Expositionsminimierung im Mobilfunk Dr. H. Eder Landesamt für f r Umwelt

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1 Expositionsminimierung im Mobilfunk Dr. H. Eder Landesamt für f r Umwelt Technik Mobilfunk Biologische Wirkungen Möglichkeiten der Reduktion Bayerisches Landesamt für Umwelt 1

2 Es gibt zwei grundsätzlich verschiedene Quellen von Mobilfunkfeldern: die Basisstation das Handy deren Felder wirken auf den ganzen Körper hauptsächlich auf den Kopf Bayerisches Landesamt für Umwelt 2

3 Egal, woher das HF-Feld kommt, im Gewebe passiert dasselbe Zuerst: Kraftwirkungen auf Ladungsträger oder Moleküle mit Dipolstruktur, wie Wasser Die Kraftwirkung bei HF-Feldern des Mobilfunks führt zu verstärkter Bewegung von Ionen und Wassermolekülen Bayerisches Landesamt für Umwelt 3

4 Stärkere Bewegung von Molekülen bedeutet Erwärmung des Gewebes Beispiel: Bei 900 MHz Feldern, schwingt das Wassermolekül mal in der Sekunde. Bei starken Feldern sind die Bewegungen groß, dass sich die Körpertemperatur messbar erhöhen kann. Neben thermischen gibt es auch nicht thermische Wirkungen. Dies sind biologische Reaktionen, die unabhängig von einer Erwärmung ausgelöst werden. Durch Grenzwerte wird dafür gesorgt, dass Gesundheitsbeeinträchtigungen durch Erwärmung vermieden werden Bayerisches Landesamt für Umwelt 4

5 Versuche mit Zellen und Tieren bei höheren und sehr hohen Feldintensitäten Trotz unterschiedlicher Ergebnisse einzelner Studien zeigt das Gesamtbild, dass Krebs in der Zelle nicht durch Mobilfunk ausgelöst werden kann. Mehrere Langzeituntersuchungen sehen bei den digitalen Telefonen keinen Zusammenhang zwischen den höheren Feldern der Handys und Krebs Bayerisches Landesamt für Umwelt 5

6 Studien Hirntumore

7 Sind Hf-Impulse von der Zelle erkennbar? - Hochfrequenzimpulse im GHz-Bereich werden von der Zelle nicht demoduliert, Nf-Anteil deshalb nicht relevant! - Refraktärzeiten von erregbaren Zellen liegen bei einer Millisekunde - Die maximale Erregungsfrequenz beträgt einige Hertz bis Kilohertz

8 Gesundheitliche Auswirkung durch Strahlung von Handys? Zusammenfassung Neuere epidemiologische Studien ergaben, dass von Mobilfunk kein statistisch belegbares Krebsrisiko ausgeht (Langzeiteffekte > 8-10 Jahre fehlen). Die Grenzwerte stellen nach heutigem Stand der Wissenschaft sicher, dass Mobilfunk keine gesundheitlichen Beeinträchtigungen hervorruft. Biologische Effekte vorhanden, jedoch nicht geklärt Weitere Forschung ist notwendig Bayerisches Landesamt für Umwelt 8

9 Vergleich thermische Energie Bindungsenergie - Quantenenergie mittlere kinetische Energie pro Molekül bei 300 Kelvin W = 3/2 kt = 6,2*10-21 J 3,8 *10-2 ev Bindungsenergie Wasserstoffbrückenbindung 10-1 ev E Rotationsenergie Moleküle 5*10-4 ev Quantenenergie 1 GHz: E = h*ν = 6,6 * Js* 10 9 s -1 4,1*10-6 ev E h*ν / E therm 0,

10 MOBILFUNKNETZE Frequenz Leistung Übertragungsart Endgerät (Mittelwert/Spitzenwert ) D1,2-Netz um 900 MHz 0,25 / 2 W FDD-TDMA E-Netz um MHz 0,125 / 1 W FDD-TDMA UMTS MHz 0,25 W FDD CDMA FDD: Frequency Division Multiplex TDMA: Time Division Multiple Access CDMA: Code Division Multiple Access Bayerisches Landesamt für Umwelt 10

11 Das TDMA- (Zeitschlitz-)Verfahren bei GSM-Telefonen: Jedes Handy komprimiert die Information und belegt nur einen von 8 Zeitschlitzen mit 0,577 ms Dauer GSM 900: 124 Kanäle je 8 Zeitschlitze GSM 1800: 374 Kanäle je 8 Zeitschlitze Bayerisches Landesamt für Umwelt 11

12 ABGELEITETE GRENZWERTE (MIT MESSGERÄTEN LEICHTER PRÜFBAR) Elektrische Feldstärke E (Volt/Meter, V/m) Leistungsflussdichte S (Watt/Quadratmeter, W/m²) Umrechnung (Fernfeld) S = E² / 377 W/m² Beispiele: E = 1 V/m S = 0,0026 W/m² E = 41 V/m S = 4,5 W/m² = µw/m² (ungeeignete Einheit *) Es sollten immer die gesetzlichen Einheiten V/m und W/m² benutzt werden (ICNIRP, 26. Verordnung über elektromagnetische Felder 26. BImSchV)! * Man tankt auch nicht µl Benzin sondern 20 l Benzin! Bayerisches Landesamt für Umwelt 12

13 ABGELEITETE GRENZWERTE FÜR DIE ALLGEMEINBEVÖLKERUNG BEISPIELE Mobilfunk D- Netz (900 MHz) 41 V/m 4,5 W/m² Mobilfunk E-Netz (1.800 MHz) 60 V/m 9 W/m² Mobilfunk UMTS-Netz (2000 MHz) 61 V/m 10 W/m² Mikrowelle, WLAN (2.450 MHz) 61 V/m 10 W/m² Die Werte entsprechen internationalen Empfehlungen sowie der Ratsempfehlung der EU von Bayerisches Landesamt für Umwelt 13

14 KÖRPERBEZOGENE GRENZWERTE (BASISGRENZWERTE) Basisgrenzwerte beziehen sich auf die direkte Energieaufnahme: bei Bestrahlung des ganzen Körpers: 0,08 Watt/kg für ein Teilkörpervolumen von 0,01 kg (z. B. Innenohr): 2 Watt /kg Gesundheitliche Beeinträchtigungen können auftreten ab: Ganzkörpererwärmung von T 1,0 C 4 W/kg Vergleich: Grundumsatz des Menschen 1 W/kg Bayerisches Landesamt für Umwelt 14

15 Basisgrenzwerte: Definition des SAR-Wertes 10 g-würfel Grenzwert Handy 2 Watt/kg SAR max. SAR [W/kg] = im Gewebe absorbierte Leistung [W] Masse des Gewebes [kg] Bayerisches Landesamt für Umwelt 15

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18 Energieabsorption im Kopf: Vergleich Basisstation Handy Absorbierte Gesamtenergie (J/kg) = SAR (W/kg) * Einwirkzeit (s) 20 Watt Basisstation, Entfernung 100 m, Dauerstrahlung 24 h/tag 10-5 W/kg * 24* 3600s = 0,86 J/kg 2 Watt Handy am Ohr, Einwirkzeit 45 Min/Tag 0,3 W/kg *0,75 *3600s = 0,81*10³ J/kg Faktor Handy / Basisstation 1000 Bayerisches Landesamt für Umwelt

19 Berechnungsbeispiel: Erwärmung des Auges Physikalische Daten des Auges: t = 200 s Zeitkonstante für die Temperaturerhöhung c = 4 J/g K spez. Wärmekapazität (Näherung: wie H2O) m = 0,010 kg Masse SAR = 2 Watt/ kg Grenzwert für Teilköroperexposition Q = 2 W/kg * 200 s * 0,01 kg = 4 Ws (J) Q = m c T T = Q / m c = 4 /10*4 = 0,10 K Der Teilkörpergrenzwert (2 Watt/kg) beinhaltet daher einen hohen Sicherheitsfaktor Bayerisches Landesamt für Umwelt 19

20 2 Watt/kg kont. 16 Watt/kg gepulst 2 Watt/kg kont. 16 Watt /kg gepulst

21 SAR-VERTEILUNG BEI VERWENDUNG EINES HANDYS auf der Oberfläche eines Modells des menschlichen Kopfes innerhalb eines SAM-Phantoms (specific antropomorphic mannequin) Handys müssen eine SAR von 2 W/kg einhalten, die Temperaturerhöhung im Gewebe liegt dann unter 0,2 Grad! Bildquelle: IMST, Dr. Achim Bahr (2001) Bayerisches Landesamt für Umwelt 21

22 Berechnungsbeispiel Eindringtiefe Beispiel : Eindringtiefe in Hirngewebe (Abfall SAR auf 1/e = 37%) Netz Frequenz λ o ε ε Eindringtiefe D-Netz 900 MHz 33 cm ,3 cm E-Netz DECT 1800 MHz 17 cm ,82 cm UMTS 2000 MHz 15 cm ,65 cm

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24 SAR-Messung nach DIN EN

25 Typ. SAR-Werte

26 Zeitverlauf der SAR beim Telefonieren Verbindungsaufbau am Fenster 3.Stock - Bewegung vom Fenster weg D1 Netz

27 Bayerisches Landesamt für Umwelt Dynamik Basisstation 20 db dynamische Leistungsregelung Dynamik GSM-Handy 30 db UMTS-Handy 80 db

28 Dynamische Leistungsregelung Handy SAR (W/kg) schlechtes Netz gutes Netz 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, mv/m E-Feldstärke (mv/m

29 Maximale Zellengröße für niedrige SAR beim Telefonieren Maximale Zellengröße für SAR-Reduzierung 1 0,1 0,01 0,001 0, n=2, n=3,0 n=4,0 Smin S (W/m²) 1E-05 1E-06 1E-07 1E-08 1E-09 1E-10 1E-11 1E-12 Zellengröße: 120 m 460 m 7100m 1E-13 Entfernung (m) LfU / Abt.2 / Dr. Heinrich Eder Bayerisches / Landesamt für Umwelt

30 SAR bei einer Stadtfahrt durch München (Dauertelefonat) 1,4 1,2 SAR-Verlauf bei einer Stadtfahrt in München (PKW) T-D1-Netz Mittelwert: 0,24 W/kg 1 SAR [W/Kg] 0,8 0,6 0,4 Mittelwert 0,243 W/kg 0,2 0 50:24,0 57:36,0 04:48,0 12:00,0 19:12,0 Zeit [min:sec]

31 Der Strahlungsfaktor von Handys Der Strahlungsfaktor ist das Verhältnis aus der im Kopf absorbierten Leistung (SAR) und der frei in Luft abgestrahlten Leistung P eff S = SAR / P eff SAR P eff Ein möglichst kleiner Strahlungsfaktor ist günstig, siehe LfU / Abt.2 / Dr. Heinrich Eder Bayerisches / Landesamt für Umwelt

32 Parametrisches Handmodell mit 1800 MHz Mobiltelefon Abstrahlung der 1800 MHz PIFA Antenne ohne Hand mit Hand, verdeckt mit Hand, freistehend Quelle: FEKO

33 Antenne

34 MÖGLICHKEITEN DER SAR REDUKTION Auswahl Neugerät (z. B. SAR-Wert, Strahlungsfaktor) Reduktion um bis zu ca. 50% Verwendung Headset weitere Reduktion um bis zu ca. 90% Günstiger Standort, Netzqualität weitere Reduktion um bis zu ca. 95% insgesamt statt z.b. 1W/kg nur noch ca. 0,0025 W/kg (0,5 x 0,1 x 0,05) FAZIT: Augen auf beim Kauf und bei Nutzung von Handys. Angabe des SAR-Wertes/Strahlungsfaktors z. B. unter Bayerisches Landesamt für Umwelt 34

35 Reduzierung der Nebenkeulen nach unten!

36 Adaptive Antenne - die Alternative? XPol F-Panel BM /33 21/19dBi 2 T 299 mm 33 / 28 / 28 / 33 Horizontal Half power Beam width 19 / 21 / 21 / 19 dbi Gain 2 Fixed Electrical Tilt > 25 db Front-to-back-ratio > 20 db isolation between Xpol-Input-Ports 1.3 m Horizontal Pattern Vertical Pattern LfU / Abt / electrical Dr. Heinrich downtilt Eder /

37 Switched Fixed Beam Antenna - Pattern Beam Switching Using Butler-Matrix Butler-Matrix Base Station

40 DATENFUNKNETZE Standard Spitzenleistung/ Mittl. Leistung Impulslänge ms Frequenz Modulationsart Übertragungsart DECT CT1+(analog) bis Ende 2008 zugelassen WLAN IEEE b WLAN IEEE a WIMAX IEEE Bluetooth 250mW/10mW 10 mw 100 mw 30 mw (200 mw geregelt) 3,1 Watt (Europa) 100 / 2,5 / 1 mw 0,083 ms beacon 0,368 ms Gespräch <0,5 ms beacon <0,5 ms beacon 0,366 ms MHz MHz MHz MHz MHz 2500 MHz 3500 MHZ 5800 MHz MHz GFSK/ TDMA DQPSK 16QAM OFDM OFDM/TDMA Frequ.hopping 1600/s

41 WLAN: Duty-Cycle 0%

42 WLAN: Duty-Cycle 50%

43 WLAN 3 Sendestufen

44 Büro mit WLAN + DECT

45 D-Netz D-Netz WLAN E-Netz

46 Ausnutzung der Grenzwerte System Spitzenwert Mittelwert Grenzwert Ausnutzung Referenzwert bezogen auf Mittelwert GSM-Handy 16 Watt/kg 0,6 Watt/kg 2 Watt /kg 30% GSM- Basisstation 900 MHz 60 mw/m² (ungünstiger Standort) 1 mw/m² (Wohnumfeld) 4,5 W/m² 0,02% WLAN-Karte 2450MHz / 0,5 m 10 mw/m² 1 mw/m² 9 W/m² 0,01% Notebook, Oberschenkel 2450 MHz 0,1 W/kg 2 W/kg 5% DECT 1900 MHz / 3 m 7 mw/m² 0,3 mw/m² 9,5 W/m² 0,003% DECT 1900 MHz / 1 m 100 mw/m² 4 mw/m² 9,5 W/m² 0,04 % Babyphone 446 MHz / 1 m 2,6 mw/m² 2 W/m² 0,13% Funktastatur 27 MHz / 50 cm Funkkopfhörer 864 MHz / 1 m 0,2 mw/m² 2 W/m² 0,01% 0,05 mw/m² 4,3 W/m² 0,001%