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Elektromagnetische Strahlung:Funkwellen in unserer digitalen Welt

Unsere schöne moderne Technikwelt erleichtert nicht nur das Arbeits- und Privatleben, sondern wirft mit jeder Innovation auch neue Fragen auf. Mit dem Ausbau der neuen Mobilfunktechnologie 5G steht wieder ein Thema ganz oben auf der Liste: die Folgen von elektromagnetische Strahlung mobiler Geräte für die Gesundheit. Daher wird hier versucht, Begriffe und Zusammenhänge einmal unaufgeregt zu betrachten und die Frage nach den gesundheitlichen Folgen von Mobilfunk zu erörtern.

Elektromagnetische Wellen und Strahlung

Aus dem Physikunterricht kennen wir bereits das Zusammenspiel von Magnetfeld und Strom. Stromdurchflossene Leiter erzeugen ein Magnetfeld und Bewegungen des Magnetfeldes oder Bewegungen im Inneren können wiederum Strom erzeugen. Es entstehen elektromagnetische Wellen, in denen elektrische und magnetische Felder in einer bestimmten Häufigkeit (Frequenz) ihre maximale Feldstärke (Amplitude) und Ausrichtung wechseln. Ein Wechselstrom von 50 Hertz ändert z.B. fünfzig mal pro Sekunde seine Amplitude und Ausrichtung. Die Frequenz und die Länge einer Welle stehen im entgegengesetzten Verhältnis. Je länger die Welle, desto kleiner die Frequenz und umgekehrt.

Was sind dann Funk- bzw. Radiowellen? Zunächst: Radiowellen kommen in der Natur vor. Funkwellen sind technisch erzeugte Radiowellen.

Aus Physik Experimenten in der Schule wissen wir, dass es zwischen zwei entgegengesetzt geladenen Körpern, ab einem bestimmten Abstand zueinander, zu einem Ladungsausgleich kommt. Es entsteht ein Funke. Dieser Funke erzeugt ein elektromagnetisches Wechselfeld, dass sich in Lichtgeschwindigkeit fortsetzt und von weit entfernten Antennen empfangen werden kann. So wurden früher Radiowellen tatsächlich erzeugt – mit Hilfe von Funkenentladungen.

Nun kann man gezielt kurze oder lange Wellen erzeugen oder abbrechen, ganz nach dem Prinzip des Morsens. Diese gesendeten Signale können noch durch erhöhen und senken der Amplitude, der Feldstärke, kodiert werden.

In der digitalen Welt werden die Funkwellen nicht mehr auf diese Weise moduliert. Sie sind lediglich ein Trägermedium für digitale Informationen – Nullen und Einsen. Dabei können, je kürzer die Welle und je höher die Frequenz ist, mehr Informationen transportiert werden. Auf der Erhöhung der Frequenzen basiert auch das Prinzip von 5G, welches verspricht, künftig große Datenmengen in Echtzeit übertragen zu können, z.B. beim Streamen von 4K Filmen.

Elektromagnetische Strahlung schließlich ist die gezielte Ausrichtung von elektromagnetischen Wellen bei hoher Energie z.B. von Antenne zum Smartphone. Auch das soll mit 5G auf eine neue Spitze getrieben werden. Durch Phased-Array-Antennen sollen die Wellen geformt und auf ein Ziel ausgerichtet werden. Die Funkstation verfolgt den Empfänger mit ihrem Richtstrahl bis er außer Reichweite ist und die nächste Funkzelle übernimmt. Somit könnten autonome Autos, die selbstständig fahren, möglich werden.

Strahlung hat viele Gesichter

Bei dem Wort Strahlung wird schnell an die Gefahren von radioaktiver Strahlung gedacht. Doch tatsächlich gibt es verschiedene Arten von Strahlung.

Die elektromagnetische Strahlung, die für die Nachrichtenübertragung technisch erzeugt wird, wurde soeben erklärt.

Elektromagnetische Wellen treten auch in der Natur auf, wie z.B. Licht. Außerdem gibt es Röntgenstrahlen, radioaktive Strahlung und ionisierende Strahlung, die zum Teil auch elektromagnetisch ist.

Auch hier müssen wir uns kurz wieder an unser Schulwissen erinnern. Unsere unbelebte Welt besteht bekanntlich aus Atomen und diese können zusammen wiederum Moleküle bilden, wie z.B. Wasser, welches sich aus Sauerstoff- und Wasserstoffatomen zusammensetzt.

Atome bestehen aus einem Kern von positiv geladenen Protonen und neutral geladenen Neutronen. Die Atomhülle dagegen besteht aus negativ geladenen Elektronen. Dabei sind Elektronen und Protonen in gleicher Anzahl vorhanden. Ist das Verhältnis ungleich, spricht man von Ionen, also negativ oder positiv geladenen Atomen.

Zerfallen die Atomkerne kommt es zu Strahlung. Bei der Alphastrahlung wird ein Heliumkern ausgestoßen, welcher durch eine starke Wechselwirkung zwischen zwei Protonen und zwei Neutronen entstanden ist. Die Betastrahlung entsteht, wenn sich durch eine schwache Wechselwirkung Protonen in Neutronen umwandeln oder umgekehrt. Dann wird ein Elektron ausgestoßen. Eine Gammastrahlung entsteht, wenn ein Atomkern, ausgelöst durch eine elektromagnetische Wechselwirkung, aus einem höheren Energiezustand in einen niedrigeren abfällt. Die Protonen und Neutronenzahl bleibt gleich. Jedoch werden hochenergetische Photonen ausgestoßen.

Röntgenstrahlung ist keine radioaktive Strahlung, entsteht aber ähnlich der Gammastrahlung. Hier jedoch nicht durch eine Veränderung im Atomkern, sondern durch eine Energieänderung von Elektronen in der Atomhülle. Auch hier werden Photonen ausgestoßen.

Ionisierende Strahlungen sind in der Lage, in Luft, Gewebe oder in sonstiger Materie Elektronen aus Atomen oder Molekülen durch Stoßprozesse zu entfernen. Es bleiben positiv geladene Ionen oder Molekülreste zurück. Die Strahlung kann damit auch DNA zerstören (Moleküle).

Zu der elektromagnetischen Strahlung gehören also auch die Gammastrahlen und die Röntgenstrahlen. Röntgenstrahlen und radioaktive Strahlen sind ionisierende Strahlungen. Radiowellen dagegen sind nicht ionisierend.

Warum nicht, wenn sie doch elektromagnetisch sind wie Röntgen- und Gammastrahlen? Die Antwort liegt in der Photonenenergie. Je höher die Frequenz, desto mehr Energie überträgt die elektromagnetische Welle, d.h. desto höher ist die Energie eines Photons.

Die Länge von Radiowellen kann der Größe eines Menschen bis zur Höhe eines Hochhauses entsprechen. Eine Mikrowelle kann mit den Maßen einer Fliege verglichen werden. Wellen von Gammastrahlung sind so klein wie ein Atomkern. Dementsprechend hoch ist die Frequenz und die übertragene Energie.

Zusätzlich erhöht sich die Strahlung mit der Anzahl der Photonen. Gammastrahlung, deren einzelnes Photon für sich schon hochenergetisch ist, braucht nicht viele weitere Photonen, um Schaden anzurichten. Bevor langwellige Radiowellen schädlich sind, braucht es erheblich mehr.

 Wellenlänge
m
Frequenz
Hz
Photonenenergie
1eV (Elektronenvolt) = 1,602 176 634 * 1019 J (Joule)
die Wellen werden kleinerdie Frequenz wird größerdie Energie steigt
Radiowellen (Rundfunk)1 m - 10 km30 kHz - 300 MHz>120 peV (pico eV) - >120 neV (nano eV)
Mikrowellen1 mm - 10 cm300 MHz - 300 GHz>1,2 - >120 µeV (micro eV)
Licht380 nm - 640 nm (nano m)381 - 789 THz
(Tera Hz)
1,59 - 3,26 eV
Röntgen10 pm (piko m) -
10 nm (nano m)
30 PHz (Peta Hz) - 30 EHz (Exa Hz)>120 eV
Gamma10 pm (piko m)30 EHz (Exa Hz)>120 keV

Exa = Einheit * 1018 / Peta = Einheit * 1015 / Tera = Einheit * 1012 / Giga = Einheit * 109 / Mega = Einheit * 106 / Kilo = Einheit * 1000 / Zenti = Einheit * 0,1 / Milli = Einheit * 0,001 / Mikro = Einheit * 0,000 001 / Nano = Einheit * 0,000 000 001 / Piko = Einheit * 0,000 000 000 001

5G plant im Frequenzbereich von 40 – 80 GHz zu arbeiten.

Was bewirken die elektromagnetischen Strahlen des Mobilfunks?

Die elektromagnetischen Strahlen in einem Mikrowellengerät bewirken, dass sich die Wassermoleküle in der Nahrung um ihre vertikale Achse drehen, sich also bewegen. Das Molekül wird warm und erwärmt durch Reibung seine Umgebung, das Essen. Die Leistung der Strahlung beträgt, je nachdem was du eingestellt hast, z.B. 1000 Watt. Die metallischen Wände reflektieren die Strahlung und fokussieren sie auf den rotierenden Teller.

Es hat jedoch noch keiner geschafft, mit einem Smartphone eine tiefgekühlte Mahlzeit aufzuwärmen. Eher taut die Nahrung durch die Umgebungstemperatur auf.

Grenzwerte sollen uns schützen

Die INCIRP (Internationale Kommission zum Schutz vor nichtionisierender Strahlung) empfiehlt, dass ein Mobilfunkgerät, wenn es 5 mm vom menschlichen Gewebe entfernt ist, maximal zu einer Absorptionsrate (SAR) von 2 Watt pro kg führen darf. Dabei dürfen wir nicht vergessen, dass sich, je weiter ein Gerät vom Körper weg gehalten wird, die Absorptionsrate verringert.

Tatsächlich müssen in der EU verkaufte Geräte unter 2 W/kg liegen und Mobilfunkstationen dürfen einen gemittelten Ganzkörpergrenzwert von 0,08 W/kg nicht überschreiten. Dieser Wert soll sicherstellen, dass sich der Körper nicht um mehr als 0,02 °C erwärmt.

Die Bundesagentur für Strahlenschutz hat auf ihrer Webseite eine Liste von tausenden Mobilfunkgeräten mit ihren SAR Werten veröffentlicht. BfS – SAR Suche Selbst die schlechtesten Geräte liegen unter 2 W/kg. Die Besten haben ihren SAR Wert auf 0,2 W/kg runtergeschraubt. Das liegt auch im Interesse der Hersteller von Mobilfunkgeräten, denn der Akku eines Gerätes hält länger, je weniger Strom es verbraucht.

Jeder hat schon einmal erlebt, dass ein Smartphone manchmal warm wird. Das ist jedoch nicht mit der elektromagnetischen Strahlung zu verwechseln, von der hier gesprochen wurde. In diesem Fall ist der Akku des Gerätes durch Überlastung warm geworden, z.B. beim Aufladen.

Was sagt die Forschung?

Zu Beginn des 20. Jh. gab es erste Radiosendungen. Der Mobilfunk ist seit fast 30 Jahren Teil unseres Lebens. Seither wurde in tausenden Studien die Auswirkung von Frequenzen von 700 MHz bis 5 GHz untersucht. Auch zu den neuen Frequenzbändern von 30 bis 100 GHz wurden bereits zahlreiche Studien durchgeführt. Es gibt derzeit keine belastbaren Ergebnisse, die auf ein gesteigertes Gesundheitsrisiko hinweisen, wenn die Grenzwerte eingehalten werden.

Die alten langwelligen Radiowellen können Mauern durchdringen. Sie haben eine höhere Reichweite, wodurch weniger Antennen notwendig sind. Mit steigender Frequenz werden die Wellen kürzer und dringen weniger tief in Materie ein. Ihre Energie wird schon an der Körperoberfläche freigesetzt.

Auf der anderen Seite ist die Reichweite der hohen Frequenzen niedriger und das Antennennetz muss dichter gestrickt werden. Hierin liegt ein Kritikpunkt an 5G. Allerdings je näher sich ein Mobilgerät zu einer Antenne befindet, desto weniger Sendeleistung muss es aufbringen. Auch die Antenne kann mit geringerer Sendeleistung arbeiten. Ohnehin geht die meiste Strahlenbelastung von den Endgeräten aus und nicht von den Sendemasten.

Dem setzen Kritiker entgegen, dass mit 5G das Mobilfunknetz noch stärker genutzt werden wird. Somit käme es am Ende doch zu einer höheren Sendeaktivität.

Es ist immer eine Frage des richtigen Maßes. Die Entwicklung muss von der Forschung und den Gremien im Auge behalten werden und die Grenzwerte entsprechend angepasst und durchgesetzt werden. Solange die oben genannten Grenzwerte eingehalten werden, sieht das Bundesamt für Strahlenschutz derzeit keinen Grund zur Sorge. Auf der Webseite des Bundesamtes können sich Interessierte über den aktuellen Stand der Forschung informieren (BfS – Elektromagnetische Felder) und erhalten Tipps für die Nutzung von Mobilgeräten (BfS – Schutz – Tipps für Nutzer*innen von Smartphones und Tablets).