Der tägliche Frust des Wartens an Ampeln, während die Lichter in einem scheinbar endlosen Zyklus wechseln, ist fast jedem Fahrer bekannt. Doch diese im Stillstand verbrachte Zeit ist nicht nur eine Geduldsprobe; sie stellt auch ein erhebliches Umweltproblem dar. Der Leerlauf des Motors, während das Fahrzeug steht, ist für einen überraschend großen Anteil der Kohlendioxidemissionen verantwortlich. Schätzungen zufolge könnten allein in den USA bis zu 15 % der gesamten CO2-Emissionen des Landverkehrs aus eben diesen unproduktiven Momenten an Kreuzungen stammen. Glücklicherweise bieten neue technologische Lösungen eine vielversprechende Vision für die Zukunft, in der der Stadtverkehr deutlich sauberer und effizienter wird.

Eine revolutionäre Untersuchung unter der Leitung von Wissenschaftlern des renommierten Massachusetts Institute of Technology (MIT) wirft ein neues Licht auf das Potenzial sogenannter „Öko-Fahr“-Maßnahmen. Diese Maßnahmen, die eine dynamische Anpassung der Fahrzeuggeschwindigkeit umfassen, um unnötiges Anhalten und plötzliches Beschleunigen zu vermeiden, könnten schädliche Emissionen drastisch reduzieren. Die Studie, eine der bisher umfangreichsten, zeigt, dass durch die Anwendung dieser Strategien die CO2-Emissionen an städtischen Kreuzungen um beeindruckende 11 bis 22 Prozent gesenkt werden könnten.

Was ist eigentlich Öko-Fahren und warum ist es für die Zukunft der Städte entscheidend?

Öko-Fahren ist ein Überbegriff, der eine Reihe von Techniken und Technologien umfasst, die darauf abzielen, den Energieverbrauch und die schädlichen Emissionen von Fahrzeugen zu senken. Im Grunde ist es eine intelligentere Fahrweise, die die Fahrzeugbewegung entsprechend den Verkehrsbedingungen optimiert. Anstelle eines reaktiven Fahrstils, der auf plötzlichem Bremsen und Beschleunigen beruht, fördert das Öko-Fahren Flüssigkeit und Voraussicht. In naher Zukunft könnte dies die Nutzung von Smartphones oder Displays in Autos bedeuten, die den Fahrern Empfehlungen zur idealen Geschwindigkeit geben. Langfristig gesehen umfasst die Vision intelligente Systeme, die die Geschwindigkeit von teilautonomen und vollständig autonomen Fahrzeugen direkt steuern und dabei fortschrittliche Kommunikation zwischen Fahrzeug und Verkehrsinfrastruktur (V2I) nutzen.

Die Bedeutung dieser Technologie geht über die reine Reduzierung von CO2-Emissionen hinaus. Weniger Anhalten und Anfahren bedeutet auch einen geringeren Kraftstoffverbrauch, was direkte finanzielle Einsparungen für die Fahrer mit sich bringt. Außerdem werden die Emissionen anderer gefährlicher Schadstoffe wie Stickoxide (NOx) und Feinstaub (PM) reduziert, die sich direkt negativ auf die Luftqualität in städtischen Gebieten und die öffentliche Gesundheit auswirken und Atemwegs- und andere Krankheiten verursachen. Weniger Lärm und geringerer Verschleiß von Bremsen und Reifen sind weitere Vorteile, die zu einer angenehmeren und nachhaltigeren städtischen Umgebung beitragen.

Die Macht der künstlichen Intelligenz im Dienste eines grüneren Verkehrs

Um die tatsächlichen Auswirkungen des Öko-Fahrens auf stadtweiter Ebene zu quantifizieren, führte das MIT-Team eine umfangreiche vierjährige Modellierungsstudie durch. Im Mittelpunkt ihrer Analyse steht eine leistungsstarke Methode der künstlichen Intelligenz, bekannt als Deep Reinforcement Learning (tiefes bestärkendes Lernen). Dieser Ansatz ermöglichte es den Forschern, Millionen von Verkehrsszenarien in digitalen Nachbildungen von mehr als 6.000 ampelgesteuerten Kreuzungen in drei großen US-Städten zu erstellen und zu analysieren: Atlanta, San Francisco und Los Angeles.

Der Prozess war äußerst detailliert. Zunächst identifizierten sie sogar 33 Schlüsselfaktoren, die die Fahrzeugemissionen beeinflussen. Diese Faktoren umfassen alles von der Lufttemperatur und der Straßenneigung über die Kreuzungstypologie und das Fahrzeugalter bis hin zur Verkehrsdichte, dem Fahrerverhalten und der Straßengeometrie. Unter Verwendung von Daten aus offenen Quellen wie OpenStreetMap und geologischen Erhebungen erstellten sie äußerst realitätsgetreue Simulationen.

Das System des tiefen bestärkenden Lernens funktioniert nach dem Prinzip von Versuch und Irrtum innerhalb dieser Simulationen. Der KI-„Agent“, der ein Fahrzeug darstellt, wird für Verhaltensweisen belohnt, die den Energieverbrauch senken (wie das reibungslose Durchfahren einer Kreuzung), und für ineffiziente „bestraft“ (wie plötzliches Bremsen). Durch die millionenfache Wiederholung dieses Prozesses lernt die KI optimale Strategien zur Geschwindigkeitsanpassung für jedes mögliche Szenario und erzielt so die maximal mögliche Energieeinsparung für das gesamte Verkehrssystem, selbst für Fahrzeuge, die nicht aktiv am Programm teilnehmen.

Überraschende Ergebnisse: Ein kleiner Anteil bewirkt eine große Veränderung

Die Analyse der Ergebnisse brachte mehrere wichtige und sehr ermutigende Erkenntnisse. Eine vollständige Umsetzung des Öko-Fahrens, bei der alle Fahrzeuge optimierte Geschwindigkeiten nutzen, könnte die Emissionen an Kreuzungen je nach spezifischer städtischer Struktur um 11 % bis 22 % senken. Beispielsweise könnte Atlanta mit längeren Abschnitten zwischen den Kreuzungen und höheren Geschwindigkeitsbegrenzungen größere Vorteile erzielen, während eine dichter besiedelte Stadt wie San Francisco weniger Raum für Optimierungen bietet, was zu etwas geringeren, aber immer noch signifikanten Einsparungen führt.

Die vielleicht wichtigste Schlussfolgerung der Studie ist, dass keine hundertprozentige Umsetzung erforderlich ist, um signifikante Ergebnisse zu erzielen. Die Forscher fanden heraus, dass selbst wenn nur 10 % der Fahrzeuge auf der Straße aktiv Öko-Fahren nutzen, zwischen 25 % und 50 % der gesamten potenziellen Emissionsreduktion erreicht würden. Dieses Phänomen, bekannt als „Fahrzeugfolgedynamik“, tritt auf, weil nicht teilnehmende Fahrzeuge dem Rhythmus der optimierten Fahrzeuge vor ihnen natürlich folgen, ihre Geschwindigkeit anpassen und dadurch auch die Anzahl der Stopps und ihre eigenen Emissionen reduzieren. Dies erzeugt einen positiven Welleneffekt durch den gesamten Verkehrsfluss.

Zusätzlich zeigte die Studie, dass 70 % der Gesamtvorteile durch die Optimierung des Verkehrs an nur 20 % der kritischsten Kreuzungen erreicht werden können. Diese Erkenntnis ist für Stadtplaner von außerordentlicher Bedeutung, da sie darauf hindeutet, dass das Öko-Fahren schrittweise und gezielt eingeführt werden kann, mit Fokus auf Schlüsselpunkte, und dabei dennoch messbare positive Auswirkungen auf die Reduzierung der Umweltverschmutzung und den Kampf gegen den Klimawandel erzielt werden.

Sicherheit, Implementierung und Synergie mit Elektrofahrzeugen

Eine der Schlüsselfragen jeder neuen Verkehrstechnologie ist die Sicherheit. Die Analyse des MIT-Teams, die standardisierte Metriken wie die „Zeit bis zur Kollision“ verwendet, deutet darauf hin, dass Öko-Fahren genauso sicher ist wie das durchschnittliche menschliche Fahren. Die Autoren warnen jedoch davor, dass eine Änderung des üblichen „Stop-and-Go“-Rhythmus des Verkehrs bei einigen Fahrern unerwartete Reaktionen hervorrufen könnte und weitere Untersuchungen erforderlich sind, um alle Sicherheitsaspekte vollständig zu verstehen.

Der Weg zur breiten Anwendung dieser Technologie ist klar und relativ einfach. Cathy Wu, eine der Autorinnen der Studie, betont, dass es sich um eine „fast kostenlose Intervention“ handelt. Die meisten von uns besitzen bereits Smartphones, die für erste Anwendungen mit Geschwindigkeitsempfehlungen genutzt werden können. Parallel dazu führt die Automobilindustrie rasch fortschrittliche Automatisierungsfunktionen ein, die die technische Grundlage für zukünftige, vollständig integrierte Systeme bilden. „Damit etwas in der Praxis schnell umgesetzt werden kann, muss es relativ einfach zu implementieren und einsatzbereit sein. Öko-Fahren passt perfekt in diese Beschreibung“, so Wu.

Besonders interessant ist die Synergie zwischen Öko-Fahren und der wachsenden Zahl von Elektro- und Hybridfahrzeugen. Obwohl Elektrofahrzeuge keine direkten Emissionen aus dem Auspuff haben, verbessert die Reduzierung der Stop-and-Go-Zyklen ihre Energieeffizienz erheblich und verlängert die Reichweite der Batterie. Die Studie zeigte, dass in San Francisco, wo eine 20-prozentige Einführung des Öko-Fahrens eine 7-prozentige Reduzierung der Emissionen bew