Am 31. Oktober 2008 veröffentlichte ein gewisser Satoshi Nakamoto einen wissenschaftlichen Aufsatz. Satoshi wer? Ein mutiger Student vielleicht? Gefühlt war es der hundertste Anlauf, ein Problem zu lösen, das bis dahin alle virtuellen Währungen plagte. Wie verhindert man, dass digitales Geld zweimal ausgegeben werden kann, lassen sich doch alle Daten beliebig kopieren? In der Welt der realen Währungen wachen Banken oder Clearinghäuser darüber, dass alle Buchungen korrekt sind. Nakamoto behauptete nun, eine Lösung zu haben, die ohne zentrale Prüfstellen auskommt und zugleich fälschungssicher ist.

Nakamoto lieferte bald eine selbst geschriebene Software nach und lud Programmierer ein, sie auszuprobieren und mit ihm weiterzuentwickeln. Am 3. Januar 2009 um 18.15 Uhr Weltzeit startete er das System. Dessen Name: Bitcoin. Nakamoto ahnte wohl selbst nicht, welchen Hype er damit auslösen würde. "Das Geld der Zukunft", "das Ende der Banken" – Digital- und Finanzexperten überschlugen sich vor Begeisterung.

Doch da war Nakamoto schon abgetaucht. Seine Software übergab er einem Team von Entwicklern und stellte fortan seine Kommunikation mit ihnen ein. Ob Nakamoto ein Mann, eine Frau, eine Gruppe ist, niemand weiß es bis heute. Doch schon seine E-Mail-Adresse bei gmx.com hätte Zweifel daran aufkommen lassen müssen, ob hier wirklich ein japanischer Programmierer am Werk war, wie er von sich behauptete.

Klar ist jedoch, dass Nakamoto etwas Außergewöhnliches geschaffen hat. Damit ist nicht die Digitalwährung Bitcoin selbst gemeint. Die hat Spekulationsblasen erlebt, so wie andere Währungen, zwischenzeitlich stieg der Wert eines Bitcoin auf 20.000 Dollar. Nein, Nakamoto fügte theoretische Überlegungen, die zum Teil seit den 1980er Jahren kursierten, zu einer neuen Art von Datenbank zusammen, die auf viele Tausend Rechner verteilt und durch Verfahren aus der Kryptografie gegen Manipulation geschützt ist. Die vielleicht größte Umwälzung seit Erfindung der doppelten Buchführung. Ihr Name: Blockchain, auf Deutsch: Kette von Blöcken. Der Bitcoin war nur die erste Anwendung.

Was genau ist die Blockchain, am Beispiel des Bitcoin? Sie ist die Geschichte aller Bitcoins, die je geschaffen oder überwiesen wurden. Anstatt in einem zentralen digitalen Kassenbuch ist diese Geschichte jedoch in sogenannten Blöcken festgehalten. Sie liefern den Nachweis, dass jemand zu einem Zeitpunkt genug Bitcoins bekommen hat, um sie ausgeben zu können.

Dieser Text stammt aus dem ZEIT WISSEN Magazin 3/18.

In den Blöcken werden bis zu tausend Überweisungen zusammengefasst und dank mathematischer Finesse mit älteren Blöcken verkettet. Diese Verkettung erfolgt über eine Reihe von Prüfzahlen, sogenannten Hashs. Ändert jemand nachträglich auch nur ein Bit in einer älteren Überweisung, würde dies deren Hash und damit alle in der Kette folgenden Hashs verfälschen. Die Manipulation würde sofort durch die vielen anderen Rechner im System entdeckt.

Die Knotenrechner sammeln in Abständen alle neuen Überweisungen, um sie zu einem Bündel, sprich einem neuen Block zu schnüren. Die Knotenrechner müssen dabei zwei Aufgaben erledigen: zum einen jede Transaktion auf ihre Richtigkeit prüfen, also in älteren Blöcken prüfen, ob jemand wirklich genug Bitcoins bekommen hat, um sie nun an jemand anders zu überweisen. Die korrekten Transaktionen werden dann alle mit einem Hash, also einer Prüfzahl, versehen.

Die zweite Aufgabe des Knotenrechners ist dann, aus dem Gesamt-Hash der gesammelten Transaktionen, dem Zeitstempel des Blocks und der Prüfzahl des letzten schon existierenden Blocks einen eigenen Hash für den neuen Block zu berechnen. Dazu muss der Knotenrechner ein mathematisches Rätsel mithilfe einer "Nonce" genannten Zahl suchen.

Das Bitcoin-"Mining"

Die Nonce ist die Unbekannte. Viele Knotenrechner versuchen nun im Wettstreit, innerhalb von zehn Minuten die aktuellen Transaktionen zu prüfen und die richtige Nonce zu finden. Der siegreiche Rechner bekommt einen Satz Bitcoins gutgeschrieben. Die unterlegenen Blöcke prüfen die Nonce: Ist sie richtig, wird der neue Block der Kette der bisherigen Blöcke als gültig hinzugefügt. Mit dem vorherigen Block ist er verkettet, weil dessen Hash in die Berechnung des eigenen Hashs einging.

Diese Prozedur wird als Arbeitsnachweis, englisch proof of work, bezeichnet. Das bedeutet, dass Knotenrechner Bitcoins erhalten, wenn sie am Ausbau der Blockchain mitgerechnet haben. Erst diese Rechenleistung bringt überhaupt Bitcoins hervor, weshalb diese Arbeit auch "Mining" genannt wird, als ob virtuelles Gold in einem virtuellen Bergbau geschürft wird.

Die Begeisterung, die das Bitcoin-System anfangs auslöste, hatte sicher mit der Finanzkrise von 2008 zu tun. Denn die hatte das internationale Bankensystem in den Augen vieler Menschen in Misskredit gebracht. Der Bitcoin zeigte, dass Geld auch dezentral, online und ohne Banken erschaffen werden kann. "Aber eigentlich ist der Bitcoin für Finanzgeschäfte ungeeignet", sagt Wolfgang Prinz vom Fraunhofer Blockchain-Labor am Fraunhofer-Institut für Angewandte Informationstechnik in St. Augustin.

Die Gesamtzahl aller Bitcoins, die je entstehen kann, ist von Nakamoto in der Software aus ideologischen Gründen auf 21 Millionen festgelegt worden. Rund 17 Millionen sind bereits vorhanden. Weil sich die Anzahl von Bitcoins pro Block alle vier Jahre halbiert und ein neuer Block alle zehn Minuten entsteht, wird die volle Zahl erst um das Jahr 2140 erreicht werden.

Doch die Bitcoin-Blockchain arbeitet ineffizient: Zum einen wickelt sie nur wenige Transaktionen pro Sekunde ab. Vor allem aber verschlingt die Blockchain des Bitcoin-Systems Unmengen an Energie. Der Analyst Alex de Vries hat geschätzt, dass die etwa 12.000 Knotenrechner zusammen so viel Strom verbrauchen wie Nigeria, ein Land mit 186 Millionen Einwohnern. Ein mächtiger Knoten befindet sich in der Mongolei, er bezieht seinen Strom aus Kohlekraft. CO₂-Ausstoß pro Betriebsstunde: mindestens 24 Tonnen, so viel wie ein Durchschnitts-Auto über eine Strecke von 200.000 Kilometern ausstößt.

Der Grund: Bei den Knoten handelt es sich inzwischen um gewaltige Rechnerfarmen. Es ist der Wettbewerb der Knoten, der zu dieser absurden Aufrüstung an Rechenleistung führt. Im Prinzip kann auch ein durchschnittlicher Computer die Nonce und damit den Hash eines Blocks herausfinden, so wie es Nakamoto beim ersten, dem Genesis-Block, vorgesehen hatte. Je mehr Computer man besitzt, desto besser. Nur mächtige Computerfarmen können heute all die Zahlen, die als Nonce funktionieren könnten, durchprobieren.

Dennoch sind Unternehmen auf der ganzen Welt elektrisiert von den Möglichkeiten der Blockchain-Technologie. Mit ihr können Transaktionen aller Art ohne dazwischengeschaltete Institutionen unverfälschbar, sicher und jederzeit nachprüfbar abgewickelt werden. Eine Blockchain kann nicht nur die Buchführung von Banken ersetzen, sondern auch Grundbuchämter, die den Verkauf von Immobilien festhalten, oder zentrale Server, die etwa vertrauliche Krankenakten oder interne Unternehmensdokumente speichern. Das geht aber nicht, wenn eine Blockchain ein langsames, Energie zehrendes Monster ist. Verschiedene Ansätze wollen den Konstruktionsfehler des Bitcoin vermeiden.

Die 2015 gestartete Blockchain des Ethereum-Systems etwa nutzt einen anderen Hash-Algorithmus, mit dem die Knotenrechner ihren Proof of Work erbringen. Während Bitcoins den Algorithmus SHA-256 verwenden, der speziell getrimmte Rechner begünstigt und damit das Wettrüsten anstachelt, setzt Ethereum auf einen Algorithmus namens KECCAK-256, bei dessen Berechnung Spezialchips nicht weiterhelfen. Dadurch wird das Erschaffen eines neuen Blocks auf sehr viel mehr Knotenrechner verteilt als beim Bitcoin. Neue Blöcke in der Ethereum-Kette entstehen nicht im Zehnminutentakt, sondern alle 15 Sekunden. Das System schafft vier- bis fünfmal so viele Transaktionen pro Sekunde wie das Bitcoin-Verfahren.

Das Nachhaltigkeitsproblem

Nicht nur deshalb hat sich Ethereum neben dem Bitcoin als wichtigste Blockchain etabliert. Das System kann neben Überweisungen der Ether genannten Kryptowährung auch kleine Programme ausführen, sogenannte Smart Contracts. Die könnten zum Beispiel Geräte wie "intelligente" Stromzähler steuern. Die gemeinnützige EnergyWeb Foundation hat kürzlich eine auf dem Ethereum-System basierende Blockchain namens Tobalaba gestartet. Mit ihr soll getestet werden, wie Energieversorger und Geräte in angeschlossenen Haushalten die Energieversorgung der Zukunft effizienter und sicherer machen. Sie soll langfristig helfen, viele kleinere Erzeuger erneuerbarer Energien mit wenig Aufwand in das Stromnetz einzubinden.

Das Ethereum-System ist auch die Grundlage der in London ansässigen Firma Project Provenance. Sie hat in verschiedenen Feldversuchen gezeigt, wie mithilfe der Blockchain-Technologie ein tatsächlich drängendes Problem gelöst werden kann: die Rückverfolgbarkeit von Lebensmitteln. In einem Pilotversuch wurde etwa die Lieferkette von Thunfisch in einer Blockchain festgehalten. Fischer in Indonesien registrieren per SMS ihren Fang. Wird der Fisch in einer Fabrik in Konservendosen weiterverarbeitet, erhält jede Dose einen digitalen Code, der sie dem Fisch zuordnet und zum Teil der Blockchain macht. Über diesen Code kann sich dann ein Verbraucher in England in die Blockchain einklinken und alle wichtigen Informationen über die Lieferkette abrufen. Die britische Einzelhandelsgenossenschaft Coop will mit Project Provenance ihre Lieferketten per Blockchain dokumentieren.

Zwar könnte auch hier noch geschummelt werden. Aber die Vorteile, die eine solche Dokumentation bringt, zeigte Frank Yiannas – beim Einzelhandelsriesen Walmart für Lebensmittelsicherheit verantwortlich – den Aktionären auf der letzten Hauptversammlung. Im Dezember 2016 hatte er Mitarbeitern eine Packung geschnittener Mangos auf den Tisch gelegt und sie aufgefordert, ihren Ernteort ausfindig zu machen. Das Team benötigte fast sieben Tage Recherche in den Büchern von Walmart. Auf der Versammlung präsentierte Yiannas dann zum Vergleich eine solche Rückverfolgung mittels einer von IBM aufgesetzten Blockchain. Ergebnis: Innerhalb von Sekunden ließ sich für die Mango die gesamte Lieferkette vom Anbau in Mexiko bis zum Walmart Store aufrufen.

All diese Lösungen erfordern immer noch einen Proof of Work. Der muss allerdings in einer nicht öffentlichen Blockchain nicht so rechenintensiv ausfallen wie bei öffentlichen Ketten à la Bitcoin. Da die Teilnehmer der Kette einander bekannt sind, können sie sich bis zu einem gewissen Grade vertrauen. Wo das Vertrauen fehlt und der Proof of Work zu aufwendig ist, soll ein anderes Verfahren helfen, das derzeit breit diskutiert wird: "Proof of Stake". Hier entscheidet die Vertrauenswürdigkeit eines Knotens, und die wird daran bemessen, welchen Geldwert der Knoten gewissermaßen als Bürgschaft einbringt. Letzten Endes entsteht aber ein neues Problem: Nur Knotenbetreiber mit ansehnlichem Vermögen können neue Blöcke erzeugen.

Simon Schwerin vom nahe Berlin ansässigen Start-up Xain ist indes überzeugt: "Der einzig funktionierende Mechanismus bleibt Proof of Work". Xain verringert in seiner Blockchain den Energie zehrenden Wettbewerb der Knoten mithilfe künstlicher Intelligenz und kryptografischer Auswahlverfahren. Algorithmen wählen aus allen Knotenrechnern ein vertrauenswürdiges "Komitee" aus, um neue Blöcke zu erzeugen. Das Start-up hat dieses Verfahren kürzlich mit Porsche getestet, in dem die Nutzung einer Gruppe von Fahrzeugen mittels Blockchain organisiert wurde. Das langfristige Ziel ist, selbstfahrende Autos zu einem Netzwerk zusammenzufügen, in dem die Fahrzeuge selbst Knoten wären. Mit US-Unternehmen arbeitet die Schwesterfirma Bioloq daran, Forschungsergebnisse aus der Pharmaforschung sicher und unverfälschbar in einer Blockchain zu dokumentieren, auf die Aufsichtsbehörden und andere Forscher zugreifen können.

Vielleicht ist die Blockchain-Technologie aber auch nur eine Übergangslösung. "Die meisten Effizienzgewinne wird der Schritt von der Blockchain zum sogenannten Tangle hervorbringen", schätzt Gilbert Fridgen vom Fraunhofer Blockchain-Labor. Tangle bedeutet wörtlich Gewirr. Mathematisch handelt es sich um einen, Achtung, Fachausdruck: "gerichteten azyklischen Graphen". In ihm sind die Blöcke nicht mehr als Kette angeordnet, sondern in einer Art Netz, in dem viele Blöcke mit Transaktionsdaten auf etliche andere Blöcke verweisen und so die verteilte Dokumentation bilden.

Die 2015 gegründete IOTA Foundation, die erste Stiftung in Deutschland, die auf einer Kryptowährung basiert, hat die Tangle-Technologie für das Internet der Dinge entwickelt. Daran angeschlossene Sensoren müssen mit wenig Strom auskommen – ihre Datenübermittlungen lassen sich mittels Blockchain kaum stromsparend festhalten.

Der Wirtschaftsinformatiker Fridgen warnt allerdings davor, Blockchains allein an ihrem unmittelbaren Energieverbrauch zu messen: "Wenn Sie auf dazwischengeschaltete Institutionen verzichten, fallen auch deren Computertechnik, Bürogebäude und Arbeitswege der Mitarbeiter weg." Ob die Blockchain-Technologie zu einem nachhaltigen Wirtschaften beiträgt oder selbst ein Nachhaltigkeitsproblem ist, wird sich in den kommenden Jahren zeigen. Dass sich Satoshi Nakamoto je zeigen wird, ist hingegen unwahrscheinlich.

Die Quellenangaben zum ZEIT-Wissen-Artikel finden Sie hier.