Ach, wären Menschen doch so vernünftig wie Fische! In Fischschwärmen gibt es keinen Stau. Tausende von Tieren bewegen sich mit gleicher Geschwindigkeit bei minimalem Abstand elegant durchs Wasser, keiner drängelt, überholt oder wechselt plötzlich die Spur.

Aber Fische kommen auch nicht auf die Idee, am ersten Samstag der Schulferien morgens ins Auto zu steigen und Richtung Italien zu fahren. Gegen den 150-Kilometer-Stau, der bei solchen Gelegenheiten entsteht, gibt es kein Mittel – es sei denn, man betonierte die Republik flächendeckend mit Straßen zu. Ab einer bestimmten Zahl von Fahrzeugen geht eben nichts mehr auf der Autobahn.

Die gewöhnlichen Staus hingegen, der Stop-and-Go-Verkehr am Morgen, die Schlange vor der Tempo-60-Zone an der Autobahnbaustelle – dagegen lässt sich durchaus etwas unternehmen. Das jedenfalls behauptet Dirk Helbing, der an der Technischen Universität Dresden das Institut für Wirtschaft und Verkehr leitet. "Die meisten Staus sind vermeidbar", sagt Helbing, "unsere Straßen könnten deutlich mehr Verkehr verkraften." Seinen Optimismus schöpft er aus den Stausimulationen, die er und andere Forscher in den letzten Jahren perfektioniert haben.

Dass meist Physiker diese Simulationen betreiben, hat seinen Grund: Ein Fahrzeugstrom auf der Autobahn gehorcht ähnlichen Gesetzen wie die Bewegung eines Gases oder einer Flüssigkeit in einem Rohr. Im so genannten Nagel-Schreckenberg-Modell – von den Experten auch zärtlich "Nasch-Modell" genannt – wird dabei der Verkehr auf eine Art Mensch-ärgere-Dich-nicht- Spiel reduziert: Die Straße besteht aus einzelnen Feldern von 7,5 Meter Länge, die entweder von einem Auto besetzt sind oder nicht. Je nach Geschwindigkeit rückt ein Auto in einem Zug ein oder mehrere Felder weiter – natürlich nur, wenn diese Felder frei sind.

Schon mit diesem simplen Modell lässt sich das Entstehen von Staus erstaunlich gut simulieren. Inzwischen kann jeder im Internet auch komplexere Verkehrsvarianten durchspielen, mit mehreren Spuren und unterschiedlich schnellen Fahrzeugen. Über einen "Höflichkeitsfaktor" lässt sich sogar die Aggressivität der Fahrer einstellen.

Dass diese Modelle mehr als Spielerei sind, haben Helbing und seine Mitarbeiter jetzt eindrucksvoll bewiesen: Zunächst fanden sie in ihren Simulationen fünf verschiedene Formen des Staus (siehe Grafik). Und dann gelang ihnen anhand der Daten einer halbjährigen Verkehrsmessung in einem Abschnitt der A5 in der Nähe von Frankfurt der Beweis, dass diese fünf Stautypen tatsächlich in der Wirklichkeit vorkommen – und dass es offenbar keine weiteren Spielarten gibt. "Die Verkehrsforschung hat den Rang einer Naturwissenschaft erreicht", sagt Helbing stolz.

Beim Übergang von der freien Fahrt über den Kolonnenverkehr bis zum Stau macht der Verkehr Phasenübergänge durch – ähnlich wie ein Stoff, der vom gasförmigen über den flüssigen zum festen Zustand übergeht. Freier Verkehr entspricht einem Gas: Die einzelnen Teilchen, also die Autos, bewegen sich unabhängig voneinander wie frei umherschwirrende Moleküle (nur die Zusammenstöße bleiben hoffentlich aus). Wird der Verkehr dichter, dann fließt er wie Wasser: Die einzelnen Fahrer müssen ihr Verhalten dem Vordermann anpassen, sie verlieren gewissermaßen ihre Individualität. In diesem Aggregatzustand entspricht der Transport von Menschen in Blechdosen am ehesten dem Fischschwarm – so fließt der Verkehr am besten. Aber wehe, wenn zu viele Fahrer auf ihrer Individualität beharren, die Spur wechseln und unbedingt überholen wollen, dann geht der flüssige Zustand allzu leicht in den festen über: Der Verkehr klumpt, friert schließlich ein, und der ADAC kann mit der Verteilung von Erfrischungen beginnen.

Doch bei welcher Fahrgeschwindigkeit ist der Durchsatz an Fahrzeugen nun am größten? Die naive Vorstellung sagt: wenn die Autos möglichst schnell fahren. Auch mancher Lobbyist sieht ja in der Aufhebung von Geschwindigkeitsbeschränkungen die Lösung des Stauproblems. Aber das ist Unsinn, denn auch der rasanteste Fahrer muss bei höherem Tempo mehr Abstand zum Vordermann halten. Und dadurch passen auf einen Autobahnkilometer weniger Fahrzeuge als bei langsamerer Fahrt.

In der Praxis hat sich erwiesen, dass der Verkehrsfluss am höchsten ist, wenn die Autos mit einem Tempo von 85 Stundenkilometern fahren. Dann ist der Frust der Fahrer nicht zu groß, und die Autos folgen dicht genug hintereinander, um das Lückenspringen im Rahmen zu halten. Bei einem solchen entindividualisierten Fahrzeugschwarm verkraftet eine Autobahnspur bis zu 2600 Autos pro Stunde. Sobald es einmal zum Stau gekommen ist, sinkt diese Zahl – selbst wenn die Bahn wieder frei ist, fahren pro Spur und Stunde nur noch 1800 Fahrzeuge.

Sobald sich die Kolonne mit weniger als 85 Kilometern pro Stunde bewegt, wird die Situation instabil. Es mag eine Weile gut gehen, aber die geringste Störung genügt, um den Verkehr vom flüssigen in den zähfließenden oder stockenden Zustand übergehen zu lassen. Kleine Ursache, große Wirkung: Verkehrssimulationen sind nicht ohne Grund mit Methoden der Chaostheorie verwandt. Ein Fahrer, der unaufmerksam war, bremst vielleicht zu stark – und löst eine Kettenreaktion aus, die zum gefürchteten "Stau aus dem Nichts" führt. Meist aber entsteht der Stau durch Störungen wie Baustellen, Spurverengungen, Unfälle oder Auffahrten, wie in dem Beispiel rechts. Manchmal ist der Verkehrsfluss so labil, dass paradoxerweise ein Stau sogar dann entstehen kann, wenn sich an einer Ausfahrt die Zahl der Fahrzeuge reduziert.

Die Katalogisierung der verschiedenen Stauarten wäre wissenschaftliches L’Art pour l’art, wenn daraus keine praktischen Lehren gezogen werden könnten. Aber die gibt es, sagt Dirk Helbing. Um einen Stau an einer Autobahnauffahrt zu vermeiden, kann man zum Beispiel eine Ampel einrichten, die nur zeitweise die Zufahrt freigibt. Solche Systeme sind in den USA verbreitet, in Deutschland sind sie mit Erfolg an der Münchner Messe und im Ruhrgebiet im Einsatz – in einer "intelligenten" Variante, bei der die Grünphasen an den Verkehrsfluss der Autobahn angepasst werden. Variable Tempolimits haben auf einigen Autobahnabschnitten nicht nur die Zahl der Unfälle um 30 Prozent reduziert, sondern auch manchen Stau verhindert. Besonders viel verspricht sich Helbing von elektronischen Assistenzsystemen im Auto, bei deren Entwicklung er in einem vom Forschungsministerium geförderten Projekt die Firma VW berät. Solche Helfer halten den Wagen auf dem optimalen Abstand zum Vordermann, bremsen prompter und beschleunigen intelligenter als ein Mensch. Helbings Team hat in Simulationen zeigen können, dass sich die Verkehrslage schon dann merklich verbessert, wenn ein paar Prozent der Autos assistiert fahren.

Tatsächlich finden die Erkenntnisse der Stauphysik immer mehr Eingang in die Praxis: In Nordrhein-Westfalen bietet der WDR eine Internet-Stauprognose an, entwickelt vom Stauforschungspionier Michael Schreckenberg von der Universität Duisburg. Sie sagt die Tendenz des Verkehrs der nächsten Stunde schon recht zuverlässig vorher. Ein Team der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich simuliert sogar schon den Verkehr der gesamten Schweiz für einen ganzen Tag – Auto für Auto.

Allerdings genießen die unterschiedlichen Anti-Stau-Hilfen heute noch einen zweifelhaften Ruf. Zu oft hat sich der Stau schon längst aufgelöst, wenn er im Radio gemeldet wird. Oder das variable Verkehrsschild zwingt noch zu Tempo 80, obwohl die Straße wieder frei ist. Die Autofahrer reagieren schnell frustriert auf solche Fehler. Daher mahnt Dirk Helbing: "Man sollte so ein System nicht in Betrieb nehmen, bevor es hundertprozentig funktioniert." Sonst wird der Mensch nie zum Fisch.