Das (de-)aktivierte Bargeld: Unverwüstliche Speichertechnik in Banknoten

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Steuerbehörden und Strafverfolgern käme die Abschaffung des Bargelds und der Umstieg auf vollständig elektronische Bezahlformen entgegen. Ohne Bargeld ließen sich sämtliche Geldflüsse leichter nachverfolgen. Aber Münzen und Geldscheine sind nicht tot, auch wenn ihr Umsatzanteil gegenüber anderen Zahlungsformen in Deutschland in den vergangenen Jahren gefallen ist und heute unter 50 Prozent liegt. Gerade in Krisenzeiten und bei drohenden Negativzinsen erfreut sich Bargeld weiterhin großer Beliebtheit. Und es wird als anonymes Zahlungsmittel geschätzt.

Die Banknoten selbst werden in der Zukunft allerdings digitalisiert, sagt Professor Volker Lohweg von der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe (TH OWL). Und zwar so, dass der Anwender davon nicht unbedingt etwas merkt. Zudem lasse sich ein digitaler Schalter einbauen, der quasi Geldscheine deaktiviert, die gerade nicht im Umlauf sind. Mit aktivierten Scheinen bleibe aber weiterhin das anonyme Bezahlen möglich.

Ziel der Entwicklung einer smarten Banknote ist es, ihren Lebenszyklus anonym verfolgen zu können, ohne die nutzende Person zu tracken. Die Speichertechnik auf der Banknote plus die auf ihr abgelegten Daten machen es einem Fälscher schwerer, eine glaubwürdige Blüte herzustellen und an den Mann zu bringen – vor allem dann, wenn Kassensysteme in der Zukunft ebenfalls Banknoten auslesen können.

RFID ist nicht robust

Bereits seit Anfang der Zweitausenderjahre ist immer wieder RFID-Technik (Radio Frequency Identification) für Euro-Scheine im Gespräch. 2001 hatte Hitachi Musterscheine präsentiert, in die auf 0,4 Quadratmillimetern ein RFID-Chip samt Antenne eingearbeitet war. Allerdings sprechen nicht nur die vergleichsweise hohen Produktionskosten gegen eine solche Lösung. Banknoten müssen zudem überaus robust sein. Sowohl die Europäische Zentralbank (EZB) als auch die Federal Reserve (Notenbank der USA) haben umfangreiche Anforderungskataloge, welche Grausamkeiten ihre Geldscheine aushalten müssen.

Damit sie maschinenlesbar bleiben und auch Kassierer und Kunden noch die fälschungssicheren Merkmale erkennen können, sollen die Banknoten nicht nur Schmutz abweisen. Sie müssen mehrfaches Zerknüllen überstehen, chemische Angriffe mit Schweiß, Rotwein und sogar Nagellack ertragen und einen Waschmaschinengang notfalls auch bei 90 Grad Celsius aushalten. In der Hitze eines Backofens sowie unter dem Bügeleisen dürfen sie nicht verkohlen und nicht zusammenschrumpeln. Sie müssen im Erdboden überdauern, Kratzattacken hinnehmen und sich am Ende eine Reststeifheit bewahren. Damit halten sie mehr aus als miniaturisierte Elektronik; RFID-Technik oder Mikrochips sind daher in absehbarer Zukunft nicht in alltäglichen Geldscheinen zu erwarten.

Molekülschalter als Bit

Trotzdem entwickeln in Lemgo zwei Institute der dortigen TH Papierscheine mit digitalen Speichern, die voraussichtlich robust genug sind, um einen Geldschein durch seinen Lebenszyklus zu begleiten. Beteiligt sind das Institut für industrielle Informationstechnik unter der Leitung von Professor Lohweg und das Institut für Lebensmitteltechnologie unter Professor Hans-Jürgen Danneel. Die Forscher setzen auf physikochemische Strukturen, die sich mit Lichtstrahlen anregen und damit gezielt in ihrer Molekülstruktur verändern lassen.

Zum Einsatz kommen handelsübliche Spiropyrane, eine Klasse organischer und vor allem photochromer Stoffe. Das bedeutet, dass diese Moleküle auf bestimmte Lichtfrequenzen mit einem Wechsel zwischen zwei stabilen Varianten reagieren, die sich optisch klar unterscheiden. In Lemgo ist es den Forschern gelungen, die Spiropyrane wie in kleinen Glaskugeln zu kapseln und der Druckerfarbe beizumengen. Statt auf Glas setzen die Spezialisten inzwischen allerdings auf gezielt ausgewählte Kunststoffe für die Kapsel – sehr hart, lichtdurchlässig und mikroskopisch klein.

Alternativ mengt man die gekapselten Spiropyrane schon bei der Papierherstellung der Rohmasse bei, der sogenannten Papierpulpe. Auch diese Option verfolgen die Ostwestfalen in ihren Forschungen. In Zusammenarbeit mit der Papierfabrik Louisenthal impften sie dazu originalgetreues Banknotenpapier mit ihren gekapselten Spiropyranen. So erzeugten sie Demonstratoren mit opto-chemischen Speicherbausteinen, die sie im Labor über Monate zuverlässig beschreiben und auslesen konnten.

Reaktion auf Lichtcode

Für den Alltagseinsatz reicht das allerdings noch nicht, da Spiropyrane auf verschiedene Wellenlängen des UV-Lichts und des sichtbaren Lichts ansprechen. Wenn Geldscheine mit Speicherkapseln im Sonnenschein von Hand zu Hand gehen oder die Kassiererin sie unter eine UV-Lampe hält, soll das nicht unabsichtlich deren Daten überschreiben. Zunächst fanden die Forscher für die Einkapselung Kunststoffe, die nur die gewünschten Wellenlängen durchlassen. Darüber hinaus konnten sie in ihre Spiropyrane eine Art Kodierung einbauen. Nur wenn bestimmte Wellenlängen in einer vorgegebenen Reihenfolge mit bestimmten Energieeinträgen auf die gekapselten Moleküle treffen, bewirken sie die chemische Umschaltung. Die Gefahr ungewollter Datenverluste etwa durch einen zufälligen Lichtblitz soll sich damit bis zur Unwahrscheinlichkeit verringern.

Die eingesetzten Spiropyrane zeigen eine weitere Eigenschaft: Mit jedem Umschaltvorgang verändern sie graduell ihren Farbton unter UV-Licht. Damit behält ein Geldschein mit der neuen Speichertechnik sein Aussehen im sichtbaren Licht und offenbart unter der UV-Lampe, wie viele Schreibvorgänge er bereits hinter sich hat.

Beide Auswirkungen, die digitalen Speichermöglichkeiten und die UV-versteckte Protokollierung der Anzahl der Schreibzugriffe sieht Lohweg als wertvolle neue Sicherheitsmerkmale für das Geld von morgen. „Wir können an definierten Stellen gekapselte Spiropyrane aufbringen und einen Speicherplatz von vielleicht 64 bis 128 Byte auf einer Banknote einrichten.“ Damit ist es möglich, bei jeder Ein- oder Auszahlung wesentliche Daten zum Vorgang direkt auf dem Geldschein zu speichern. Der Platz reicht nicht aus, um ein vollständiges Logbuch zu führen, aber die Daten des jüngsten Vorgangs kann ein Schein dann aufnehmen. Für diese Daten haben die Forscher eigens einen Code entwickelt, der Datums- und Ortsangaben versteckt. Diese Kodierung befindet sich derzeit im Patentverfahren. Für Geldfälscher entsteht eine zusätzliche Hürde, wenn sie versuchen, ihre Blüten mit den neuen Speicherzonen auszurüsten, diese zu beschreiben und dabei auch noch sinnvolle Angaben zu kodieren.

Lese- und Schreibvorgänge sind laut dem Experten binnen etwa 50 Millisekunden möglich. Es ist ein ausgesprochenes Ziel der Forscher und der beteiligten Partner, darunter Koenig & Bauer als der dominierende Hersteller von Notenpressen sowie Diebold Nixdorf als internationaler Anbieter von Geldautomaten, dass sich für den Endkunden die Prozesse nicht spürbar ändern. Immerhin ist die Banknote ein Massenprodukt. Weltweit werden jährlich etwa 200 Milliarden Scheine neu gedruckt.

Geld aktivieren

Durch die Speichertechnik auf jeder einzelnen Banknote ergibt sich auch die Möglichkeit, Geldscheine erst bei der Auszahlung zu aktivieren: das sogenannte Check-in-Check-out-Feature. Dahinter steckt der Gedanke, den Status jedes Scheins auf diesem selbst abzuspeichern, ihn also zu sperren oder freizugeben. Das Papiergeld funktioniert nur dann als Zahlungsmittel, wenn ein zertifiziertes Gerät es technisch aktiviert und damit für gültig erklärt. Nicht nur Geldfälscher müssten diese Kodierung erst einmal knacken. Auch bei Bankraub, Lösegelderpressungen oder Überfällen auf Geldtransporte würden künftig wohl überwiegend deaktivierte Noten erbeutet, die sich erst mit sicherheitskritischer Technik aktivieren lassen.

Die Uhr im Schein

Die Forscher haben noch weitere Sicherheitsfunktionen auf der Pfanne. Zunächst wollen sie eine Uhr in die Papierscheine einbauen. Zwar enthält die aufgedruckte Seriennummer eines Geldscheins bereits in verschlüsselter Form das Herstellungsdatum, aber eine Uhr könnte zusätzlich sein tatsächliches Alter protokollieren. Wenn dann beispielsweise eine augenscheinlich neue Banknote auftaucht, deren Uhr bereits ein hohes Umlaufalter zeigt, kann das ein Hinweis auf eine Fälschung sein.

Bei der Lösung dieses Problems haben die Forscher eine Weile mit sich gerungen. Denn die einfachste Art, Zeitabläufe zu messen, funktioniert über den radioaktiven Zerfall bekannter Isotope. An der TH OWL entschied man sich allerdings gegen einen Ansatz, dem Banknotenpapier radioaktive Stoffe beizumengen, um die allgemeine Akzeptanz von Geldscheinen nicht zu gefährden.

Ein weiterer Ansatz war es, volatile organische Stoffe einzubringen, die über die Zeit sich wandelnde Gerüche abgeben. Kunden mit feinen Nasen könnten damit sogar selbst eine Vorstellung vom unterschiedlichen Alter der Geldscheine in ihrem Portemonnaie gewinnen. Auch diese Idee ist allerdings nicht weiter verfolgt worden.

Stattdessen tüfteln die Forscher an langsam ablaufenden chemischen Oxidationsprozessen. Dabei müssen sie mit dem Problem leben, dass solche Prozesse in der Regel temperaturabhängig ablaufen und oft auch auf sichtbares Licht und UV-Strahlung reagieren. Diese Effekte sollen Antioxidantien unterdrücken, die den Oxidationsprozess verlangsamen. Dazu bedruckt man Musterscheine im Labor beispielsweise mit der Farbe Indigo, versetzt mit den Antioxidantien alpha-Tocopherol und BHT (Butylhydroxytoluol), und baut die Mischung in Methyl-Zellulose-Filme ein. Diese Filme lassen sich an beliebiger Stelle auf dem Geldschein platzieren.

Indigo verändert unter auftreffender UV-Strahlung seinen Farbton, was sich optisch messen lässt. Weil eine Banknote damit aber an der Sonne schneller altern würde als in der Hosentasche, sollen weitere chemische Uhren diese Schwäche kompensieren. So altert nun ein zweites chemisches System vor allem unter sichtbarem Licht, unbeeinflusst von UV-Strahlung, und ein drittes im Dunkeln, nahezu unbeeinflusst von den herrschenden Lichtverhältnissen. Zu deren konkreten chemischen Vorgängen veröffentlichen die Entwickler derzeit keine Details, da noch Patentanträge laufen.

Laut Lohweg kann eine solche Dreifach-Uhr das Alter einer Banknote auf ein bis zwei Wochen genau bestimmen, bei einer Lebensdauer von mehreren Jahren. Zum Vergleich: Euro-Scheine mit kleinem Nennwert sind heute etwa zwei bis drei Jahre im Umlauf, bevor sie aus dem Verkehr gezogen und ersetzt werden. Größere Scheine gehen in der Regel durch weniger Hände und haben eine etwas längere Nutzungsphase.

Für das Auslesen solcher chemischer Uhren genügt die optische Bestimmung von Grau- und Farbwerten. Messgeräte für solche Einsatzfälle sind längst am Markt vorhanden. Die Forscher sind zuversichtlich, auch diesen Schritt in wenigen Millisekunden technisch in den Griff zu bekommen. Geldautomaten und Kassensysteme der Zukunft bekämen so eine weitere unbemerkte Funktion, durch die Falschgeld schnell in Verdacht geraten würde.

2D-Code

Mit Speicherplatz auf der Banknote könnte auch das sogenannte MicroIDENT-Verfahren neuen Auftrieb bekommen. Dabei handelt es sich in seiner Urform um einen zweidimensionalen Code, vergleichbar einem QR-Code. „Unser Code kann allerdings mehr Daten speichern, da er komplexer aufgebaut ist“, sagt Lohweg.

Das MicroIDENT-Verfahren ersetzt einzelne Punkte im Druckbild, beispielsweise i-Punkte oder Satzzeichen, durch kodierte Grafiken. Für das bloße Auge ist diese Manipulation kaum wahrnehmbar und damit auch nicht störend. Erst in einem Scan mit einer Auflösung von wenigstens 1200 dpi sind die kodierten Stellen zu erkennen. Zudem ist der Code so gestaltet, dass man ihn sogar aus seinen Einzelteilen wieder in der korrekten Reihenfolge zusammensetzen kann. Banknotenschnipsel lassen sich damit also als Teile eines oder mehrerer Scheine identifizieren.

Dieser Code kann einen Geldschein zusätzlich individualisieren. Ein digitaler Speicher auf dem Schein selbst könnte diesen Code aufnehmen und damit einen weiteren Sicherheitsabgleich ermöglichen. Selbst bei einer Prüfung ohne Online-Zugang ließe sich damit eine Diskrepanz nachweisen. Dieses System ist bereits patentiert und steht als zusätzliche Sicherheitstechnik für Banknoten zur Verfügung.

Dem Geld nicht anzusehen

Die vorgestellten neuen Sicherheitsmerkmale bis hin zu den eingebauten Digitalspeichern ließen sich ohne auffällige Änderungen am Design der Banknoten einführen. Zudem ist die erforderliche Lese- und Schreibtechnik wie UV-Lampen oder Farbscanner breit verfügbar, kostengünstig und leistungsfähig. Die zusätzlichen Scan- und Schreibprozesse an Geldautomaten können damit vom Endkunden unbemerkt im Hintergrund stattfinden.

Die Forschungspartner geben zu bedenken, dass Datenspuren individueller Personen auf Banknoten nicht akzeptabel sind. Der Anwender hätte davon jedenfalls nichts. Offizieller Konsens ist, dass Bargeld als anonymes Zahlungsmittel und Wertspeicher erhalten bleiben soll.

Bis Ende 2020 sollen in Zusammenarbeit mit der Koenig-&-Bauer-Tochter KBA NotaSys Musternoten mit gekapselten Spiropyranen als digitalen Speichern entstehen, sowohl im Papier als auch in der Druckfarbe. Ebenso soll der Probedruck die drei voneinander unabhängigen Uhrsysteme auf den Mustergeldscheinen verwirklichen. Diese wollen die Forscher dann eingehend in den von der EZB vorgegebenen 16 Belastungstests für Banknoten auf die Probe stellen. Nur wenn sich die Musterscheine mit den neuen Sicherheitsmerkmalen auch in jeder Hinsicht als robust genug erweisen, ist die neue Technik zur Einführung bereit.

Neue Banknotenlayouts benötigen lange Abstimmungsprozesse und Zeitabläufe, die sich über sieben bis zehn Jahre hinziehen. Sollten die Euroländer sich allerdings entscheiden, die bereits erforschten Sicherheitstechniken beim bestehenden Geldsystem ohne Designänderungen einzuführen, könnte es deutlich schneller gehen. In etwa fünf Jahren sei die Technik einsatzbereit, schätzt Lohweg. Partner, die das Projekt drucktechnisch umsetzen können und auch die Prüftechnik in Geldautomaten und an der Ladenkasse genau kennen, sind bereits heute im Boot.

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Was heißt anonym?

Bargeld lacht nicht nur, es ist auch eine bewährte, allseits akzeptierte Zahlungsform, die selbst dann noch funktioniert, wenn das Kartenlesegerät mal ausfällt. Geldscheine können als Wertspeicher dienen und vor allem ermöglichen sie anonyme Zahlungsvorgänge. Schließlich sollten weder der Staat noch Konzerne mit Einfluss in viele Lebensbereiche zu viel wissen.

Nun entwickeln Forscher also smarte Banknoten mit Digitalspeicher. Geldautomaten können diese direkt beim Abheben beschreiben; vorgesehen ist, Ort und Zeitpunkt der Abhebung auf jedem Schein abzuspeichern. Hinzu kommt eine digitale Aktivierung, ohne die der Geldschein an der Ladenkasse gar nicht funktioniert. Misstrauisch könnte man das Ende einer anonymen Zahlungsform befürchten.

Doch bevor sich jeder für die nächste Anschaffung in ein Bitcoin-Abenteuer stürzt: Zunächst einmal handelt es sich bei den neuen Techniken um zusätzliche Sicherheitskonzepte. Mit Digitalspeicher und Check-in-Check-out-System plus Uhr und 2D-Code stoßen Geldfälscher auf weitere Hürden.

Es ist wahr: Geldautomaten könnten technischerseits die Kontonummer des Abhebers auf der Banknote ablegen. Allerdings können sie diese Daten in Verbindung mit der Seriennummer auch heute schon speichern, nur eben nicht auf der Note selbst. Wenn das Geld erst einmal durch ein paar Hände gegangen ist, bleibt es auch weiterhin ein anonymes Zahlungsmittel. Diese Situation kann sich jedoch ändern, wenn neben den Geldautomaten mehr und mehr Ladenkassen ihrerseits Geldscheine ein- und auschecken. Schon heute dient die Supermarktkasse auch als Auszahlungsterminal. Wenn aber smarte Banknoten in Zukunft fast gar nicht mehr von Hand zu Hand gehen sollten, sondern in einem immer feinmaschigeren Automaten- und Kassennetz von einem Lese-Schreibvorgang direkt zum nächsten, dann ließe sich der Bargeldfluss fast ebenso gut überwachen wie der elektronische Zahlungsverkehr.

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Dieser Artikel stammt aus c't 16/2020. (agr)