Alles, was Sie über die Funktionsweise des US-Stromnetzes wissen müssen

Jan 07, 2024

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Das US-amerikanische Stromnetz hat das Leben völlig revolutioniert, erfordert jedoch ständige Sorgfalt, Wachsamkeit und Innovation.

Was ist die größte Maschine der Welt? Der Liebherr R9800, der größte Bagger der Welt, ist eine gute Vermutung. Der Raupentransporter der NASA, das panzerartige mechanische Monster, das in Cape Canaveral Raketen herumkarrt, ist ein weiterer ernstzunehmender Konkurrent. Es stellt sich heraus, dass die größte Maschine der Welt direkt vor Ihrer Haustür steht. Sie sehen es wahrscheinlich, wenn Sie in den Supermarkt gehen. Tatsächlich verwenden Sie es wahrscheinlich gerade.

Das nordamerikanische Stromnetz – das eigentlich ein Flickenteppich aus fünf kleineren Verbindungen ist – wird von manchen als die größte Maschine angesehen, die die Menschheit je geschaffen hat. Allein in den USA gibt es 600.000 Meilen Übertragungsleitungen und 5,5 Millionen Meilen Verteilungsleitungen (diese schwarzen Drähte, die Ihr Zuhause mit Strom versorgen). Es handelt sich allem Anschein nach um eine beeindruckende technische Leistung, die jedoch nie wirklich vollendet wurde.

Damit die USA ihren steigenden Strombedarf decken können, da Autos, Haushalte und Unternehmen fossile Brennstoffe durch grüne Energie ersetzen, muss das Stromnetz mit der Nachfrage Schritt halten. Das bedeutet nicht nur, die bestehende Infrastruktur zu modernisieren und gleichzeitig in mehr Kapazität zu investieren, sondern auch, dieses weitläufige, anfällige Netz vor allem zu schützen, von Tornados bis hin zu Terroristen.

Das US-Stromnetz ist kein Denkmal vergangener Erfindungsgabe, sondern eine Herausforderung für uns selbst. So entwickelte sich diese Maschine von einem kleinen Kraftwerk in New York City zu einem kontinentalen Megaprojekt; wie das Stromnetz funktioniert und Strom zu Ihnen nach Hause liefert; und wie dringend es sich auf den bevorstehenden Energiekampf vorbereiten muss.

Am 4. September 1882 um 15 Uhr schloss ein Ingenieur, der in einem Kraftwerk in der Innenstadt von Manhattan arbeitete, einen Leistungsschalter, und innerhalb von Sekunden erwachten sechs kohlebetriebene, 27 Tonnen schwere und 100 Kilowatt starke Dynamos zum Leben. Thomas Edisons Pearl Street Station – das erste Kraftwerk der Welt – versorgte die Bewohner im Umkreis von etwa einer Viertelmeile mit Gleichstrom (DC) und versorgte 400 Lampen von etwa 85 Erstkunden mit Licht.

Heutzutage scheinen 400 Lampen ein ungünstiges Debüt zu sein, aber dieser einfache Schalter hat das Leben auf der Erde für immer verändert. Dieser Moment stellte den Höhepunkt jahrhundertelanger elektrischer Durchbrüche dar, als Wissenschaftler begannen, elektrostatische Ladung und Elektromagnetismus zu verstehen, während Ingenieure Kondensatoren, Batterien und schließlich ganze Kraftwerke bauten. Dieser besondere Sommernachmittag in New York City markiert den Beginn des US-amerikanischen Stromnetzes.

Innerhalb von nur 140 Jahren verwandelten diese 400 Lampen 4,24 Billionen kWh Jahresstrom. Wie hat sich dieses eine New Yorker Kraftwerk in das technische Wunderwerk verwandelt, das unser modernes Leben ermöglicht?

Obwohl mit der Pearl Street Station eine neue Ära begann, musste die glänzende Zukunft der künstlichen Beleuchtung zunächst den „Krieg der Strömungen“ überstehen. In einer Ecke hat sich die Gleichstromtechnologie von Edison bereits bewährt, konnte jedoch nicht über große Entfernungen übertragen werden, da die Ingenieure damals die Spannung nach der Erzeugung nicht erhöhen konnten. Aufgrund dieser technologischen Einschränkung müssten Kraftwerke ebenso häufig vorhanden sein wie Briefkästen in Städten und Gemeinden. Die Innenstadt von New York zum Beispiel verwandelte sich in einen Dschungel aus Querträgern und Elektrokabeln. Ein Augenzeuge sagte damals: „In der Innenstadt gab es Wälder aus Masten … und die Feuerwehrleute hatten größte Schwierigkeiten, ihre Leitern hochzuziehen.“

Aber ein anderer Erfinder und ehemaliger Edison-Mitarbeiter namens Nikola Tesla entwickelte – unterstützt vom Erfinder und Unternehmer George Westinghouse – einen Induktionsmotor mit „Wechselstrom“ oder Wechselstrom, der einfacher zu erzeugen war und weniger Energieverluste verursachte, da seine Spannung erhöht und verringert werden konnte dank Transformatoren. Der Krieg tobte bis zum Ende der 1880er Jahre – mit einigen unappetitlichen Folgen, bei denen es zu öffentlichen Stromschlägen kam –, aber AC setzte sich langsam durch.

In den 1890er Jahren begannen mehrere Wechselstromkraftwerke in Colorado, Oregon und Kalifornien damit, die Bewohner über große Entfernungen mit Strom zu versorgen. Im Jahr 1892 schloss sich Edison Electric mit einem Wechselstromkonkurrenten zusammen und gründete General Electric. Im folgenden Jahr erhielt die Westinghouse Corporation die Genehmigung, die Weltausstellung in Kolumbien mit Wechselstrom zu versorgen.

Während der Krieg der Strömungen immer mehr brodelte, explodierte die Stromerzeugung im ganzen Land. In den Städten der USA gab es viele Elektrizitätswerke, die neue Erfindungen wie Trolleys mit Strom versorgten, doch erst in Chicago nahm ein Vorgeschmack auf das moderne elektrische System Gestalt an.

Die Person, die das US-Stromnetz in die Zukunft führte, war der Unternehmer und Geschäftsmann Samuel Insull. Als Insull 1892 in Chicago ankam, wurde die Stadt von 20 verschiedenen Elektrizitätsunternehmen mit Strom versorgt. Nachdem er Präsident des Chicagoer Edison-Unternehmens geworden war, erhöhte Insull schnell den Lastfaktor, führte effizientere Dampfturbinen ein, wurde ein Befürworter der Wechselstromenergie und kaufte schnell andere Unternehmen auf, um konkurrierende Kraftwerke in Umspannwerke umzuwandeln. Innerhalb von 15 Jahren kaufte Insull mehr als ein Dutzend Energieversorger und taufte sein Unternehmen in Commonwealth Edison um – das fortschrittlichste und kostengünstigste Energieversorgungsunternehmen der Welt.

Viele Elektrizitätsversorger kopierten bald den Erfolg von Insull, und als diese Unternehmen wuchsen, wurden sie als schwerfällige Monopole gefürchtet. Aber aufgrund der enormen Investitionen, die für den Betrieb eines Energieversorgers erforderlich waren, betrachteten Ökonomen diese wachsenden Energieriesen als „natürliche Monopole“, bei denen die Fähigkeit, die Kraft riesiger Turbinen zu nutzen, große Kapitalmengen erforderte. Die Regierungen reagierten mit der Schaffung kommunaler oder staatlich regulierter Versorgungsunternehmen, und als die USA immer stärker elektrifiziert wurden, erließ Präsident Franklin Roosevelt eine Reihe von Vorschriften, um den Wettbewerb zu fördern und gleichzeitig die Stromversorgung auf ländliche Gebiete auszuweiten, in denen die Versorgungsunternehmen kaum oder gar keine Gewinne erzielten.

Am Vorabend des Zweiten Weltkriegs begann schließlich das moderne Stromnetz der USA Gestalt anzunehmen. Um Stromausfälle und Stromengpässe zu vermeiden, begann die Bundesregierung, Verbindungen zwischen Versorgungsunternehmen zu fordern. Das bedeutete, dass bei einem Strommangel in Boston der in Ohio erzeugte Strom die Lücke decken könnte. In den 1960er Jahren lieferten die östlichen und westlichen Verbindungsleitungen (zusammen mit der kleineren und politisch motivierten Texas Interconnection) den größten Teil des Stroms der USA. Obwohl diese beiden großen Netze synchronisiert sind, gibt es nur begrenzte Verbindungen zwischen ihnen (mit Ausnahme eines kurzen Zeitraums von acht Jahren, in dem das US-Stromnetz wirklich von Küste zu Küste verlief).

Im Laufe des 20. Jahrhunderts wurden Fortschritte bei der Erhöhung und Senkung der Gleichspannung erheblich verbessert, als schließlich 1990 das erste große Hochspannungs-Gleichstrom-System (HGÜ) mit der Stromversorgung von Neuengland begann. HGÜ-Systeme können teurer sein, da sie Konverter sowohl im Kraftwerk als auch in den örtlichen Umspannwerken erfordern, aber Strom kann längere Strecken effizienter zurücklegen als Hochspannungs-Wechselstromsysteme (HVAC). Heutzutage wird HGÜ bevorzugt, wenn der Strom über eine Distanz von mehr als 400 Meilen transportiert werden muss – ein kleiner Trost für Thomas Edison.

📍Appleton, Wisconsin

Nur ein paar Wochen, nachdem Edison den Schalter im Kraftwerk Pearl Street umgelegt hatte, ging in Appleton, Wisconsin, eine andere Art von Stromgenerator ans Netz. Mit einer Leistung von 12,5 Kilowatt für drei Gebäude gilt das Vulcan Street Power Plant als eine der frühesten Formen moderner Wasserkraft weltweit. Das Kraftwerk war billiger als Dampfkraftwerke wie Pearl Street, und vier Jahre nach der ersten Inbetriebnahme am 30. September 1882 wurden in den gesamten USA etwa 50 ähnliche Wasserkraftwerke gebaut

📍Cleveland, Ohio

Mit einem Durchmesser von 15 Metern und 144 Rotorblättern aus Zedernholz war die erste Windkraftanlage der USA ein wahrer Augenschmaus. Die vom Erfinder Charles Brush im Winter 1888 erbaute Turbine stand hinter seinem Herrenhaus in Cleveland und erzeugte rund 1.200 Watt Leistung – mehr als genug, um die 100 Glühbirnen in Brushs Haus mit Strom zu versorgen. Heute gibt es in den USA rund 70.800 Turbinen

📍Folsom, Kalifornien

Obwohl die Pearl Street Station die Anfänge der Gleichstromversorgung darstellt, ging das Wechselstromäquivalent erst am 13. Juli 1895 ans Netz. Das Folsom Powerhouse war das erste Kraftwerk, das dreiphasigen (60 Hz) Hochspannungswechselstrom lieferte Fernübertragungsleitungen (ca. 21 Meilen) nach Sacramento. Das Kraftwerk beleuchtete zusammen mit anderen Unternehmen das Gebäude der Landeshauptstadt und ist nach wie vor ein erstaunliches Beispiel für das heutige Stromnetz vor der Wende zum 20. Jahrhundert.

📍 Shippingport, Pennsylvania

Im Jahr 1942 bewies der Physiker Enrico Fermi mit seinem Chicago Pile-1, dass der Bau eines künstlichen Kernreaktors möglich war. Es sollte jedoch noch 15 Jahre dauern, bis das erste kommerzielle Kernkraftwerk der Welt ans Netz ging. Als Teil des „Atoms for Peace“-Programms von Präsident Eisenhower ging die Anlage am Ohio River, 25 Meilen von Pittsburgh entfernt, am 18. Dezember 1957 ihre erste durch Kernspaltung erzeugte Energie ans Netz.

📍San Luis Obispo, Kalifornien

Von 1983 bis 1994 befand sich in der Carrizo-Ebene die weltweit erste Photovoltaik-Solaranlage im industriellen Maßstab. Die mit Abstand größte Anlage des Landes, wenn nicht sogar der Welt, verfügte über 100.000 1 x 1,20 m große Solarpaneele, die in der Spitze 5,2 Megawatt Energie erzeugten. Heute befinden sich rund neun Millionen Cadmiumtellurid-Solarmodule auf dem Gelände der Topaz-Solarfarm, einer der größten Anlagen der Welt.

Obwohl das Stromnetz seit seinen Anfängen im späten 19. Jahrhundert an Größe und Komplexität zugenommen hat, bleibt seine Gesamtfunktion weitgehend gleich (wenn auch mit effizienteren und leistungsstärkeren Komponenten). Da die Fähigkeit, Energie zu speichern, komplex und teuer ist, wird Strom nach Bedarf erzeugt. Das bedeutet, dass die Spannung, die eine Glühbirne in Ihrem Haus antreibt, Mikrosekunden früher in einem möglicherweise Hunderte Kilometer entfernten Kraftwerk erzeugt wurde, da sich elektromagnetische Wellen mit Lichtgeschwindigkeit entlang von Leitungen ausbreiten . Um vom Kraftwerk zu Ihnen nach Hause zu gelangen, arbeitet das Stromnetz in drei Phasen: Erzeugung, Übertragung und Verteilung.

Kraftwerke nutzen sekundäre Energiequellen, ursprünglich Kohle, aber immer häufiger Erdgas oder Kernspaltung, um Dampf- und Spinturbinen zu bauen, die mithilfe elektromagnetischer Induktion Strom erzeugen. Da die Stromerzeugung für 31 Prozent des CO2-Fußabdrucks der USA verantwortlich ist (die größte Quelle des Landes), drängt die Politik der grünen Energie darauf, fossile Brennstoffe wie Kohle, Öl und Erdgas durch saubere Alternativen wie Sonne, Wind, Wasserkraft oder Kernkraft zu ersetzen.

Diese elektrischen Turbinen erzeugen den sogenannten dreiphasigen Wechselstrom. Da die Sinuswelle eines Wechselstroms normalerweise 60-mal (Hertz) pro Sekunde schwingt, erlebt die Energie Höhen und Tiefen. Für unsere Haushalte und die meisten einfachen Geräte ist das in Ordnung, aber stromhungrige Maschinen benötigen dreiphasigen Wechselstrom. Durch den Versatz der Sinuswellen um 120 Grad wird sichergestellt, dass sich die Leistung immer einem Spitzenwert nähert.

Kraftwerke leiten diesen dreiphasigen Wechselstrom dann an einen Transformator im Kraftwerk selbst weiter, der die Spannung für die Übertragung auf 155.000 bis 500.000 Volt und mehr erhöht. Je höher die Spannung, desto geringer ist der Strom, d. h. desto geringer ist der Energiewiderstand durch einen Leiter.

Mit einem Transformator, der die Energie erhöht, transportieren Übertragungsleitungen diese Hochspannungsenergie zu Umspannwerken, die sich über Hunderte von Kilometern erstrecken (viel besser als Edisons ursprüngliche Viertelmeile). Diese Sendemasten tragen häufig vier (oder sieben) Drähte, wobei jeder Satz aus drei Drähten eine der drei Wechselstromphasen führt, wobei der siebte ein Erdungsdraht für den Blitzschutz ist. Neben diesen Drähten verfügen Sendemasten auch über große Porzellan- oder Keramikscheibenisolatoren, um die leitenden Drähte mit dem Turm zu verbinden.

Obwohl diese gigantischen Türme oft als unansehnlich gelten (einige Länder haben sogar versucht, sie ein wenig einzustufen), bietet ihre Größe viele Sicherheitsvorteile. Das offensichtlichste ist, dass es Menschen und Autofahrer davor schützt, zu nahe an die Leitungen heranzukommen und möglicherweise einen Lichtbogen zu erzeugen; Der entstehende Lichtbogen kann zu Bränden und sogar zum Tod führen. Ebenso ermöglichen die weit auseinander liegenden Drähte eine Luftisolierung der Leiter, wodurch auch ein Lichtbogenüberschlag verhindert wird. Da es wichtig ist, dass diese Leiter von möglichen Trümmern ferngehalten werden, werden Übertragungsleitungen häufig auf offenen Feldern verlegt oder durch einen gerodeten Waldabschnitt mit ausreichend Platz versehen.

Nach der Durchquerung dieser Hochspannungsleitungen kommt der Strom in einem örtlichen Umspannwerk an. Sie haben wahrscheinlich diese umzäunten Bereiche gesehen, die wie eine verrückte Ansammlung von Strommasten aussehen, die perfekt für das Labor eines verrückten Wissenschaftlers geeignet sind. Obwohl diese Umspannwerke viele komplizierte Funktionen haben, einschließlich Leistungsschaltern zum Trennen vom Stromnetz oder von bestimmten Verteilungsleitungen, ist das Endergebnis, dass Hochspannungsstrom auf weniger als 10.000 Volt (normalerweise etwa 7.200 Volt) herabgesetzt und weitergeleitet wird einen Verteilerbus und dann auf separate Verteilerleitungen. Dabei handelt es sich um die Kabel, die irgendwann außerhalb Ihres Hauses ankommen, sei es an Strommasten oder unter der Erde verlegt.

Schließlich verläuft ein einphasiges Kabel außerhalb Ihres Hauses, und ein Verteilungstransformator senkt die Spannung ein letztes Mal von einigen tausend Volt auf die typischen 240 Volt, die Ihr Zuhause benötigt. Von dort aus leitet der Leistungsschalter des Hauses den Strom zu den Steckdosen und schützt gleichzeitig das Haus vor Überlastungen. Ein intelligenter Zähler außerhalb Ihres Hauses überwacht Ihren Energieverbrauch und stellt Ihnen jeden Monat eine entsprechende Rechnung aus.

Vogel auf einem Draht | Warum werden bei so vielen Volt, die durch Übertragungs- und Verteilungsleitungen fließen, nicht regelmäßig Vögel geröstet, während sie auf Strommasten und -drähten sitzen? Einfach ausgedrückt ist Elektrizität die Bewegung von Elektronen, die von einem elektrischen Potenzial zum anderen fließen. Da Vögel das gleiche Potenzial haben wie das Kabel, erleiden unsere gefiederten Freunde keinen schlimmen Stromschlag, da der Strom im Kabel verbleibt. Aber nur weil Vögel den ganzen Tag auf Drähten sitzen, heißt das nicht, dass sie völlig sicher sind. Manchmal sitzt ein Vogel auf einem Strommast und berührt gleichzeitig einen Draht. Da der Pol mit der Erde verbunden ist, gelangt der Strom durch den Vogel zum Boden. Eine Studie aus dem Jahr 2014 schätzt, dass in den USA jedes Jahr 11,6 Millionen Vögel an Stromschlägen sterben. Die Platzierung von Leitern in größerem Abstand, die Installation von Isolierungen und der Bau von Mastverlängerungen für sichereres Sitzen können dazu beitragen, Vögel vor einem elektrisierenden Ende zu bewahren und gleichzeitig die Netzzuverlässigkeit zu verbessern. Im Jahr 2022 verursachte ein einzelner Vogel in New Orleans 10.000 Stromausfälle – ein weiterer Beweis dafür, dass ein vogelfreundliches Netz auch ein menschenfreundliches Netz ist.

Das US-amerikanische Stromnetz ist ein Wunderwerk der modernen Technik, aber wie andere Megaprojekte in den USA zeigt auch das System sein Alter. Die Biden-Administration schätzt, dass 70 Prozent des Stromnetzes über 25 Jahre alt sind und dass das Stromnetz bis 2050 auch seine aktuelle Kapazität erhöhen muss, um mit dem Energiebedarf Schritt zu halten. Entscheidend ist, dass die USA mindestens 60 Prozent mehr Übertragungsleitungen ausbauen müssen, um eine zunehmende Menge sauberer Energie aus dem sonnigen und windigen Landesinneren der USA zu den Gemeinden entlang der Küste zu liefern. Sie können die Erzeugung sauberer Energie so weit ausbauen, wie Sie möchten, aber ohne ausreichende Infrastruktur zur Übertragung dieser Energie ist sie nutzlos.

Die Kapazität ist nur eine der Herausforderungen für das Stromnetz, die andere ist die Tatsache, dass Versorgungsunternehmen ein leichtes Ziel für Cyberangriffe sind. Das Stromnetz ist aufgrund seiner immensen Größe und Bedeutung für das tägliche Leben das verlockendste Ziel für jedes Land, das in den USA Chaos anrichten möchte. Das Problem wird durch die Einführung des „intelligenten Stromnetzes“ und des „industriellen Internets der Dinge“ verschärft, das die Effizienz und Zuverlässigkeit erhöht und gleichzeitig industrielle Steuerungssysteme mit dem Internet verbindet – wodurch das Stromnetz einer ganzen Reihe potenzieller Schwachstellen ausgesetzt wird.

Bei einem Cyberangriff auf ein Versorgungsunternehmen in der Ukraine waren die Menschen im Jahr 2015 ohne Strom, während ein weiterer Angriff im Jahr 2020 Auswirkungen auf das israelische Wasserversorgungsunternehmen hatte. Im darauffolgenden Jahr bestätigte der US-Energieminister, dass die Gegner der USA wahrscheinlich die Möglichkeit haben, das US-Stromnetz abzuschalten. In einem Bericht aus dem Jahr 2021 wird detailliert beschrieben, dass Versorgungsunternehmen unter anderem eine Bedrohungserkennung implementieren, sich mit Regierungsbehörden bei der Reaktion und Wiederherstellung nach Cyberangriffen abstimmen und Energiesysteme widerstandsfähiger machen müssen.

Doch die größte drohende Bedrohung für das Stromnetz, die die anderen Herausforderungen des Systems wahrscheinlich noch verschlimmert, ist der Klimawandel. Extreme Wetterereignisse wie Waldbrände, Hurrikane und Frost, wie sie Texas im Jahr 2021 in eine Krise stürzten (obwohl die texanische Verbindung ein eigenes Chaos darstellt), werden zur Norm werden, und das Stromnetz muss gehärtet werden, um funktionieren zu können mit diesen Umweltschlägen.

Wie sieht also das Stromnetz der Zukunft aus? Nun, der aktuelle Plan besteht darin, bis 2035 ein zu 100 Prozent sauberes Energiesystem zu schaffen, und um dieses ehrgeizige Ziel zu erreichen, müssen die USA wahrscheinlich neue saubere Energiesysteme bauen, in Kernspaltungstechnologien der nächsten Generation investieren und weiterhin einen internationalen Beitrag leisten Kooperationen zur Entwicklung des heiligen Grals sauberer Energiesysteme: der Kernfusion. In der Zwischenzeit ist es auch wichtig, dass das US-Netz seine Kapazität und Widerstandsfähigkeit erhöht, sei es gegen Hacker oder ein zunehmend stürmisches Klima.

Aber auch weitere Innovationen sind nötig, um das Stromnetz absolut zukunftssicher zu machen. Ein wichtiger Investitionsbereich ist die Entwicklung effizienter Methoden zur Energiespeicherung, um das Netz reaktionsfähiger zu machen, wenn die Sonne nicht scheint oder der Wind nicht weht. Dazu könnten herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien oder neuartigere Ideen wie Schwerkraftbatterien oder Eisen-Luft-Batterien gehören, die das Energiespeicherpotenzial der Oxidation (auch bekannt als Rost) nutzen.

Das National Renewable Energy Laboratory des US-Energieministeriums hat außerdem empfohlen, die drei unterschiedlichen Verbundnetze der USA miteinander zu verbinden. Ein echtes nationales Netzsystem, das die Leistung immer erschwinglicherer HGÜ-Leitungen nutzt, könnte Solarstrom vom sonnigen Kalifornien ins schneebedeckte Neuengland transportieren und das Netz noch widerstandsfähiger gegen Naturkatastrophen machen. Umgekehrt könnten zusätzliche Mikronetze, die wichtige Infrastrukturen wie Krankenhäuser mit Strom versorgen, sicherstellen, dass Stromausfälle keine Auswirkungen auf wichtige Gesundheitsdienste haben.

Die größte Herausforderung wird jedoch darin bestehen, die bereits veraltete Energieinfrastruktur zu modernisieren und gleichzeitig die Kapazität zu erhöhen, da die USA damit beginnen, ihre Autos, Herde, Öfen und im Grunde alles andere zu elektrifizieren.

Seit 140 Jahren hat das US-amerikanische Stromnetz das Leben völlig revolutioniert, aber es ist keine einmalige Schöpfung. Es erfordert ständige Sorgfalt, Wachsamkeit und Innovation, um sicherzustellen, dass das Leben der Menschen, die diese Energie nutzen, sowie des Planeten, den wir alle unser Zuhause nennen, weiterhin verbessert wird.

Darren lebt in Portland, hat eine Katze und schreibt/redigiert über Science-Fiction und wie unsere Welt funktioniert. Wenn Sie genau hinschauen, können Sie seine früheren Sachen bei Gizmodo und Paste finden.

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