows und OS X.
Mikrochips mit eingebetteter Open-Source-Software, für die es mathematisch beweisbare Garantien der Betriebssicherheit gibt, würden den Austausch einzelner Komponenten möglich machen, so Hermanns. Das wäre das Gegenteil der Situation in der Automobilindustrie, wo es noch nicht einmal einen genormten Stecker für Elektromobile gibt.
Das soll sich beim Elektrofahrrad nicht wiederholen, hat sich der Saarbrücker Wissenschaftler vorgenommen. Die sogenannten Pedelecs kurbeln derzeit mit Wachstumsraten bis zu 25 Prozent pro Jahr den Umsatz der Branche an. Mit dem Drahtesel von einst hat das Elektrorad der Zukunft freilich nichts mehr gemein. Es wird ein Hightech-Paket auf Rädern sein, vollgestopft mit Elektronik, die nicht nur die Stromversorgung kontrolliert, Antrieb und Einstellung der Federung regelt, sondern auch schalten und bremsen kann. "Das ist nichts mehr, was man mit einem Schraubenzieher selbst reparieren könnte." Weil die Programmierung der Steuerchips, die diese Funktionen regeln, auch für Fachleute undurchschaubar sei, sei es in der Regel nicht einmal möglich, Bauteile zu tauschen. Der Fahrradfahrer sei damit wie der Autobesitzer auf Komponenten eines Herstellers und die Dienste einer Markenwerkstatt angewiesen. "Das ist gut fürs Unternehmen, aber schlecht für den Kunden."
Dagegen setzt Hermanns nun sein ausgezeichnetes "Powver"-Konzept, das Software für Mikrocontroller , wie sie in Elektrorädern verwendet werden, zertifizieren soll. Ein solches Zertifikat würde zum Beispiel garantieren, dass Netzteile des Herstellers X Batterien des Herstellers Y problemlos aufladen können und dass der Generator der Rekuperationsbremse den Akku eines Fremdherstellers nicht grillt. Die Saarbrücker Informatiker entwickeln unter anderem digitale Batteriemodelle, die jedes einzelne Speicherelement eines Akkumulators simulieren können und damit präzise Aussagen über die Kapazität der gesamten Batterie erlauben sollen. Werden Steuerimpulse der Chips einer elektronischen Schaltung oder Bremse unter allen Umständen rechtzeitig an die Aktoren des Hightech-Rades weitergeleitet? Auch solche Sicherheitsfragen soll die Software beantworten, die am Lehrstuhl von Holger Hermanns entwickelt wird.
Der Informatiker ist Experte auf dem Gebiet der Quantitativen Verfikation, die sich mit mathematischen Grundlagen digitaler Systeme befasst, um zum Beispiel deren Betriebssicherheit zu beweisen. Im Zusammenspiel mit einem von der EU initiierten, sogenannten Bus-System, das Normen für elektronische Komponenten eines Elektrofahrrads festlegt, könnte daraus am Ende ein offener Standard für Pedelecs werden, hofft Holger Hermanns. Wobei er nicht nur die Radfahrer aus der Abhängigkeit von den verriegelten Mikrochips befreien will. Von Anwendungen in der Raumfahrt bis zum Rasenroboter auf der Erde setzten immer mehr elektrische Geräte auf Energie aus der Batterie. Da gebe es in den kommenden Jahren jede Menge Arbeit, um die digitale Steuerung solcher Stromspeicher auf Vordermann zu bringen.
