Unter Elektromagnetischen Feldern (EMF) versteht man die elektrischen, magnetischen und elektromagnetischen Felder im Frequenzspektrum zwischen 0 Hz und 300 GHz. Während 0 Hz als Gleichfeld bezeichnet, sind alle andere > 0 Hz Wechselfeldern. Dort unterscheidet man zwischen nieder-, mittel- und hochfrequenten Feldern. Physikalisch gesehen zählen alle elektromagnetischen Felder dazu: Gleichfelder, niederfrequente Wechselfelder, hochfrequente Strahlung (Radiowellen, Mikrowellen), optische Strahlung (Infrarot, sichtbares Licht, UV) und ionisierende Strahlung (Röntgenstrahlung, Radioaktivität).
Alle Sender zur mobilen Signalübermittlung erzeugen nicht-ionisierende Strahlungen. In der Schweiz wird der Schutz vor Elektromagnetischen Feldern (EMF) in der «Verordnung über den Schutz vor nichtionisierender Strahlung» (NISV) geregelt. Die Verordnung legt die maximal zulässigen Feldstärken im bereits erwähnten Spektrum zwischen 0 Hz und 300 GHz fest. Nach langen Beratungen im National- und Ständerat setzte der Bundesrat die Verordnung im Jahr 2000 in Kraft. Deren Vollzug obliegt aber den kantonalen und den kommunalen Behörden, wobei für Baubewilligungen von Anlagen innerhalb von Bauzonen i. d. R. die Gemeinden zuständig sind. Baubewilligungen ausserhalb von Bauzonen hingegen erteilen die Kantone. Insbesondere bei fehlendem Fachpersonal in Gemeinden prüfen die Kantone die NISV-Konformität häufig auch dann, wenn der Standort innerhalb einer Bauzone liegt.
Geltungsbereich
Die NISV erfasst alle sog. ortsfesten Anlagen, die EMF abstrahlen. Dazu zählen niederfrequente Quellen (Eisenbahn, Hochspannungsleitungen, Trafostationen) und hochfrequente Sender bis 300 GHz (Radio, TV, alle Funkdienste wie Betriebs-, Amateur-, Militär-, Flug- oder Mobilfunk). Elektrische Haushaltsgeräte, Konsumgüter mit Funktechnologien sowie Anlagen innerhalb von Betrieben sind von der Verordnung hingegen nicht betroffen. Auch Anlagen zur mobilen Kommunikation, die weniger als 6 W Leistung ERP aufweisen (Begriffsklärung siehe Seite 45), werden nicht erfasst.
Darunter fallen Micro-, Pico- oder Femtozellen (siehe ET 4/22) ebenso wie lokale, private Sendeanlagen (WLAN, Bluetooth, MFC etc.) oder mobile Endgeräte wie Smartphones, Notebooks und Pads. Bei Endgeräten gelten internationale technische Normen, die auch Vorschriften zur Begrenzung der Strahlenbelastung enthalten. Die Grenzwerte gelten für die allgemeine Bevölkerung, aber nicht für «berufliche Expositionen». Dazu zählen Arbeitsplätze mit starken elektromagnetischen Feldern, etwa Grossraumbüros.
Schutz und Vorsorge
Die NISV regelt also die Strahlenbelastung im öffentlichen Raum und gehört zu den strengsten Vorschriften weltweit. Sie erlaubt nur 1/10 der effektiven Leistung, die in der EU zulässig ist. Die Immissionsgrenzwerte entsprechen den Empfehlungen der internationalen Strahlenschutzkommission (ICNIRP). Deutlich darunter liegen die sogenannten Anlagegrenzwerte auf Basis des schweizerischen Umweltschutzgesetzes. Es verpflichtet zur vorsorglichen Emissionsbegrenzung bereits dann, wenn nur ein Verdacht auf eine gesundheitliche Gefährdung besteht, selbst wenn diese Gefährdung wissenschaftlich nicht erwiesen ist.
In der kantonalen Praxis geht man bei Prüfung und Genehmigung von öffentlichen Mobilfunkanlagen grossmehrheitlich vom schlechtesten Fall aus und baut grosszügige Reserven ein. Die dabei verordneten Vorsorgemassnahmen müssen allerdings verhältnismässig sein – dazu ein Zitat aus dem Umweltschutzgesetz (USG Art. 11 Abs. 2): «Unabhängig von der bestehenden Umweltbelastung sind Emissionen im Rahmen der Vorsorge soweit zu begrenzen, als dies technisch und betrieblich möglich und wirtschaftlich tragbar ist.»
«Effective Radiated Power» (ERP)
Im Zentrum der NISV steht die ERP, welche die effektive Strahlungsleistung erfasst und angibt, wie stark eine Antenne senden müsste, um «rundum» dieselbe Leistung auszusenden wie in Hauptstrahlrichtung. «Rundum» meint dabei ein halbkugelförmiges Abstrahlprofil, wie es eine Dipolantenne besitzt. Will man sich auf eine kugelförmige («isotrope») Abstrahlung beziehen, so spricht man von EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power). Dank den Angaben von ERP- bzw. EIRP-Leistungen werden Antennen mit unterschiedlichen Richtwirkungen (Bündelungsgrad) vergleichbar. Je höher der ERP-Wert ist, desto höher sind auch die Feldstärken im Hauptstrahl.
Bei 5G ist der feste ERP-Wert jedoch nicht mehr ohne weiteres anwendbar, da keine feste Abstrahlcharakteristik mehr besteht. 5G-Sender passen ihre Abstrahlcharakteristik mit «Beam Forming» an den Nutzer und dessen Anforderungen an. So erhält ein weiter entfernter Nutzer einen schmalen, langen Strahl («Beam») und ein naher Nutzer einen breiten, kurzen Strahl. Wie bereits bei 4G variiert auch die Abstrahlenergie je nach Nutzer und Anwendung. Während z. B. Videostreaming im Zug permanent viel Bandbreite benötigt und entsprechend kräftige Strahlen bedingt, übermitteln IoT-Anwendungen (Internet of Things) meist nur wenige Daten während einer kurzen Dauer. 5G strahlt somit nur so viel wie nötig und ohne festen Abstrahlwinkel.
Neue Regelung für 5G
Wegen fehlender gesetzlicher Grundlagen verwendeten alle Schweizer 5G-Anbieter beim Launch in 2019 daher feste Abstrahlcharakteristiken an bestehenden Standorten auf zuvor von anderen Netztechnologien genutzten Frequenzen. Damit gelang es Swisscom und Sunrise, relativ schnell über 90 % der Landesbevölkerung mit 5G zu versorgen.
Wichtige 5G-Features wie das besagte «Beam Forming» oder «Network Slicing» (besondere Kapazitäten z. B. für Rettungsdienste) durften jedoch nicht aktiviert werden. Seit Ende Februar 2021 besteht die lange erwartete Vorgabe vom Bundesamt für Wald, Umwelt und Landwirtschaft (BUWAL). Es erliess eine Ausführungsbestimmung, wie mit adaptiven Antennen umzugehen ist. Berücksichtigt werden sowohl der Schutz der Bevölkerung vor Strahlung als auch die Interessen der Mobilfunknetz-Nutzer*Innen. Somit wurde der Einsatz adaptiver Antennen unter Einhaltung bestehender Grenzwerte für Mobilfunkanlagen erst zwei Jahre nach dem 5G-Launch möglich.
5G-Standorte werden dabei mit einem Korrekturfaktor belegt, welcher die besonderen Gegebenheiten variabler Sendeleistungen und Strahlformen berücksichtigt. Die seit über 20 Jahren geltenden Grenzwerte werden auch weiterhin vollumfänglich eingehalten. Trotzdem sind schweizweit immer noch über 3 100 Bauanträge für 5G-Anlagen blockiert, was einen zügigen Netzausbau verhindert.
Warum 5G?
Die Schweizer Netzbetreiber versäumten es vor der 5G-Markteinführung, die Bevölkerung über die Technologie und deren Vorteile zu informieren. So kommt 5G im Vergleich zu älteren Mobilfunkgenerationen mit deutlich weniger Sendeleistung aus und kann mit weniger Leistung deutlich mehr Daten übertragen. Dies ist bitter nötig, denn die transferierten Datenvolumina verdoppeln sich etwa alle 12–16 Monate. Daher sind die Betreiber gezwungen, ihre Netze laufend auszubauen und in neue Technologien zu investieren, um die knappen und kostspieligen Frequenzen besser zu nutzen.
Wegen strenger Grenzwerte und tiefer Sendeleistungen sind aber deutlich mehr Mobilfunksender nötig, um die vom Nutzer erwartete Flächendeckung zu gewährleisten. Der höhere Aufwand für Netzbau und Unterhalt belastet die Kostenbilanz der Betreiber sehr. Zudem gilt für 5G wie bei 4G: ohne Verkehr keine Strahlung, auch nachts. 5G fällt für die Vernetzung mobiler Anwendungen eine zentrale Rolle zu, so bei IoT oder M2M (Machine-to-Machine) Kommunikation.
Wireless Local Area Networks (WLANs)
In den Diskussionen rund um 5G gehen lizenzfreie Sender mit Leistungen unter 6W ERP häufig vergessen. Solche Anlagen befinden sich in der Regel deutlich näher am Menschen. Sie sind so kompakt, dass sie im Gegensatz zu deutlich weniger Mobilfunksendern nicht störend auffallen. So nutzen fast alle Büros, Haushalte, Einkaufszentren, Flughäfen, Bahnhöfe, Hotels und Spitäler WLANs. Sie sind ein Massenphänomen und stossen besonders in dicht überbauten Gebieten an ihre Grenzen.
Die Herausforderung der WLAN-Entwickler besteht darin, trotz tiefer Sendeleistung und vollen Frequenzbändern hohe Bandbreiten sicherzustellen. Dies geschieht ähnlich wie in Mobilfunknetzen durch weiter entwickelte Modulationsverfahren sowie über parallele Datenströme über mehrere Antennenpaare dank MIMO (Multiple Input, Multiple Putput). Winzig kleine Antennen im Smartphone oder Notebook werden hier mit den Pendants im WLAN AP gekoppelt und erreichen Geschwindigkeiten im Bereich einiger Gbit/s.
Digital European Cordless Telephony (DECT)
Neben WLANs sind auch DECT-Sender und -Telefone weit verbreitet und strahlen unmittelbar beim Menschen. Der DECT-Standard blieb in seinen Grundzügen seit den späten 80er Jahren praktisch unverändert und ist primär auf Robustheit und Empfangssicherheit ausgelegt. DECT sendet im Frequenzbereich von 1880 bis 1900 MHz und verwendet dazu ein gepulstes Sendesignal mit einer Wiederholungsfrequenz von 100 Hz. DECT nutzt 24 Kanäle in einem Zeitschlitzverfahren und bietet Reichweiten bis zu 300 m im Freien und 50 m in Gebäuden. Es wird daher gerne auch zum Telefonieren auf einem Campus verwendet, ob im Handel, in Kliniken, Kleinbüros oder daheim.
Jedoch haben sich die Emissionen gegenüber den mobilen Frühzeiten deutlich verringert. Während die starke gepulste Strahlung von DECT-Sendern früher bis zu 2 W betrug, sind heute nur noch Strahlungsleistungen von max. 250 mW zugelassen. Moderne DECT-Sender wie auch DECT-Geräte können ihre Sendeleistung zudem stufenweise regeln, sodass die mittlere Strahlungsleistung beim Endgerät während eines Telefonats nur noch rund 10 mW beträgt, im Ruhezustand sogar nur 2,5 mW.
«Specific Absorption Rate (SAR)»
Neben den erwähnten Sendeantennen (Mobilfunk, WLAN, Bluetooth, DECT etc.) erzeugen sämtliche mobile Empfangsgeräte ein messbares Strahlungsfeld. Beide Felder sind von der jeweiligen Sendeleistung und vom Abstand zum Nutzer abhängig. Während jene zur Sendeantenne meist zwischen einigen 100 m und 10 km beträgt, befindet sich das Endgerät in unmittelbarer Nähe zum Kopf des Nutzers.
Um die Strahlungsleistung des Endgerätes (Handy, Smartphone, DECT-Telefon, Chipkarte im Notebook etc.) zu deklarieren und vergleichbar zu machen, wurde schon gegen Ende der 90er-Jahre die SAR definiert. Sie beschreibt die spezifische Absorptionsrate als physikalische Grösse in «Leistung pro Kilogramm Gewebe» (Watt pro Kilogramm; W/kg). Je höher die SAR, desto mehr Leistung wird vom Organismus während einer gegebenen Zeit in Wärme umgesetzt.
Um den Körper z. B. um 1 °C zu erwärmen, muss man etwa 4 W pro kg Körpergewicht während 30 Minuten aufnehmen. Beim Telefonieren mit einem Smartphone am Ohr können je nach Gerät lokale Spitzenwerte von etwa 1.5 W/kg auftreten. Die zum Schutz der Gesundheit international empfohlenen SAR-Höchstwerte betragen 0,08 W/kg (gemittelt über den ganzen Körper) bzw. max. 2 W/kg (lokal gemittelt über Kopf oder Rumpf).
Theorie und Praxis
Dazu muss man festhalten, dass besonders Endgeräte früherer digitaler Mobilfunkgenerationen wie 2G/GSM und 3G/UMTS mit weitaus höheren Sendeleistungen operierten als heute und der Kopf somit deutlich exponierter war. Sender und Endgeräte powerten ihre gepulste Strahlung häufig mit voller Intensität, etwa beim Verbindungsaufbau, während eines laufenden Gesprächs oder bei schwachem Empfang. Wenn 5G-Gegner und Strahlenschützer auch gegen Smartphones wettern und demonstrativ alte «Hundeknochen» nutzen, so bekommen sie im wahrsten Sinn des Wortes deutlich mehr «auf die Ohren» als von moderneren Smartphones.
Wichtig zu wissen: Zur Bestimmung der SAR in Gewebe werden keine lebendigen Körper, sondern Flüssigkeiten verwendet, deren elektrische Eigenschaften diejenigen von homogenen Geweben repräsentieren. Die Tests bestimmen die absorbierte Strahlungsleistung in Materialien mit einer gegebenen elektrischen Leitfähigkeit und einer bestimmten Dichte. Detaillierte Gewebestrukturen und physiologische Prozesse wie die Thermoregulation werden dabei nicht berücksichtigt. Weil die Blutzirkulation sehr effizient Wärme aus dem Gehirn abführt und im Körper verteilt, gelten die SAR-Messungen als grobe Schätzungen, die nur beschränkt das abbilden, was im realen Körper geschieht.
«Der Horrorort»
In der Praxis hängt die reale Strahlenbelastung vom Aufenthaltsort und der Dauer der Bestrahlung ab. So ist ein schnell fahrender Eisenbahnwaggon mit hoher Sitzbelegung der mit Abstand strahlenintensivste Aufenthaltsort. Ein solcher Waggon aus Stahl und beschichtetem Glas wirkt wie ein Faraday'scher Käfig, durch dessen Hülle die Funksignale nur schwer eindringen können. Zudem bewegt er sich schnell, weshalb die Funkstrahlen permanent nachgeführt werden müssen.
Weil dies in einem Intercity während Stosszeiten schnell einmal mehr als 1000 Endgeräte sein können, die auf unterschiedlichen Frequenzen (700/900 MHz, 1,8/2,1/2,6/3,4 GHz) funken, kann man sich den Funksalat und die Exposition des menschlichen Gewebes gut vorstellen. In Waggons powern Sender wie Endgeräte mit voller Leistung, um das Signal von der Antenne möglichst unterbrechungsfrei ins Innere zu bekommen. Es verwundert nicht, dass der Stromverbrauch der Züge in den letzten 10 Jahren seit Einführung der Steckdosen deutlich zugenommen hat. Etwas Hoffnung verbreitet ein neuartiges Spezialglas für Waggons, das für EMF durchlässiger ist.
Strengere SAR-Werte seit 2017
Wie alle Funktechnologien ist auch die SAR-Messung dem technischen Fortschritt unterworfen. Heutige Geräte verhalten sich anders als jene vor 10 oder gar 20 Jahren. Deshalb wurde 2017 der Standard zur Bestimmung der SAR-Werte angepasst. Nach wie vor gelten für Kopf, Torso und Extremitäten unterschiedliche Vorgaben. Die Messung für den Kopf-SAR blieb unverändert. Hier muss der Wert nun für zwei Haltepositionen berechnet werden, wobei die Distanz zwischen Gerät und Ohr 0 mm beträgt (also Gerät in Körperkontakt). Dabei darf die Strahlungsleistung 2 W/kg nicht übersteigen.
Für die Bestimmung des SAR für Torso und Extremitäten ist der neue Standard restriktiver. Die Distanz zwischen Gerät und Körper beträgt neu 5 mm (früher bis 25 mm), wobei 2 W/kg (Torso) bzw. 4 W/kg (Extremitäten) nicht überstiegen werden dürfen. Fast alle Hersteller kommunizieren den SAR-Wert ihrer Geräte. Je tiefer der Wert, desto tiefer die maximale Belastung (in der Regel ein sehr kleines Volumen nahe beim Ohr). Die besten Geräte besitzen SAR-Werte von deutlich unter 500 m W/kg, während sich die schlechtesten an die erlaubten 2 W/kg annähern. Die Mehrheit der heutigen Modelle liegt jedoch deutlich unter 500 mW/kg.
Auch bei maximalen Sendeleistungen liegt die Gesamterwärmung des Kopfes unter 0.1 °C. Diese Zahl bezieht sich auf die beschriebene Berechnungsart der SAR mit isolierten, homogenen Flüssigkeiten. Bei Funkverbindungen auf tieferen Frequenzen im MHz-Bereich ist die berechnete Erwärmung grösser als bei höheren Frequenzen. Empfindet man beim Telefonieren ein Wärmegefühl, so kommt dies in erster Linie durch die Wärmeabstrahlung des Displays und des Akkus sowie durch die Isolationswirkung des Endgerätes zustande. Die Hochfrequenzstrahlung trägt nur hingegen einen kleineren Teil dazu bei.
Gesetzgebung
Der Schweizerische Gesetzgeber hat zwar die Emissionen von Endgeräten wie Smartphones nicht explizit geregelt, weil diese bereits in internationalen Produktenormen festgelegt sind. Jedoch müssen alle verkauften Geräte die erwähnte SAR-Höchstwerte unterschreiten. Die von Mobilgeräten verwendeten Frequenzen werden vom Kopf unterschiedlich absorbiert. 700 und 900 MHz-Wellen dringen tiefer in den Kopf ein als Wellen mit 1800 oder 3600 MHz. Dafür stehen Frequenzen ab 2 GHz im Verdacht, Gehirnzellen temporär (also während der Nutzung) zu verändern, wobei Langzeitschäden nicht bekannt sind.
Messungen haben gezeigt, dass die effektive Belastung am Kopf aber nicht nur von der Nähe des Kopfes zum Endgerät, sondern auch von der Antennenform im Smartphone und dessen Design abhängen. Daher wird ein grösserer oder kleinerer Teil der abgegebenen Antennenleistung vom Kopf absorbiert – bei schlechten Geräten über 50 %. Diese quasi «vom Kopf verheizte Leistung» wird zudem nicht zur Kommunikation genutzt, weshalb solche Geräte in der Praxis auch eine schlechtere Gesprächsqualität liefern.
Fazit
Aus Autorensicht ist es problematisch, beim Thema Strahlenbelastung nur einzelne Funktechnologien für sich zu betrachten und nicht den gesamten Strahlenmix. Hierzu liegen nur ganz wenige Studien vor, was die Diskussion um Strahlenbelastungen nicht gerade beruhigt. Gerade solche Daten könnten zur Versachlichung des Themas einen wichtigen Beitrag leisten. ■
