Gefahrenwarnung für Rechenzentren Wetterbericht für Sonnenstürme

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Sonnenstürme sind elektromagnetische Entladungen des Zentralgestirns. Sie können elektrisches und elektronisches Equipment stören und sogar zerstören. Ein Netzwerk von Messstationen in den USA und ein AI-Algorithmus sollen jetzt den Schutz verbessern.

Ein kräftiger elektromagnetischer Puls (EMP) ist der Alptraum jedes Datacenter-Betreibers; denn eine solche plötzliche Entladung elektromagnetischer Energie bringt Stromnetze genau wie die Informationstechnik zum Einknicken. EMPs erzeugen erdinduzierte Ströme (Ground-Incurred Currants, GIC) in elektrischen Leitern.

Wegen ihrer geringen Frequenz konzentrieren sie sich in sehr langen Leitern wie etwa den Hochspannungsverbindungen des Stromnetzes. Hochleistungstransformatoren können beschädigt werden und zu großflächigen Netzausfällen führen. Sie können lange dauern, da die Lieferzeiten dieser Komponenten sind schon unter normalen Umständen lang.

Beeinträchtigung des Stromnetzes

Sonnenstürme lassen sich nicht verhindern. Sie geschehen häufig und zufällig, wenn auch nicht immer mit Auswirkungen auf die Erde.

Extreme Ausbrüche gibt es etwa alle 25 Jahre. Wehen sie zu unserem Planeten, beeinträchtigen sie das Stromnetz und alles, was mit Elektrik und Elektronik zu tun hat. Schön wäre also eine zuverlässige und beständige solare Wettervorhersage, wenngleich sich manche Netzbetreiber ihre Infrastruktur ohnehin gegen GICs schützen oder die Auswirkungen kompensieren.

Auswirkungen auf Datenzentren

Datacenter werden von GIC-Ereignissen sekundär über den Strom, den sie aus dem Netz beziehen, betroffen. In ihrem Netz entstehen harmonische Verzerrungen der üblichen Wechselstromkurve.

Viele Anlagen für Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USVs) im Rechenzentrum können solche Verzerrungen in gewissen Grenzen kompensieren und das Equipment, das sie versorgen, so schützen. Ist das EMP-Ereignis allerdings sehr intensiv, werden die USVs und damit die durch sie geschützten Geräte eventuell beschädigt.

Möglich sind vielfältige Schadwirkungen: ineffizienter USV-Betrieb, die Zerstörung des Gleichrichters der Anlage, überhitzte Kabel, Fehlfunktionen an Motoren oder anderen mechanischen Geräten sowie am IT-Equipment.

Interdisziplinäre Kooperation gefragt

Heute lässt sich das Eintreffen eines Sonnensturms in den USA laut Uptime Institute dank des US Space Weather Prediction Center erst auf Stunden oder Tage genau prognostizieren. Allerdings fehlen meist Informationen darüber, wo der Sturm genau zuschlägt und wie intensiv er ist.

Solche Daten wären aber wichtig: Rechtzeitig gewarnt, kann man das Rechenzentrum vom Stromnetz abkoppeln und auf Generator umschalten, bis das Ereignis vorbei ist. Dazu sind aber ausreichend genaue, lokalisierte Prognosen der GIC-Effekte nötig.

Das geht nur interdisziplinär. Für sinnvolle Prognosen müssen Geologen, Elektrik- und Elektronikexperten mit Simulationsspezialisten zusammenarbeiten. Vielversprechend sind dafür die stark gestiegenen Rechnerleistungen und verbesserten Simulationsmethoden.

Neue ML/KI-basierende Konzepte

So präsentierte 2022 die staatliche Universität des Bundesstaates Ohio ein Konzept, das auf Machine Learning (ML) basiert, um Netzbetreiber rechtzeitig zu warnen. Nötig sind dafür viele Messstellen im interessierenden Gebiet. Das magnetotellurische (MT) Array sammelt dafür Daten in den ganzen USA. Es besteht aus einem ein Netz aus sieben festen und soll bis 2024 rund 3.500 temporären Messstationen umfassen, die je 70 Kilometer voneinander entfernt sind.

Sie messen das elektrische und elektromagnetische Erdfeld sowie den Widerstand und die elektromagnetische Impedanz von Erdkruste und äußerem Erdmantel in drei Dimensionen. Daraus lässt sich die GIC-Intensität berechnen.

Diese korreliert wiederum mit den zerstörerischen Auswirkungen auf die Strom-Infrastruktur. Das bedeutet eine gewaltige Verbesserung des Detaillierungsgrades der Daten.

Neues Modell braucht weniger Stationen

Doch laut Uptime Institute geht es auch weniger aufwändig: Forscher trainierten ein ML-Modell mit Daten aus 25 Messstationen in Alaska. Sie verwendeten dafür fortlaufende und simultan eintreffende Datenströme. Das Modell sagt nun mit 30 Minuten Vorwarnzeit geomagnetische Effekte voraus.

Um dieses Modell auf die gesamten USA zu skalieren, würde es bei gleicher räumlicher Granularität der Prognose (70 km) nur 500 dauerhafte Stationen im Abstand von 140 km brauchen. Sie würden das so genannte Internet of MT (InMT) bilden.

InMT: Mehr Autonomie, weniger Kosten

Die geplanten Stationen unterscheiden sich von denen im aktuellen MT Array: Sie sammeln dieselben Daten, werden aber von Solarzellen gespeist und laden Daten automatisch über Mobilverbindungen hoch. Eine Station kostet nur 5.000 Dollar und nicht 60.000 Dollar wie die bisherigen Modelle.

Das bisherige MT Array wurde von diversen US-Regierungsorganisationen finanziert. für seinen potentiellen Nachfolger InMT gibt es trotz seiner geringeren Kosten noch keine Finanzierungszusage. Das wäre allerdings aus Sicht der Datacenter-Industrie dringend wünschenswert. Denn mit dem InMT könnten sich Stromnetz- und Rechezentrumsbetreiber zu bezahlbaren Kosten proaktiv gegen die Auswirkungen elektromagnetischer Stürme schützen.

Zudem wäre das InMT-Modell weltweit anwendbar. Man könnte sich beispielsweise einen Aboservice der Wetterdienste für die Warninformationen zu Sonnenstürmen und GIC vorstellen.

Hinweis:Der Artikel beruht auf einem Blog-Beitrag von Jacqueline Davis, Research Analyst beim Uptime Institute.

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