Die Abhängigkeit der Menschheit von Elektrizität wurde durch die globale COVID-19-Pandemie weiter erleichtert. Es ist unmöglich, sich ein modernes Leben ohne es vorzustellen, ohne alles von Lichtern bis zum Internet. Was würde passieren, wenn das alles über Nacht verschwinden würde? Wenn alle unsere Stromnetze im Wesentlichen gleichzeitig ausfallen würden? Dies ist mehr als die Einstellung eines dystopischen Romans: Es ist eine reale Möglichkeit. Ein großer geomagnetischer Sturm, der von der Sonne ausgelöst wird, könnte die Transformatoren ausblasen, die ein wesentlicher Bestandteil unserer Stromnetze sind. Und es ist schon einmal passiert.

Die Physik

Die Sonne gibt einen konstanten Strom geladener Teilchen ab, der als Sonnenwind bekannt ist. Die Erde ist durch ihr intern erzeugtes Magnetfeld weitgehend vor diesem Wind geschützt. Das Magnetfeld erzeugt eine Art Blase um die Erde, die als Magnetosphäre bekannt ist. Die Magnetosphäre schützt uns vor der gefährlichen Sonnenstrahlung und verhindert, dass unsere Atmosphäre vom Wind mitgerissen wird. An den Magnetpolen kann ein Teil des Sonnenwindmaterials in die Erdatmosphäre gelangen. Dies ist, was Aurora verursacht, und warum sie normalerweise nur um die Nord- und Südmagnetpole herum gesehen werden können.Gelegentlich kann die Sonne stärkere Energieschübe freisetzen, die als koronale Massenauswürfe (CMEs) bekannt sind. Diese Auswürfe können Milliarden Tonnen Material aus der ausgedehnten Atmosphäre der Sonne, der Sonnenkorona, werfen und sie mit unglaublichen Geschwindigkeiten durch den Weltraum rasen lassen – gelegentlich in unsere Richtung. Sie können zwischen mehreren Tagen und nur 15 Stunden brauchen, um uns zu erreichen. Die größten CMEs resultieren aus der Entspannung stark verdrehter Magnetfeldlinien, oft begleitet von einer Sonneneruption. Sie treten normalerweise in der Nähe von Gebieten mit starker Sonnenfleckenaktivität auf und sind am wahrscheinlichsten, wenn die Sonnenaktivität einen Höhepunkt erreicht, der als Sonnenmaximum im Sonnenzyklus bekannt ist.

Die Geschichte

Die Sonne hatte 1859 ein Sonnenmaximum, als Elektrizität noch nicht weit verbreitet war und hauptsächlich mit Telegraphensystemen verwendet wurde. Richard Carrington beobachtete Sonnenflecken auf einem projizierten Bild der Sonne am Morgen des 1. September, als er zwei unglaublich helle Lichtflecken bemerkte.

Abb. 1: Die Sonnenflecken und Sonneneruptionen (beschriftet mit A und B) beobachtet von Richard Carrington im Jahre 1859. Quelle: MNRAS

Sehr früh am nächsten Morgen erhellte Aurora den Nachthimmel und erstreckte sich bis in den Süden der Karibik auf der Nordhalbkugel. Je weiter nördlich, desto heller erschien die Aurora, die Goldgräber in den Rocky Mountains weckte und genug Licht zum Lesen im Nordosten der Vereinigten Staaten bot. Die Telegraphensysteme in Europa und Nordamerika fielen aus und einige Telegraphenbetreiber erhielten sogar starke Erschütterungen.

Das Ereignis wurde durch die größte CME in der aufgezeichneten Geschichte verursacht. Die hellen Lichtpunkte, die Carrington beobachtete, waren Sonneneruptionen, die den Auswurf begleiteten. Stunden später erreichte das CME die Erde und die sich schnell bewegenden geladenen Teilchen durchbrachen die Magnetosphäre und drangen in die Atmosphäre ein, was die brillante Aurora verursachte, die auf der ganzen Welt beobachtet wurde. Diese geladenen Teilchen liefen die Telegrafenleitungen hinunter und schockierten die Betreiber, als sie das Ende erreichten.

Was wäre, wenn es heute passiert wäre? Unsere Stromnetze sind heute unglaublich komplexer als die Telegraphensysteme von 1859. Das genaue Ergebnis eines ähnlichen Ereignisses der gleichen Größenordnung ist unmöglich zu sagen. Das nächste Ereignis, mit dem wir es vergleichen können, sind die geomagnetischen Stürme von 1989, einem Jahr starker Sonnenaktivität. Im März 1989 verlor die Provinz Quebec (die sich in der Nähe des geomagnetischen Nordpols befindet) 9 Stunden lang Strom, nachdem ein Sturm die Leistungsschalter ausgelöst hatte. Aber dieses Ereignis war deutlich kleiner als das von 1859.

Ein Ereignis dieser Größe oder größer könnte Transformatoren, wesentliche Teile des Stromnetzes, ausblasen und viele ohne Strom lassen. Je nachdem, wo der Sturm am härtesten trifft, wie gut das Netz gegen Fackeln geschützt ist und wie viele Ersatztransformatoren verfügbar sind, könnte der Stromausfall von 16 Tagen bis zu ein paar Jahren dauern, und die Kosten für die USA allein könnten sich auf 0,6 bis 2,6 Billionen US–Dollar belaufen.

Abb. 2: Ein Modell der relativen Stärke elektrischer Felder, die durch ein anderes Ereignis auf Carrington-Ebene verursacht werden. Die violette Schattierung zeigt Bereiche mit größeren elektrischen Feldern an, die von einem Sturm stärker getroffen würden. Die schlimmsten Auswirkungen sind an der Atlantikküste und in Kanada zu beobachten, was teilweise auf ihre Nähe zum geomagnetischen Nordpol zurückzuführen ist.(Quelle: ein Risikobericht von Lloyd’s.)

Ein weiteres Ereignis auf Carrington-Ebene ist unvermeidlich. Auroral-Aufzeichnungen können verwendet werden, um die historische Größe vergangener Stürme zu messen. Sie weisen darauf hin, dass Stürme wie der, der Quebec traf, ungefähr alle 50 Jahre auftreten, während Ereignisse auf Carrington-Ebene ungefähr alle 150 Jahre auftreten. Seit 1858 sind 162 Jahre vergangen, aber wir brauchen noch nicht in Panik zu geraten. Die Sonne, die in einem 11-Jahreszyklus arbeitet, hatte vor einem Jahr im April 2019 ein Sonnenminimum. Das nächste Sonnenmaximum, die Periode der höchsten Aktivität, wird erst irgendwann in 2023-2026 auftreten und einige Maxima sind schwächer als andere.Nach dem Sturm von 1989, der Quebec traf, bereitete sich die Provinz darauf vor, indem sie ihre elektrische Infrastruktur zu hohen Vorlaufkosten modernisierte, aber mit dem Wissen, dass sie Geld sparen würde, wenn ein weiterer Sturm eintritt. Die USA sind nicht ähnlich vorbereitet. Ab 2002 wurden fünfzehn Prozent der noch verwendeten Großtransformatoren vor 1972 hergestellt (als Transformatoren mit erheblicher Robustheit ausgestattet wurden),. Selbst moderne Transformatoren sind nicht unbedingt für ein Ereignis auf Carrington-Ebene gerüstet, und es gibt keine Federal Reserve für Transformatoren, da dies in einem Bericht des US-Energieministeriums von 2017 als zu kostspielig eingestuft wurde. Energieunternehmen haben ihre eigenen Reserven, aber genaue Zahlen und Standorte dieser Reserven gelten als geschützte Informationen. Anstelle einer Federal Reserve forderte der Bericht die Regierung auf, eine unabhängige Bewertung der Zuverlässigkeit kritischer Transformatoren vorzunehmen und mit der Industrie zusammenzuarbeiten, um Pläne für den Fall größerer Ausfälle zu entwickeln. Es ist unklar, ob dies geschehen ist.

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