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Elektrosmog Teil 2: Mobilfunkstandards im Vergleich

Bereits gestern habe ich mir in diesem Artikel einige Gedanken über den sogenannten Elektrosmog aufgrund von Mobilfunkantennen gemacht und bin zu dem Ergebnis gekommen, dass wir nicht weniger Sendemasten benötigen, sondern mehr. Aufgrund des Abstandsgesetzes ist die Sendeleistung, mit der das elektromagnetische Feld der Sendemasten viel geringer als die Sendeleistung unserer Smartphones, die wir in der Regel sehr nah an unserem Körper tragen. Würden wir Mobilfunkmasten in einem geringeren Abstand installieren, würde sich die erforderliche Sendeleistung unserer Smartphones drastisch reduzieren.

Reichweiten verschiedener Mobilfunkstandards

In diesem Artikel möchte ich den durch Mobilfunk verursachten Elektrosmog noch etwas genauer untersuchen, indem ich die technischen Unterschiede verschiedener Mobilfunknetze (UMTS, LTE, 5G, …) berücksichtigen. Viele Menschen fürchten durch die flächendeckende Einführung von 5G eine deutliche Steigerung der elektromagnetischen Belastung. Ich werde in diesem Artikel jedoch zeigen, dass diese Sorgen nicht nur unbegründet sind, sondern auch erläutern, warum 5G die elektromagnetischen Einwirkungen sogar reduziert. Wie auch im vorangegangenen Artikel möchte ich darauf hinweisen, dass ich das Thema des Elektrosmogs als nur aus technischer und nicht aus medizinischer bzw. biologischer Sicht beurteilen werde. Alle Rechnungen, die ich in diesem Artikel anstellen werde, kannst Du ohne tiefere Physik-Kenntnisse mit der Excel-Datei am Ende dieses Artikels nachrechnen.

Betrachten wir nun einmal die wesentlichen Unterschiede der der gängigen Mobilfunkstandards. Für diesen Artikel sind vor allem die Frequenz in Megahertz (MHz) sowie die mögliche Datenrate in Megabit pro Sekunde (Mbit/s) interessant. In Tabelle 1 sind die von mir recherchierten Werte dargestellt.

Tabelle 1: Datenraten, Frequenzen und Wellenlängen unterschiedlicher Mobilfunkstandards.

Da für jeden Mobilfunkstandard nicht eine diskrete Frequenz, sondern ganze Frequenzbereiche, verwendet werden, habe ich in die Tabelle die untere und obere Grenze dieses Bereichs eingetragen. Um jedoch die nachfolgenden Überlegungen etwas übersichtlicher zu gestalten, bilde ich aus diesen beiden Frequenzen den Mittelwert und rechne damit im Folgenden weiter. Mithilfe der Lichtgeschwindigkeit lässt sich die Frequenz in eine Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen berechnen. Diese Werte sind in der letzten Spalte von Tabelle 1 eingetragen. Es gilt: je größer die Frequenz, desto kleiner ist die Wellenlänge.

Wie wirken sich die Wellenlängen auf die elektromagnetische Belastung aus? Im vorangegangenen Artikel habe ich ja bereits das Abstandsgesetz erläutert und gezeigt, dass die elektromagnetische Leistung, die auf einen Körper einwirkt mit dem Quadrat des Abstandes abnimmt. Dieser Zusammenhang ist auch richtig, allerdings haben wir nicht geklärt, wie hoch die Sendeleistung des Smartphones sein muss, damit das Signal noch in ausreichender Stärke am Sendemast ankommt. Dazu kann mithilfe der Gleichung 1 die sogenannte Freiraumdämpfung (F) berechnet werden, die das Verhältnis der durch den Sender abgegebenen Leistung (P) und der empfangenen Leistung (Pr) darstellt. Darin ist r der Abstand zwischen Sender und Empfänger und λ (sprich: lamda) die Wellenlänge.

Gleichung 1: Freiraumdämpfung

Das bedeutet, dass die Reichweite der Antennen mit zunehmender Frequenz sinken. Um dennoch eine stabile Funkverbindung zu ermöglichen, ist also entweder eine erhöhte Sendeleistung oder ein dichteres Netz aus Sendemasten erforderlich. Tatsächlich führt dies dazu, dass bei aktiver Datenübertragung die elektromagnetische Belastung steigt, insbesondere weil die Smartphones schon bei geringen Abständen eine hohe Sendeleistung abgeben müssen.

Reichweitennachteil vs. bessere Übertragungsraten

Wir müssen jedoch berücksichtigen, dass wir diese Übertragungsleistung nur dann benötigen, wenn wir tatsächlich Daten übertragen. Durch die in Tabelle 1 dargestellten Übertragungsraten ist dies mit fortschrittlicheren Mobilfunkstandards in immer kürzerer Zeit möglich. Für einen realistischen Vergleich ist also die elektromagnetische Energie, die pro übertragenem Mbit anfällt, maßgeblich. Hierzu habe ich wieder eine kleine Modellrechnung durchgeführt, bei der ich folgende Annahmen getroffen habe:

  • Frequenzen und Übertragungsraten aus Tabelle 1
  • maximale Sendeleistung des Smartphones: 0,2 W
  • konstante Leistung des Sendemastes: 40 W
  • Leistung, die vom Smartphone am Sendemast ankommen muss: 0,0005 nW

Mithilfe der Gleichung 1 ergeben sich die in Abbildung 1 dargestellten Ergebnisse.

Abbildung 1: elektromagnetische Belastung des Smartphonenutzers in Abhängigkeit vom Abstand zum Sendemast sowie dem gewählten Mobilfunkstandard.

Wir erkennen, dass ältere Mobilfunkstandards wie GPRS, EDGE und UMTS eine wesentlich höhere elektromagnetische Belastung bewirken, weil sie sehr geringe Übertragungsrate ermöglichen. Die Übertragung von beispielsweise 50 MB Daten würde somit sehr lange dauern und damit Menschen über einen längeren Zeitraum mit elektromagnetischer Leistung belasten. Dagegen sind die Übertragungsraten ab 4G so hoch, dass sie am unteren Rand des Diagramms kaum auffallen. Daher habe ich das Diagramm in Abbildung 2 noch einmal in einer anderen Skalierung dargestellt.

Abbildung 2: wie Abbildung 1 jedoch mit modifizierter Skalierung.

Tatsächlich ist erkennbar, dass die elektromagnetische Belastung durch den Wechsel von 4G auf 5G erhöht wird, wenn auch auf einem sehr geringen Niveau. Bei ca. 740 m Abstand macht die gelbe Linie einen Knick und verläuft von dort an waagerecht. Dies ist damit zu erklären, dass hier das Smartphone die maximale Sendeleistung von 0,2 W erreicht hat. In der Praxis würde bei zunehmender Entfernung vom Sendemast die Verbindung abreißen und das Smartphone würde mit voller Sendeleistung versuchen eine Funkverbindung mit einem anderen Sendemast herzustellen.

Fazit und Ausblick

Es bleibt festzuhalten, dass die elektromagnetische Leistung die durch Mobilfunk auf uns einwirkt, durch 5G geringfügig vergrößert wird. Sie ist jedoch noch immer wesentlich kleiner als ältere Mobilfunkstandards, die (zumindest in Deutschland) immer noch genutzt werden. Aus meiner Sicht ist daher eine Verhinderung von 5G-Netzen unverhältnismäßig, zumal dieser Standard enorme technische Vorteile (Internet der Dinge, automatisiertes Fahren, usw.) ermöglicht. Ich plädiere daher an dieser Stelle für die flächendeckende Einführung von 5G, sodass wir uns möglichst schnell von veralteten Standards verabschieden können. Interessant ist auch, dass bereits Forschungsarbeiten an dem Mobilfunkstandard 6G laufen, der Übertragungsraten von bis zu 400 Gbit/s ermöglichen soll. Leider konnte ich bisher keine Angaben über den Frequenzbereich finden, sodass eine Beurteilung dieser Technik hinsichtlich der elektromagnetischen Belastung derzeit nicht möglich ist.

Elektrosmog Teil 1: Das Abstandsgesetz

Heute möchte ich mal ein paar Gedanken zum Thema Mobilfunk und Elektrosmog äußern und die Debatte über unbeliebte Sendemasten mit einigen physikalischen Überlegungen anreichern. In diesem Zusammenhang habe ich auch ein kleines Experiment durchgeführt, von ich hier berichten möchte.

Was ist Elektrosmog und wie kann man ihn messen?

Physikalisch betrachtet ist der Begriff Elektrosmog nicht definiert. In der öffentlichen Diskussion jedoch ist in der Regel die bisher nicht abschließend nachgewiesene Belastung elektromagnetischer Felder auf Lebewesen gemeint. Solche Felder entstehen prinzipiell dort, wo elektrischer Strom fließt. Jedoch werden Hochspannungsleitungen und Mobilfunkantennen besonders kritisch gesehen. Auf diese Art von elektromagnetischen Feldern möchte ich im Folgenden näher eingehen. Die Intensität von elektromagnetischen Wellen lässt sich als Leistung verstehen, wird also in Watt gemessen. Dies entspricht der Energie, die pro Sekunde durch einen bestimmten Querschnitt transportiert wurde. Unglücklicherweise kann diese Leistung, wie wir weiter unten sehen werden, in unserer Umwelt sehr viele verschiedene Größenordnungen annehmen. Somit ist eine Angabe in Watt zwar möglich, aber sehr unpraktikabel. Im Allgemeinen bedient man sich daher der Umrechnung in einen Leistungspegel, der in Dezibel (dBm) angegeben wird. In Abbildung 1 ist der mathematische Zusammenhang zwischen µW (einem Millionstel Watt) und dBm dargestellt. Bitte beachtet die logarithmische Skalierung der x-Achse.

Abbildung 1: Mathematischer Zusammenhang zwischen µW und dBm.

Es ist erkennbar, dass zwischen der Einheit µW und dBm ein logarithmischer Zusammenhang besteht. Für die mathematisch versierten Leser sei hier kurz die Umrechnungsformel genannt, die jedoch für das weitere Verständnis dieses Artikels nicht zwingend erforderlich ist. Wichtig zu wissen ist nur, dass das Verhältnis zwischen µW und dBm nicht proportional, sondern logarithmisch ist. In diesem Artikel habe ich mal wichtige mathematische Wachstumsarten voneinander abgegrenzt, das logarithmische Wachstum war eines davon.

Gleichung 1: Zusammenhang zwischen µW und dBm

Ein Experiment zum Abstandsgesetz

Um zu verstehen, wie stark sich die Leistung eines elektromagnetischen Feldes mit zunehmender Entfernung verkleinert, habe ich ein Experiment durchgeführt. Ich habe auf meiner Terrasse einen WLAN-Repeater installiert, der mein Smartphone auch draußen mit bester Funkverbindung versorgt. Hierbei handelt es sich ja im Prinzip auch nur um eine empfangende und eine sendende Antenne, die selbstverständlich elektromagnetische Wellen abstrahlt. Nun habe ich mit meinem Smartphone in verschiedenen Abständen zum Repeater die Signalstärke in dBm gemessen. Dies geht mit meinem Android-Smartphone direkt in den Einstellungen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle1: Abstand zum Repeater und gemessene Leistung

Da ich die Entfernung nur grob abgeschritten habe, ist mir ein Fehler unterlaufen. Ich habe in Nachgang auf Google Maps festgestellt, dass ich eine größere Strecke zurückgelegt hatte als angenommen. Daher habe ich meine gezählten Schritte mit einem Korrekturfaktor multipliziert, sodass ich auf die korrekte maximale Entfernung komme. Ich unterstelle also, dass ich beim Abschreiten jeden Schritt um die gleiche Länge zu groß gewählt habe. Um die Messunsicherheit ein wenig zu reduzieren, habe ich in jeder Entfernung zwei Messungen gemacht (auf dem Hin- und Rückweg). Für jedes Wertepaar möchte ich den Mittelwert berechnen. Damit das möglich ist, muss ich zunächst mit der Gleichung 1 auf µW umrechnen. Ansonsten würde mir der logarithmische Zusammenhang zwischen µW und dBm den Mittelwert verzerren. In der rechten Spalte siehst Du den Mittelwert dargestellt. Um die Ausgangsfrage nach dem Zusammenhang zwischen Abstand und Leistung zu verstehen, habe ich die entsprechenden Messwerte in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Grafische Darstellung der gemittelten Messergebnisse.

Wir erkennen, dass die am Smartphone gemessene Leistung ungefähr mit dem Quadrat des Abstands zum Repeater sinkt. Dies ist genau der Zusammenhang, den uns auch die Physik lehrt: eine Verdoppelung des Abstandes zur Quelle des elektromagnetischen Feldes reduziert die gemessene Leistung auf ein Viertel. Dieser Zusammenhang ist in Abbildung 3 illustriert. Das bedeutet, dass kleine Abstände die Belastung von elektromagnetischen Feldern bereits massiv reduzieren können. In meinem Experiment konnte ich die gemessene Leistung schon mit einem Abstand von 10 m massiv reduzieren, während eine weitere Entfernung zum Repeater die Leistung nur unwesentlich reduziert haben.

Abbildung 3: Darstellung des Abstandsgesetzes. Eine Verdoppelung des Abstands senkt die Belastung pro Fläche auf ein Viertel. Quelle (Stand: 26.04.2020)

Bedeutung für die Praxis

Ich möchte an dieser Stelle nicht diskutieren, ob elektromagnetische Felder dem Menschen oder anderen Lebewesen Schaden zufügen können, da mir als Ingenieur dazu die Fachkenntnisse fehlen. Stattdessen möchte ich mich auf die Frage konzentrieren, wie wir die auf uns einwirkende elektromagnetische Leistung reduzieren können, ohne Einschränkungen im Mobilfunk zu erfahren. Große Mobilfunkantennen, die ein gewisses Gebiet erschließen sollen, sind in der Regel auf hoch gelegenen Masten oder Gebäuden installiert, sodass allein schon aufgrund ihrer Entfernung zum Boden (und damit auch zu unseren Endgeräten) das Abstandgesetz eine starke Wirkung erzielen kann. Von diesen Antennen geht also nur eine geringfügige Belastung aus, die durch einen weiteren Abstand nur unwesentlich reduziert werden kann. Viel größer dürfte die Belastung durch die Antennen der Endgeräte sein. Beispielsweise werden Smartphones häufig in unmittelbarer Nähe zum Körper getragen, sodass das Abstandsgesetz keinen ausreichenden Schutz bietet. Glücklicherweise besitzen Smartphones eine Regelung, welche die Sendeleistung auf ein notwendiges Maß begrenzt, um eine stabile Netzverbindung zu gewährleisten. Die Höhe dieses notwendigen Maßes hängt natürlich vom Abstand zum nächsten Mobilfunkmasten ab. Je geringer der Abstand, desto geringer die Sendeleistung des Endgeräts in unmittelbarer Nähe zu unserem Körper. In einer beispielhaften Rechnung habe ich angenommen, dass ein Sendemast konstant eine Leistung von 15 W abgibt. Diese Leistung ist unabhängig von meiner Entfernung zum Sendemast, da dieser auch noch viele weitere Personen mit einer Funkverbindung versorgt. Mein Smartphone hat eine maximale Sendeleistung von 0,2 W. Mit dieser Leistung ist eine maximale Reichweite von 5 km zum nächsten Sendemast möglich, ohne dass die Verbindung abreißt. Bei geringerer Entfernung wird die Sendeleistung gemäß dem Abstandsgesetz reduziert. In Abbildung 4 sind die Belastungen durch den Sendemast, das Smartphone sowie die Gesamtbelastung auf den Träger des Smartphones dargestellt.

Abbildung 4: Belastung eines Smartphonenutzers in Abhängigkeit von der Entfernung zum Sendemast.

Was bedeutet dieses Beispiel für die Praxis? Wir können erkennen, dass bei sehr kurzen Entfernungen in der Tat die Belastung durch das elektromagnetische Feld des Sendemastes überwiegt. Doch schon ab ca. 200 m Entfernung überwiegt die Leistung des Smartphones, sodass die Gesamtbelastung mit zunehmender Entfernung zum Sendemast steigt. Damit kommen wir zu einem überraschenden Ergebnis: wenn wir uns zu sehr gegen den Bau von Sendemasten wehren, werden die Abstände groß gehalten, sodass wir einer starken Belastung durch unsere Smartphones ausgesetzt sind. Würden wird dagegen viel mehr Sendemasten einsetzen, wäre der Abstand und somit die Gesamtbelastung für die Bevölkerung viel geringer. Leider wird dies bis heute nicht von unserer Politik erkannt, sodass wir wohl auch weiter mit der Infrastruktur eines Schwellenlandes leben werden müssen. Armes Deutschland.

Falls Ihr Lust habt das Experiment zu wiederholen oder die Beispielrechnung aus Abbildung 4 mit anderen Annahmewerten durchzuführen, könnt Ihr Euch nun hier meine Excel-Datei herunterladen. Viel Spaß beim rechnen und experimentieren.