Mobilfunk. Physikalische Grundlagen, biologischer Wirkmechanismus, Grenzwerte

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

I Physikalische Grundlagen
1. Schwingungen
2. Wellen
3. Elektromagnetischer Schwingkreis
4. Hertzscher Dipol
5. Elektromagnetisches Spektrum
6. Modulationsverfahren
8. Drei unterschiedliche Felder

II Biologische Wirkung
1. Polarisation
2. Wirkmechanismus
3. Oxidativer Zellstress
4. Symptome / Krankheitsbilder

III Mobilfunk
1. Senden und Empfangen
2. 5G
3. Grenzwerte
4. Chronologie politischer und wissenschaftlicher Dokumente

IV Praktischer Teil
1. Ideen
2. Bau eines Senders und Empfängers

Fazit

Bilderverzeichnis

Quellenverzeichnis

Einleitung

5G ist zur Zeit in aller Munde. Auch der Klimaschutz wird fast täglich in den Medien diskutiert. Aber nie sind die beiden Themen in ein und demselben Artikel zu sehen, obwohl 5G und auch andere mobile Kommunikationstechnologien sowie das Internet einen nicht zu vernachlässigen Einfluss auf das Klima und die Umwelt haben.

Bereits jetzt liegt der Energieverbrauch der Informations- und Kommunikationstechnik am globalen Stromverbrauch bei 10 Prozent, bis 2030 wird sein Anteil auf mehr als 30 Prozent steigen.

Ein weiteres Problem stellt die Strahlenbelastung des Mobilfunks für Mensch und Umwelt, auch Elektrosmog, dar. Während ein Teil der Bevölkerung keine gesundheitliche Bedrohung bei der Ver-wendung von Mobilfunk sieht, und darin von der Mobilfunkindustrie und den öffentlichen Medien be-stärkt wird, gibt es einen wachsenden Teil der Bevölkerung, welcher der Mobilfunkstrahlung skeptisch gegenübersteht oder sich in seiner Gesundheit beeinträchtigt fühlt. Viele Ärzte und Wissenschaftler warnen vor den Auswirkungen der Mobilfunkstrahlung.

Da meine Eltern mich durch das ständige Ausschalten des WLAN und ihre Warnungen vor Mobil-funkstrahlung genervt haben, wollte ich mehr über Mobilfunk und seine Wirkung erfahren. Daher habe ich dies zum Thema meiner Jahresarbeit gemacht.

Im Rahmen meiner Jahresarbeit habe ich mich also mit elektromagnetischen Wellen beschäftigt und bin der Frage nachgegangen, ob und welche Auswirkungen Mobilfunkstrahlung auf lebende Organismen hat:

Zuerst werden die Physikalischen Grundlagen von Schwingungen und Wellen bis zur Erzeugung elktromagnetischer Wellen im 1. Kapitel dargestellt.

Im zweiten Kapitel wird beschrieben, wie die polarisierte elektromagnetische Strahlung des Mobil-funks auf Zellen wirkt und welche Symptome oder Krankheiten enstehen können. Verschiedene Apekte des Mobilfunks z.B. Grenzwerte oder 5G werden im dritten Kapitel beleuchtet. Den Abschluss der Jahresarbeit bildet die Beschreibung des prakitschen Teils: Übertragung von Musik durch sichtbares Licht.

Da viele Menschen Mobilfunkgeräte verwenden und künstlicher elektromagnetischer Strahlung aus-gesetzt sind, halte ich es für notwendig, dass man sich mit dem Thema intensiv auseinandersetzt. Dazu soll diese Jahresarbiet einen Beitrag leisten.

I Physikalische Grundlagen

1. Schwingungen

„Als Schwingungen oder Oszillationen (lateinisch: oscillare = schaukeln‘) bezeichnet man wie-derholte zeitliche Schwankungen von Zustandsgrößen eines Systems“¹

Am Beispiel des Fadenpendels wird dies nun erläutert.

Ein Fadenpendel ist ein Körper, der hängend an einer Schnur hin- und herschwingt. Als Schwin-gungsdauer (T) bezeichnet man die Zeit, die das Pendel benötigt, um wieder in denselben Schwin-gungszustand zu gelangen, also bis es wieder am selben Ort ist. Diese Zeit ist nur von der Länge (l) der Schnur und der Erdbeschleunigung (g) abhängig, aber nicht von der Masse, denn bei einer höheren Masse ist zwar die anziehende Kraft zwischen den beiden Körpern (hier Erde und Pendel) größer, aber mit der Masse verbunden ist auch eine größere Trägheit. Die erhöhte anziehende Kraft und Trägheit gleichen sich aus.

Mit dieser Formel lässt sich die Schwingungsdauer berechnen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Unter Frequenz versteht man die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde. Der Kehrwert der Schwingungsdauer (T) ist die Frequenz (f).

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Eine Schwingung wird häufig als Sinuskurve dargestellt.

Wird einem System keine weitere Energie mehr zugeführt, werden die Schwingungen „schwächer“ und man spricht von einer gedämpften Schwingung.

Das Fadenpendel wird durch den Luftwiderstand und der Reibung am Aufhängepunkt abgebremst, bis es letztendlich zum Stillstand kommt.²,³

2. Wellen

Die Wasserwellen am Meer, wie sie vom offenen Meer bis an den Strand rollen, kennt jeder. Dabei bewegt sich das Wasser gar nicht in Richtung Strand, sondern nur auf und ab, ohne sich vorwärts zu bewegen. Die Aneinanderreihung dieser Auf- und Ab-Bewegungen schaffen die Illusion, dass sich Materie fortbewegt. In Wirklichkeit ist es lediglich Energie oder auch Information, die transportiert wird.

Wellen werden in zwei wesentliche Wellentypen unterteilt: Longitudinal- und Transversalwelle. Dabei kommt es darauf an, wie die Welle schwingt, im Zusammenhang zur Ausbreitungsrichtung. Eine Welle kann in keinem dieser Fälle Materie befördern.

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Abb. 2: Unterschied zwischen Longitudinalwelle: Schwingungsrichtung in Ausbreitungsrichtung und Transversalwelle: Schwingungsrichtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung

Eine Transversalwelle ist eine Welle, die senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung, schwingt, z.B das Wasser, das auf und ab schwingt, die Welle sich jedoch, zumindest optisch, zum Strand hinbewegt. (bei gewöhnlichen Wasserwellen, wie zum Beispiel am Meer, handelt es sich um eine Mischform beider Wellentypen, Transversalwellen lassen sich aber mit Wasserwellen bildlicher darstellen)

Eine Longitudinalwelle ist eine Welle, die parallel zu ihrer Ausbreitungsrichtung, schwingt. Ein gutes Beispiel dafür sind Schallwellen in der Luft. Beim Schall handelt es sich um Komprimie-rungen / Druckunterschiede, die sich durch ihr Medium fortbewegen. Die Luft wird in Ausbreitungs-richtung der Welle komprimiert, bis dieser Druckunterschied letztendlich bei unserem Ohr angelangt ist und wir ihn wahrnehmen.

Wellen breiten sich grundsätzlich von ihrem Ursprung kugelförmig aus und haben eine bestimmte Wellenlänge (λ) und Geschwindigkeit (v).

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Abb. 3: Sinuswelle in einem Graphen mit eingezeichneter Wellenlänge, Amplitude und Periodendauer

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Die Geschwindigkeit wird mit der zurückgelegten Strecke(s), geteilt durch die benötigte Zeit(t) berechnet. Also die Wellenlänge (λ) geteilt durch die Schwingungsdauer (T). T entspricht dem Kehrwert der Frequenz (^). Nun teilt man Brüche indem man sie mit dem Kehrwert multipliziert, sprich λ • {. Also herrscht folgender Zusammenhang zwischen der Wellenlänge und der Frequenz:

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Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle hängt vom Medium ab und ob Materie benötigt wird. Licht breitet sich im Vakuum ohne Materie mit Lichtgeschwingigkeit (300.000 km/s) aus. Schall breitet sich in Luft mit 340 m/s aus, in Eisen dagegen mit 5000 m/s.⁴

3. Elektromagnetischer Schwingkreis

Auch in der Elektronik gibt es Schwingungen (nicht mechanisch), die im Folgenden dargestellt werden.

Ein Schwingkreis ist eine Anordnung eines Kondensators und einer Spule in einem geschlossenen Stromkreis. Energie, die von außen in das System gegeben wird, wechselt von elektrischer Feldenergie im Kondensator zu magnetischer Feldenergie in der Spule und umgekehrt.

Ein Kondensator besteht im einfachsten Fall aus zwei von einander isolierten Metallplatten. Ver-gleichbar mit einem Akku, kann ein Kondensator Energie speichern und auch wieder abgeben.

Eine Spule besteh aus kreisförmigen Windungen eines Leitungsdrahts. Durch Anlegen einer Span-nung entsteht ein Magnetfeld in der Spule, in welchem Feldenergie gespeichert wird. Jede Spule hat eine bestimmte Induktivität L, welche an gibt wie stark ein Magnetfeld werden kann.

Der Ablauf einer einzelnen Schwingung in einem Schwingkreis ist in vier Schritte unterteilt.

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Abb. 4: Schematische Darstellung eines Schwingkreises der eine Schwingung in vier Schritten durch-läuft. Geladener Kondensator in blau, herrschendes Magnetfeld in der Spule in rot, Strom (I) in schwarz. t = Zeit, T = Schwingungsdauer

Zu Beginn ist der Kondensator geladen, die gesamte Energie ist dort in Form von elektrischer Feldenergie gespeichert.

Entlädt dieser sich nun, fließt Strom durch die Spule hindurch und erzeugt ein Magnetfeld. Der Kon-densator ist jetzt vollständig entladen und die gesamte Energie ist in Form magnetischer Feldenergie in der Spule gespeichert.

Sobald der Stromfluss zum Erliegen gekommen ist, bricht das Magnetfeld zusammen. Diese Änderung des Magnetfeldes bewirkt einen Induktionsstrom, der der Ursache entgegengerichtet ist (Lenzsche-Regel). Der Induktionsstrom bewirkt, dass der Kondensator jetzt wieder aufgeladen wird, jedoch anderes herum als zuvor (+ und - sind jetzt vertauscht).

Der Kondensator entlädt sich nun erneut und erzeugt ein Magnetfeld in der Spule. Die gesamte Energie befindet sich wieder im Magnetfeld.

Durch einen erneuten Induktionsstrom wird der Kondensator wieder aufgeladen. Die Energie ist jetzt, genauso wie zu Beginn, in Form von elektrischer Feldenergie gespeichert.

Diese vier Schritte laufen bei einem Schwingkreis je nach Wahl des Kondensators und der Spule bis zu 50 mal pro Sekunde ab (50 Hz) und gehen etwas fließender ineinander über, als in den einzelnen Schritten beschrieben.⁵,⁶,⁷

4. Hertzscher Dipol

Die Frequenz eines Schwingkreises ist von der Induktivität der Spule, der Fläche der Kondensator-platten und deren Abstand zueinander abhängig. Um sehr hohe Frequenzen zu erreichen, müssen genau diese Parameter verändert werden.

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Abb. 5: Aus dem Schwingkreis wird durch Verändern des Kondensators und der Spule ein Hertzscher Dipol

Aus dem Schwingkreis wird durch Aufbiegen, Verringern der Windungen und Verkleinern der Kon-densatorplatten ein Dipol.

Die Kondensatorfläche entspricht nun nur noch der Drahtstärke und die Windungen der Spule sind jetzt zwar bis auf null reduziert, aber jeder reelle Draht hat trotzdem noch eine Induktivität. Der Hertz'sche Dipol ist in anderen Worten nur ein stark vereinfachter, deformierter Schwingkreis, auch offener Schwingkreis genannt.

Die Abbildung 5 zeigt, wie man sich diese Deformation vorstellen kann. Am Ende bleibt ein gerader Draht oder Metallstab übrig, der hochfrequente Schwingungen erzeugen kann.

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Abb. 6: Darstellung wie sich Schritt für Schritt das elektrische und magnetische Feld innerhalb einer Schwingung vom Dipol löst und abgestrahlt wird

Wie auch beim Schwingkreis ist zu Beginn der Kondensator, hier der Dipol, voll aufgeladen. Die Feldlinien des elektrischen Feldes zeigen von einem Ende zum anderen.

Durch diesen Spannungsunterschied fließt jetzt ein Strom durch den Stab und erzeugt ein Magnet-feld, dessen Feldlinien in konzentrischen Kreisen um ihn herum führen.

Die elektrische Feldstärke ist dabei gleich Null. Die elektrischen Feldlinien verschwinden jedoch nicht, sondern schnüren sich ab und breiten sich als elektrisches Wirbelfeld verbunden mit einem Magnetfeld mit Lichtgeschwindigkeit kugelförmig vom Dipol weg aus. Die Zeichnung ist ein Querschnitt davon, weshalb die Feldlinien eine charakteristische Nierenform haben.

Der Kondensator ist nun anders herum aufgeladen, das elektrische Feld ist maximal und die elektri-schen Feldlinien zeigen bogenförmig in die umgekehrte Richtung als zuvor. Der Strom im Draht ist Null, also gibt es auch kein Magnetfeld.

Fließt der Strom wieder durch den Draht, diesmal aber anders herum, entsteht wieder ein Magnetfeld, dessen Feldlinien in konzentrischen Kreisen um die Achse des Stroms zeigen. Das elektrische Feld schnürt sich wieder ab und breitet sich im Raum aus.

Wie beim Schwingkreis wiederholt sich dieser Kreislauf immer wieder, jedoch sind deutlich höhere Frequenzen möglich.

Die elektromagnetischen Wellen, die dabei entstehen, schwingen transversal.⁸,⁹,¹⁰

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Abb. 7: Modell einer transversal schwingenden elektromagnetischen Welle, die sich in x-Richtung ausbreitet. In y-Richtung ist das elektrische Feld, in z-Richtung das magnetische Feld

5. Elektromagnetisches Spektrum

Das elektromagnetische Spektrum ist die Gesamtheit aller elektromagnetischen Wellen verschiedener Wellenlängen bzw. Frequenzen. Das Licht zum Beispiel ist ein kleiner Bereich des elektromagneti-schen Spektrums, der für das menschliche Auge sichtbar ist.

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Abb. 8: Kategorisiertes elektromagnetisches Spektrum mit Wellenlängen, Frequenzen und Größen-verhältnissen

Desweiteren wird das elektromagnetische Spektrum in ionisierend und nichtionisierend unterteilt. Diese Einteilung hängt davon ab, ob eine Welle ausreichend Energie besitzt, um Moleküle sofort zu verändern, d.h. wenn sie Elektronen aus einem Atom „schlagen“ kann und so positiv geladene Teilchen zurücklässt (Ionen).

Abb. 9: Buchstaben-Abkürzungen, die für ein vielfa-ches einer Zehnerpotenz stehen und bei Einheiten oder physikalischen Größen vorangestellt werden

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Als Niederfrequenz bezeichnet man Wellen, die zwischen 3 Hz und 30 kHz schwingen und eine Wellenlänge von 10 km bis 100 km besitzen.

Diese Strahlung entsteht als Nebenprodukt bei Oberleitungen der Bahn und in den Leitungen des gewöhnlichen Hausstroms.

Als Radiowellen bezeichnet man Wellen, die zwischen 30 kHz und 300 MHz schwingen und eine Wellenlänge von 1 m bis 10 km besitzen.

Zum Einsatz kommen sie im Rundfunk, Fernsehen und Radar. Das Induktionskochfeld eines Indukti-onsherds arbeitet damit und die Magnetresonanztomografie, kurz MRT, ist ein Verfahren, mit dem in der Medizin Strukturen vom Innern des Körpers abgebildet werden können.

Als Mikrowellen bezeichnet man Wellen, die zwischen 300 MHz und 300 GHz schwingen und eine Wellenlänge von 1 mm bis 1 m besitzen.

Verwendet werden sie bei: Radar, MRT, Mobilfunk, Fernsehen, Mikrowellenherd, WLAN, Bluetooth, GPS, Richtfunk, Satellitenrundfunk.

Als Infrarot bzw. Wärmestrahlung bezeichnet man Wellen, die zwischen 300 GHz und 385 THz schwingen und eine Wellenlänge von 780 nm bis 1 mm besitzen.

Fast alle Fernbedienungen z.B. für den Fernseher oder das Radio funktionieren mit Infrarot. Die Wärme dieser Strahlung ist für den sehr empfindlichen Sensor einer Wärmebildkamera messbar, sodass diese dadurch eine Abbildung der umgebenden Temperaturen anfertigen kann.

Als sichtbares Licht bezeichnet man Wellen, die zwischen 385 THz und 789 THz schwingen und eine Wellenlänge von 380 nm bis 780 nm besitzen.

Dieser Bereich des elektromagnetischen Spektrums ist für den Menschen als unterschiedliche Farben wahrnehmbar.

Als Ultraviolettstrahlung (UV) bezeichnet man Wellen, die zwischen 789 THz und 30 PHz schwin-gen und eine Wellenlänge von 10 nm bis 380 nm besitzen.

Diese Strahlung ist auch als Schwarzlicht bekannt und Sonnencremes schützen vor dieser ungesunden Strahlung, die von der Sonne ausgehen.

Als Röntgenstrahlung bezeichnet man Wellen, die zwischen 30 PHz und 30 EHz schwingen und eine Wellenlänge von 10 pm bis 10 nm besitzen.

Wie man sich schon denken kann, wird diese Strahlung in der Medizin zur Analyse von Knochen-strukturen verwendet.

Als Gammastrahlung bezeichnet man Wellen, die mit 30 EHz oder mehr schwingen und eine Wellenlänge von 10 pm oder weniger besitzen. Sie ist stark ionisierend und desshalb sehr gefährlich.¹¹

6. Modulationsverfahren

Eine gleichmäßig schwingende Welle überträgt noch keine Informationen. Damit das passiert, muss sie verändert werden. Es gibt drei Möglichkeiten dies zu tun: Änderung der Amplitude, der Frequenz und das Ein- und Ausschalten der Strahlung / Welle. Daraus ergeben sich drei Haupt-Modulationsverfahren.

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Abb. 10: Schematische Darstellung der elektromagnetischen Wellen, auf welche das digitale Signal (0110100) dem Modulationsverfahren entsprechend (Frequenz oder Amplitude) aufmoduliert wurde

Die einfachste Methode um mit elektromagnetischen Wellen Information zu übertragen ist das Mor-sen. Dabei wird der Sender einfach nur ein- und ausgeschaltet.

Bei der Amplituden-Modulation (AM) wird, wie der Name schon sagt, die Amplitude moduliert, also die „Stärke“ des Signals verändert. Der Vorteil ist, dass dadurch viel mehr Information pro Zeit versendet werden kann. Bei Signalschwäche treten jedoch Verzerrungen bei der Übertragung auf, da diese ja auch die Amplitude beeinflussen. Das Gerät kann nicht unterscheiden, ob die schwächere Amplitude eine Information ist oder nur schlechter Empfang. Dieses Grundprinzip findet heute noch Anwendung in der Radiotechnik.

Frequenz Modulation (FM) hat dieses Problem nicht. Es wird lediglich die Information auf eine Trägerfrequenz aufmoduliert, deren Frequenz etwas verändert wird. Deswegen ist diese Methode deutlich resistenter gegenüber äußeren Einflüssen und Signalschwäche, da die Frequenz nicht von der Amplitude beeinflusst wird und so die Information erhalten bleibt. FM wird z.B. beim Sateliten-TV und UKW-Radio verwendet.

In allen aktuellen technischen Geräten wie z.B WLAN-Routern, Smartphones etc. wird eine noch schnellere bzw. effizientere Methode verwendet: die Phasenmodulation. Sowohl die Amplitude als auch die Frequenz bleiben dabei konstant. Wobei genaugenommen die Frequenz sich im Moment der Phasenverschiebung auch kurz ändert.

Fängt eine Schwingung an, kann sie zuerst nach oben oder nach unten schwingen. Jetzt kann festgelegt werden, dass eine Welle eine 0 darstellt, wenn sie nach oben schwingt und eine 1, wenn sie nach unten schwingt.

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Abb. 11: Schematische Darstellung der elektromagnetischen Welle, auf welche das digitale Signal (0110100) durch Phasen-Modulation aufmoduliert wurde

Mit diesen Nullen und Einsen werden dann die Informationen, also Worte, Bilder und Musik als Bits (digitaler Code) übertragen. Diese müssen dann vom Empfangsgerät erst wieder decodiert werden.¹²

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