Die modernen Herausforderungen des technologischen Fortschritts
Seit Anbeginn der Menschheit wurde Technologie als Verbündeter genutzt, um die durch Umweltbedingungen gesetzten Grenzen der eigenen Entwicklung zu überwinden. Der technologische Fortschritt hat den Aufstieg und den Beginn verschiedener Zeitalter bestimmt und prägt heute das digitale Zeitalter, in dem Algorithmen und elektronische Geräte die zentralen Komponenten der Innovation darstellen. Digitale Produkte unterstützen unterschiedliche Industrien, verkürzen die Markteinführungszeit von Produkten und rationalisieren repetitive und zeitaufwändige Tätigkeiten, die früher auf den Schultern der Mitarbeitenden lasteten.
Das digitale Zeitalter eröffnet der Menschheit eine neue Chance, das zu erreichen, was vor 50 Jahren noch undenkbar war: automatisierte Produktionslinien durch das Internet der Dinge (IoT), Big-Data-Verarbeitung für maßgeschneiderte Produkte sowie eine verbesserte Kundenerfahrung auf Basis künstlicher Intelligenz. IoT und cyber-physische Systeme zählen zu den wichtigsten Technologien der Industrie 4.0, deren Ziel es ist, Produktionsprozesse zu optimieren, Ersatzteile zu reduzieren und Risiken für menschliche Bediener zu minimieren. Während Industrie 4.0 industrielle Prozesse beschleunigt, wird der nächste Schritt, Industrie 5.0, die bei der Datenübertragung verlorene Zeit reduzieren und kollaborative Rahmenbedingungen entlang der Lieferkette stärken.
Doch es liegt in der Natur der Zeit, dass jedes neue Zeitalter auch neue Herausforderungen mit sich bringt. Während wir in das digitale Zeitalter eintreten, nehmen diese zeitgenössischen Probleme allmählich Gestalt an. Der Klimawandel wird zu einer der höchsten Prioritäten für Regierungen und Institutionen, da seine Auswirkungen schneller als erwartet den Punkt ohne Wiederkehr erreichen. Innerhalb von fünf Jahren wird der Klimawandel irreversibel sein und das Leben aller Menschen beeinflussen. Die Weltgesundheitsorganisation schätzt, dass die Zahl zusätzlicher Todesfälle infolge des Klimawandels zwischen 2030 und 2050 bei etwa 250.000 pro Jahr liegen wird (insgesamt 5 Millionen), da bereits 3,6 Milliarden Menschen in Gebieten leben, die stark anfällig für die Folgen der globalen Erwärmung sind.
Der Klimawandel ist ein schreckliches Problem und muss gelöst werden. Er verdient höchste Priorität.
— Bill Gates, Gründer von Microsoft
Reale Verschmutzung aus einer virtuellen Welt
Die wissenschaftliche und industrielle Forschung konzentriert sich derzeit auf die Reduktion von CO₂-Emissionen. Die jüngste weltweite Verbreitung digitaler Technologien hat das Potenzial, die ökologische Transformation zu beschleunigen. Gleichzeitig sind digitale Technologien in den letzten Jahren zu einer der größten Quellen von Umweltverschmutzung geworden.
Laut Frans Berkhout und Julia Hertin in „De-materialising and re-materialising: digital technologies and the environment“ lassen sich die Auswirkungen von Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) auf die Umwelt in direkte, indirekte sowie strukturelle bzw. verhaltensbezogene Effekte unterteilen. Direkte Effekte stehen im Zusammenhang mit der Herstellung und Wartung von Hardware (Server, Kabel, Motherboards usw.) und ähneln jenen anderer Industrieprodukte mit negativen Folgen für das Klima. Indirekte Effekte betreffen hauptsächlich die „Dematerialisierung“ bestimmter Produkte und Dienstleistungen, was insgesamt positive Auswirkungen auf den Klimawandel hat. Strukturelle und verhaltensbezogene Effekte beziehen sich auf grundlegende Dynamiken wie gesellschaftliche, wirtschaftliche und rechtliche Veränderungen.
Es ist schwierig, die Gesamtwirkung der Digitalisierung auf den Klimawandel vorherzusagen. Die ADEME (Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie) hat gezeigt, dass die CO₂-Emissionen einer einzelnen E-Mail mit nur 1 Megabyte etwa 19 Gramm betragen. Betrachtet man die enorme Anzahl an E-Mails, die täglich weltweit in Unternehmen versendet werden, ergeben sich gewaltige Emissionsmengen. Anders ausgedrückt: 15 durchschnittliche E-Mails verursachen mehr Verschmutzung als eine Autofahrt von 1 km.
Darüber hinaus hat das ESG Karma Metrix Observatory gezeigt, dass andere digitale Technologien einen unerwartet hohen ökologischen Fußabdruck haben. Wie oft nutzen wir Suchmaschinen wie Google oder streamen Filme und Serien auf Netflix? Solche Plattformen sind extrem ressourcenintensiv. Es wurde sogar geschätzt, dass das Internet, wäre es ein Land, der viertgrößte Umweltverschmutzer der Welt wäre.
Diese Beispiele verdeutlichen, dass digitale Technologien ein zweischneidiges Schwert sind. Wir müssen unseren Planeten schützen, indem wir technologische Errungenschaften verantwortungsvoll nutzen. Wie bekannt ist, arbeitet Airizon aktiv daran, CO₂-Emissionen zu reduzieren, indem die Markteinführungszeit hybrider, vollständig elektrischer und wasserstoffbetriebener Flugzeuge verkürzt wird. Die digitale Suite HEAD (Hydrogen and Electric Aircraft Designer) integriert modernste Designmethoden für diese Flugzeugtypen und hilft Entwicklern, den Prozess erheblich zu beschleunigen.
Als Teil einer Menschheit, die Verantwortung für diesen Planeten übernimmt, ermutigen wir unser Netzwerk, unsere Kunden und Mitarbeitenden, einige einfache Maßnahmen zur Reduzierung des ökologischen Fußabdrucks zu berücksichtigen:
- Antworten Sie nicht unnötig auf E-Mails, indem Sie den gesamten E-Mail-Verlauf zitieren.
- Löschen Sie E-Mails mit trivialen Inhalten (z. B. „Danke für das Dokument“).
- Behalten Sie in E-Mail-Ketten nur die letzte Nachricht und löschen Sie die vorherigen.
- Löschen Sie regelmäßig inaktive Chats in sozialen Netzwerken.
- Entfernen Sie Social-Media-Gruppen, die keinen Zweck mehr erfüllen.
- Öffnen Sie nicht gleichzeitig viele Internetseiten, wenn dies nicht erforderlich ist.
- Gehen Sie zu Fuß zur Arbeit, wann immer es möglich ist.
Als ersten Schritt zur Reduzierung unseres ökologischen Fußabdrucks hat Airizon ein eigenes E-Mail-Emissionshandelssystem entwickelt. Dieses interne Tool erfasst die Emissionen, die durch jede von Teammitgliedern versendete E-Mail entstehen. Mitarbeitende, die ihr Limit überschreiten, können zusätzliche E-Mail-Kontingente von besonders sparsamen Kolleginnen und Kollegen beantragen. Werden die monatlichen Gesamtemissionen überschritten, werden die E-Mails überprüft, um im Folgemonat Korrekturmaßnahmen umzusetzen.
Figure 1: Das von Airizon entwickelte Emissionshandelssystem. Die Oberfläche zeigt die von jedem Teammitglied verursachten CO₂-Emissionen basierend auf der Anzahl der im Monat versendeten E-Mails.
Figure 2: Benutzeransicht des von Airizon entwickelten E-Mail-Emissionshandelssystems.
Nachhaltigkeitsstrategien: Green Computing
Wie zuvor erwähnt, gibt es eine klare Unterscheidung zwischen direkten, indirekten sowie strukturellen oder verhaltensbezogenen Auswirkungen. Diese Unterscheidung ist besonders wichtig für einen Ingenieurbereich, der sich gezielt mit der Nachhaltigkeit der IT befasst: Green Computing. Green Computing ist ein Teilbereich der Sustainable IT und konzentriert sich auf die Entwicklung von Praktiken und Verfahren zur umweltfreundlichen Nutzung von IT-Ressourcen, ohne die Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen.
Ziel ist es, Lösungen zu finden, die die Ressourceneffizienz verbessern und Reduktion, Wiederverwendung und Recycling fördern.
Die Forschung zu den Vorteilen von Green Computing konzentriert sich vor allem auf zwei Hauptaspekte:
- Den sozialen Aspekt, da Green Computing das Umweltbewusstsein der Verbraucher erhöht hat, die zunehmend Produkte, Unternehmen und Organisationen bevorzugen, welche ihre Umweltauswirkungen berücksichtigen.
- Den wirtschaftlichen Aspekt, da Unternehmen durch Green-Computing-Prozesse ihren Stromverbrauch erheblich senken können, was zu deutlichen Kosteneinsparungen führt.
Unabhängig davon, wie stark physische Systeme optimiert oder mit erneuerbaren Energien betrieben werden: Wenn die darauf laufende Software mehr Hardware-Ressourcen verbraucht als notwendig, sind die Energieeinsparungen wirkungslos.
Werden IT-Infrastrukturen nachhaltiger, müssen auch die darauf betriebenen Softwaresysteme nachhaltig sein. Daraus entstand Green Software Development – ein Bereich der Informatik, der die Prinzipien des Green Computing durch Softwareoptimierung konkret umsetzt. Während Green Computing physische, strukturelle und soziale Aspekte adressiert, konzentriert sich Green Software Development auf das Immaterielle und Digitale.
Das Asternox-Team ist auf Forschung im Bereich Green Computing und Green Software Development spezialisiert. Dennoch stehen wir weiterhin vor Herausforderungen bei der präzisen Definition und Messung softwarebezogener Emissionen.
Diese Komplexität ergibt sich unter anderem aus:
- der Definition von Standards und Tools zur Ãœberwachung von Softwaresystemen und deren Laufzeitumgebungen,
- der inhärenten Unfassbarkeit von Software mit ihren vielfältigen Dynamiken,
- der Vielfalt an Maschinen und Infrastrukturen, auf denen Software ausgeführt wird.
Als Fachleute erkennen wir jedoch unsere Verantwortung, evidenzbasierte Messmethoden zu entwickeln und umzusetzen. Unser Ziel ist es, möglichst genaue und repräsentative Schätzungen realer Softwareemissionen zu liefern und damit zu mehr Nachhaltigkeit in der Technologiebranche beizutragen.
Zahlreiche Forschungs- und Entwicklerteams arbeiten ebenfalls an effizienten Monitoring-Lösungen. Ein Beispiel ist Scaphandre, das Unternehmen und Fachkräften ermöglicht, den Energieverbrauch ihrer technologischen Dienste zu messen und diese Daten über beliebige Monitoring- oder Analyse-Toolchains weiterzugeben. Viele weitere Teams engagieren sich in diesem Bereich, was den starken Willen der Entwicklergemeinschaft zeigt, möglichst optimierte und „energieneutrale“ Softwareprodukte zu schaffen.
Als Entwicklungsteam bei Asternox haben wir uns zum Ziel gesetzt, die Weblandschaft zu analysieren und Lösungen zu entwickeln, die die Konzepte von Green Computing und Green Software Development widerspiegeln. Auf diese Weise unterstützen wir Airizon bei seinem Ziel, „smarte Lösungen für einen sauberen Himmel“ zu schaffen.
Reduzierung des digitalen Konsums durch optimierte Website-Entwicklung
Wie unsere Kolleginnen und Kollegen von Airizon zutreffend festgestellt haben, verursachen viele digitale Technologien einen hohen CO₂-Fußabdruck. Die Emissionen einer einzelnen E-Mail sind gering, werden jedoch relevant, wenn man bedenkt, dass täglich etwa 227 Milliarden E-Mails versendet werden. Gleiches gilt für eine ebenso einfache und häufige Tätigkeit wie das Surfen im Internet.
Nach dem Vorbild von Airizon, das ein System zur Kompensation von E-Mail-Emissionen entwickelt hat, engagieren wir uns bei Asternox dafür, die durch Webnutzung verursachten Emissionen zu analysieren und Wege zu deren Reduzierung zu finden.
Die zentrale Frage lautet: Welchen ökologischen Einfluss haben Websites und Webanwendungen auf das Internet – und warum ist ihr CO₂-Fußabdruck so hoch? Die Antwort ist simpel: Er lässt sich nicht exakt bestimmen, zumindest nicht ohne detaillierte Berechnungen.
Hardware- und Softwarekomponenten sind von Natur aus schwer messbar. Es wäre einfacher, die Anzahl der Reiskörner weltweit zu zählen, als jedes Computersystem zu quantifizieren, das mit einem Netzwerk verbunden oder auf einer digitalen Plattform gehostet ist.
Trotzdem ist es möglich, vergleichbare Bedingungen zu schaffen, um die Effizienz bestimmter Lösungen auf eigenen Systemen oder Cloud-Diensten näherungsweise zu messen. Ziel eines der jüngsten Experimente von Asternox ist es, solche Messungen zu instrumentieren und einen nachhaltigen Website-Entwicklungsstack mit relevanten Kennzahlen zu definieren.
Als Beispiel betrachten wir die Airizon-Website, die von Asternox entwickelt wurde: Sie verbraucht derzeit 458 MB RAM und 0,01 vCPU – sowohl bei Spitzenlast als auch im Leerlauf.
Die größte Ressourcennutzung entfällt auf den Client mit 250 MB RAM und den Server mit 131 MB RAM. Content-Delivery-Netzwerke (CDNs) und das E-Mail-Gateway verbrauchen zusammen 77 MB RAM.
Zum Vergleich dient WordPress: Eine einfache WordPress-Website ohne zusätzliche Plugins verbraucht durchschnittlich 613 MB RAM und 0,3 vCPU bei Spitzenlast. Mit Plugins steigt der Verbrauch auf 1,32 GB RAM und 0,3 vCPU. Komplexere Websites benötigen somit deutlich mehr Ressourcen und verursachen höhere Emissionen.
Unsere Infrastruktur basiert auf Microservices, bei denen jede Komponente eine klar definierte Aufgabe erfüllt. Im Gegensatz zur monolithischen Architektur von WordPress ermöglicht dieser Ansatz eine geringere Gesamtressourcennutzung, höhere Modularität, bessere Wartbarkeit und optimierte Energieeffizienz.
Umweltvorteile kompilierter Sprachen wie Rust gegenüber Garbage-Collected-Sprachen
Im Kontext ökologischer Nachhaltigkeit spielt die Effizienz von Programmiersprachen eine entscheidende Rolle. Kompilierte Sprachen wie Rust bieten erhebliche Vorteile gegenüber Garbage-Collected-Sprachen wie JavaScript und Python, insbesondere im Hinblick auf Energieverbrauch und Ressourcennutzung.
Effizienz und Leistung
Kompilierte Sprachen übersetzen Code vor der Ausführung direkt in Maschinensprache. Dadurch entstehen hochoptimierte Binärdateien mit minimalem Overhead. Rust wurde speziell für hohe Performance entwickelt und bietet gleichzeitig Speicher- und Typsicherheit.
Garbage-Collected-Sprachen hingegen erzeugen zusätzlichen Laufzeit-Overhead, da der Garbage Collector regelmäßig Speicher bereinigt und dabei CPU-Zyklen und Energie verbraucht.
Speicherverwaltung
Rust verwaltet Speicher zur Compile-Zeit mittels Ownership, Borrowing und Lifetimes, wodurch Garbage Collection überflüssig wird. Das führt zu vorhersehbarem Speicherverhalten und geringerer Energieaufnahme.
Garbage-Collected-Sprachen überwachen Speicher kontinuierlich, was zu Fragmentierung, Pausen und erhöhtem Energieverbrauch führt.
Geringerer Energieverbrauch
Studien zeigen, dass kompilierte Sprachen energieeffizienter sind. Laut dem Journal of Green Software Engineering verbrauchen Rust und C für gleiche Aufgaben deutlich weniger Energie als Python oder JavaScript.
Ressourcennutzung
Durch effizientes Ressourcenmanagement benötigt Rust weniger Hardware für gleiche Arbeitslasten. Das reduziert Serverbedarf, Elektroschrott und Gesamtenergieverbrauch.
Kompilierte Sprachen wie Rust bieten somit erhebliche ökologische Vorteile und stellen nachhaltigere Optionen für die Softwareentwicklung dar.
Fazit
Technologische Fortschritte treiben die moderne Gesellschaft voran, bringen jedoch erhebliche ökologische Herausforderungen mit sich. Der Energiebedarf von KI, Big Data, IoT, Blockchain-Technologien und weiteren digitalen Infrastrukturen wächst exponentiell und trägt erheblich zu CO₂-Emissionen bei – insbesondere bei Nutzung nicht erneuerbarer Energiequellen.
Dennoch ist die Zukunft nachhaltiger IT vielversprechend. Durch einen ganzheitlichen Ansatz aus Energieeffizienz, nachhaltigem Design, umweltfreundlicher Softwareentwicklung, Regulierung und Aufklärung kann technologisches Wachstum zu einer nachhaltigen Zukunft beitragen.
Die wichtigste Investition für Unternehmen besteht darin, die langfristige Tragfähigkeit ihrer Software- und IT-Architekturen zu sichern. Nachhaltigkeit bedeutet nicht nur Effizienz, sondern auch soziale und ethische Verantwortung.
Jetzt zu handeln ist wichtiger denn je. Alle Fachkräfte müssen ihren Beitrag zu einer nachhaltigen Zukunft leisten.