Mit dem Strom schwimmen

Der Kölner Physiker Andreas Schadschneider erklärt, wie wir in den Städten der Zukunft schnell und sicher ans Ziel kommen.

 

Auf der Autobahn staut sich der Verkehr und in der Fußgängerzone drängeln sich Menschenmengen. Die tägliche Fortbewegung ist nicht nur ein Nervenkrieg, sondern kann schlimmstenfalls in Unfällen enden. Professor Andreas Schadschneider vom Institut für Theoretische Physik sucht Antworten auf unsere Verkehrsprobleme. Denn alles, was man über Teilchen, Gase und Flüssigkeiten weiß, lässt sich auch auf Fußgänger und Autos übertragen – zumindest theoretisch.

 

Herr Schadschneider, stellen wir uns eine belebte Einkaufsstraße am Samstagnachmittag vor. Wie viel Platz benötige ich inmitten einer Menschenmenge?

Das kommt darauf an, wie bequem Sie es haben wollen. Spätestens ab drei Personen pro Quadratmeter wird es ungemütlich. In einigen Fußgängerzonen kommt man an Wochenenden durchaus auf diesen Wert. Es geht aber noch viel extremer. Während eines Haddsch in Mekka kommen wir rund um die Kaaba sogar auf Dichten von bis zu acht Personen pro Quadratmeter. Das wird dann schon richtig gefährlich.

 

Dann hoffe ich, dass es trocken bleibt. Die Rechnung geht bestimmt nicht mehr auf, wenn jeder zweite Fußgänger einen Regenschirm aufspannt.

Physiker gehen zunächst immer vom einfachsten Fall aus. Das heißt für diese Rechnung, dass alle Personen die gleichen Eigenschaften haben und sich auch nicht in der Gehgeschwindigkeit unterscheiden. Erst wenn wir dieses System gut verstehen, können wir auch Unordnung einbauen. Unordnung ist dann etwa eine Person mit Regenschirm oder jemand, der vor einem Schaufenster stehen bleibt. Hier sind noch überraschende Ergebnisse zu erwarten.

 

Wie hilft uns die Physik dabei, die Dynamik zwischen Fußgängern besser zu verstehen?

Hier gibt es verschiedene Möglichkeiten. Zum einen können wir davon ausgehen, dass eine Kraft zwischen den Fußgängern besteht. Alles was wir in der Physik über Teilchen, Gase und Flüssigkeiten wissen, können wir theoretisch auch auf Fußgänger übertragen. Wenn zum Beispiel zwei Personen aufeinander zulaufen, muss eine von beiden ausweichen. Solche erzwungenen Ausweichbewegungen kann man als Wirkung einer physikalischen Kraft beschreiben. Die Bewegung ähnelt dann der zweier gleich geladener Teilchen, die aufeinander zufliegen. Andere Modelle wählen einen stochastischen Ansatz. Jede Bewegung von uns – ob wir etwa nach links oder nach rechts ausweichen – geschieht mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit. In so einem Modell lassen sich übrigens auch psychologische Effekte einbauen. Wenn ich etwa vor einem Schaufenster stehen bleibe, mag dafür eine gewisse Anziehungskraft verantwortlich sein – physikalisch messen lässt die sich aber nicht.

 

Wie könnten wir in der Zukunft bessere Fußgängerzonen gestalten?

Wir können jedenfalls nicht einfach alles größer und breiter bauen. Aber man kann das Leben für die Fußgänger angenehmer machen, indem man die Personenführung verbessert. Das lässt sich schon mit relativ einfachen Maßnahmen machen.

 

Das hört sich nach einem Schilderwald für Fußgänger an.

Es geht hier gar nicht mal um gesetzliche Reglementierungen, sondern eher um eine unbewusste Steuerung. Denken Sie zum Beispiel an Fußgängerkreuzungen in Einkaufsstraßen. Dort entstehen oft kleine Minikreisverkehre, ohne dass wir das bewusst wahrnehmen. In solchen Kreiseln können wir nämlich die Kreuzung am besten passieren, ohne andere Leute anzurempeln. Das funktioniert noch besser, wenn man in die Mitte etwa einen Springbrunnen oder eine Litfaßsäule stellt.

 

Lassen Sie uns die Fußgängerzone verlassen und ins Auto steigen. Warum stehen wir manchmal im Stau, obwohl es weder einen Unfall noch eine Baustelle gibt?

Daran sind die Autofahrer selbst schuld. Ein Stau entsteht, wenn ein schnelles Fahrzeug auf ein langsameres zufährt und abbremst. Kein Mensch bremst so weich und gleichmäßig, dass er dabei exakt die Geschwindigkeit des Vordermanns einnimmt. Wenn wir dann noch eine hohe Verkehrsdichte haben, führt das zu einer Kettenreaktion: Weitere Autos müssen abbremsen, die Geschwindigkeit wird immer geringer und 20 Fahrzeuge später kommt es zum Stillstand. Der eigentliche Stauverursacher, also der erste Bremser in der Reihe, bekommt davon gar nichts mehr mit. Die Dummen sind hier also immer die Anderen und deswegen fehlt vielen Autofahrern leider ein Anreiz, um das Verhalten zu ändern.

 

Wie sollten wir uns am besten verhalten, um einen Stau zu vermeiden?

Sie könnten zum Beispiel häufige Spurwechsel vermeiden. Die bringen einem auch fast gar nichts. Auf einer Fahrzeit von einer Stunde gewinnen Sie dadurch nur ein bis zwei Minuten. Dafür haben Sie mehr Stress und erhöhen das Staurisiko. Außerdem sind Überholvorgänge oft Auslöser für einen Stau aus dem Nichts. Die günstigste Strategie für Autofahrer ist es deshalb, mit dem Strom zu schwimmen und die eigene Geschwindigkeit an die Umgebung anzupassen.

 

Wenn der Stau vorbei ist, sprechen wir davon, dass der Verkehr wieder fließt. Hat denn Straßenverkehr wirklich etwas mit Flüssigkeiten zu tun?

Ja und nein. Es gibt tatsächlich Modelle zur Beschreibung von Flüssigkeiten, die wir auf den Verkehr übertragen können. Das geht aber nicht eins zu eins, denn im Gegensatz zu Flüssigkeiten gibt es im Straßenverkehr eine Wunschgeschwindigkeit. Die meisten Autofahrer wollen so schnell sein, wie es erlaubt ist. Flüssigkeiten dagegen können beliebig schnell werden. Wenn man auf einen Wasserschlauch drückt, kommt das Wasser schneller raus. Es wäre natürlich toll, wenn das im Straßenverkehr an einer Engstelle genau so funktionieren würde. Das tut es aber leider nicht. Aus der Sicht des Physikers ist der Straßenverkehr daher eher eine exotische Flüssigkeit. Wie schon bei den Fußgängern, nutzen wir deshalb auch für die Straße mikroskopische Modelle, die die Wechselwirkungen zwischen den Fahrzeugen berücksichtigen. Diese Berechnungen liefern dann Prognosen darüber, wie sich der Verkehr auf einer bestimmten Straße in der nächsten Stunde entwickelt.

 

Aber wenn alle wissen, dass es auf der A1 einen Stau gibt, weichen alle auf alternative Routen aus und die Prognose ist für die Katz.

Genau hier haben wir heute noch ein Problem. Wir verstehen noch nicht ausreichend, wie Autofahrer auf Stauprognosen reagieren. Das ist der große Unterschied zur Wettervorhersage. Dem Wetter ist es egal, ob man es vorhersagt oder nicht. Es macht, was es will. Bei einer Verkehrsvorhersage wählen die Leute eine andere Straße, ein anderes Verkehrsmittel oder fahren erst später los. Unser Ziel ist es, diese Entscheidungen in die Prognosen mit einzubauen.

 

Sollten dann Autofahrer bei der Wahl ihrer Strecke in Zukunft stärker reguliert werden?

Viel wichtiger ist hier die Kommunikation zwischen den Autofahrern. Vor einigen Jahren haben sich noch alle Leute mit dem gleichen Navi bei einer Stauwarnung auf der gleichen Umleitungsstrecke wiedergetroffen. Das Navi hat allen Nutzern nur diese eine Alternative vorgeschlagen. Folglich kam es dann dort zum Stau. Deshalb ist es sinnvoll, wenn sich die Navigationssysteme untereinander absprechen. Heute läuft das hauptsächlich über eine Leitstelle. In Zukunft werden die Fahrzeuge aber auch immer mehr direkt miteinander kommunizieren. Von entgegenkommenden Fahrzeugen erfahren wir dann etwa, was fünf Kilometer vor uns passiert. So eine zusätzliche Informationsquelle könnte viele Staus vermeiden. Das hat sich bei Ameisen übrigens schon bewährt.

 

Bei Ameisen?

Ja. Wir haben Ameisenstraßen untersucht und festgestellt, dass es dort überhaupt keine Staus gibt. Selbst bei so einer extremen Dichte, die man bei unseren Straßen nicht mal im Stau erreicht, bewegen sich Ameisen mit unveränderter Geschwindigkeit. Das liegt daran, dass sie chemische Informationen weitergeben. Man muss aber auch zugeben, dass Ameisen nicht so egoistisch sind wie Autofahrer. Einer unserer Doktoranden hat in Indien stundenlang Ameisenstraßen gefilmt und dabei nicht einen einzigen Überholvorgang festgestellt.

 

Autohersteller entwickeln auch immer bessere Fahrassistenzsysteme. Wird diese Technik unsere Stauprobleme lösen?

Es gibt hier schon ein ganzes Spektrum solcher Systeme. Fahrassistenten stellen zum Beispiel die optimale Geschwindigkeit und damit den Abstand zum Vordermann ein. Außerdem können sie frühzeitig und gleichmäßig abbremsen. Das reduziert die Gefahr einer Kettenreaktion.

 

Bis alle Autos einen Fahrassistenten an Bord haben, wird es wohl noch etwas dauern. Ab wann können wir denn mit staufreien Straßen rechnen?

Schon wenn etwa jedes zehnte Auto über ein Fahrassistenzsystem verfügt, werden wir deutlich weniger Staus haben. Das könnte schon in etwa 15 Jahren der Fall sein. Staufreie Straßen liegen also gar nicht mehr so fern in der Zukunft, zumindest soweit es den Stau aus dem Nichts betrifft.

 

Wir haben bisher sowohl beim Straßenverkehr als auch beim Fußvolk nur über den normalen Zustand geredet. Ihre Forschung liefert aber auch wichtige Ergebnisse für Notfälle, zum Beispiel bei der Evakuierung eines Stadions. Wird die Reaktion der Menschen hier nicht unberechenbar?

Im Gegenteil. Nehmen wir mal den Normalfall: Bei Fußballspielen hängt vom Spielstand ab, wann die Leute das Stadion verlassen wollen. Wenn ihr Team verliert, gehen die Leute früher raus als bei einem Sieg. Da wir das Ergebnis nicht vorhersagen können, ist es auch schwer die Besucherbewegungen einzuschätzen. Der Ernstfall ist für uns Wissenschaftler einfacher, weil dann alle Leute das gleiche machen – und zwar schnell das Gebäude verlassen. Außerdem können wir uns dann die Erkenntnisse meines Hauptarbeitsgebietes, der Statistischen Physik, zunutze machen.

 

Hängt die Sicherheit bei einer Evakuierung allein von der Anzahl der Notausgänge ab?

Nein. Die meisten Leute nutzen im Notfall nämlich gar nicht die Notausgänge, sondern verlassen das Gebäude auf demselben Weg, auf dem sie auch reingekommen sind, selbst wenn dieser Weg riskanter ist. Das hängt mit dem sogenannten Ellsberg-Paradox aus der Psychologie zusammen: Wenn ein Mensch die Wahl zwischen zwei Optionen hat, entscheidet er sich eher für die bekanntere Variante, auch wenn diese mit einem höheren Risiko verbunden ist. Das Problem ist, dass dann viele Leute den gleichen Weg wählen. Seitdem ich mich mit Sicherheitsforschung beschäftige, schaue ich mir deshalb tatsächlich immer die Notfallpläne an, wenn ich in ein mir unbekanntes Gebäude komme.

 

Wie können sich Veranstalter besser auf einen Notfall vorbereiten?

Wir haben einen Evakuierungsassistenten entwickelt, den wir in der Esprit Arena in Düsseldorf testen konnten. Schon bevor ein Notfall eintritt, liefert uns das System über Personenzählanlagen genaue Daten darüber, wie die Besucher im Stadion verteilt sind. Zusammen mit den möglichen Fluchtwegen werden diese Informationen in ein Computermodell eingespeist. Der Computer errechnet schließlich, wann an welchem Ausgang wie viele Personen ankomme . Diese Prognosen sind eine große Hilfe für Rettungskräfte. Stadionbetreiber sind zwar von der Technik begeistert, noch scheitert es aber an den Kosten, gerade wenn man so eine Anlage nachträglich einbaut.

 

Bleibt die computergesteuerte Evakuierung also noch eine Zukunftsutopie?

Nicht unbedingt. Wie gesagt, technisch ist es machbar und das Interesse ist da. Man könnte sich auch vorstellen, die Einrichtung von Evakuierungsassistenten mit anderen Anreizen zu verknüpfen, zum Beispiel günstigere Versicherungsbeiträge. Ich glaube, dass man spätestens seit der Katastrophe bei der Loveparade in Duisburg bei der Planung von Gebäuden und Großveranstaltung im Vorfeld genauer hinschaut, was machbar ist und was nicht.