Auswirkungen elektromagnetischer Felder von Mobiltelefonen auf den menschlichen Schlaf

Inhaltsverzeichnis

I. Abkürzungsverzeichnis

II. Abbildungsverzeichnis

III. Tabellenverzeichnis

1. Einleitung

2. Mobilfunk
2.1. Grundlagen: Elektromagnetische Felder
2.2. Funktionsweise des Mobilfunknetzes
2.3. Die verschiedenen Mobilfunkstandards
2.3.1. GSM-Netze (2G)
2.3.2. UMTS-Netze (3G)
2.3.3. LTE-Netze (4G)
2.3.4. 5G-Netze
2.4. Grenzwerte für den Mobilfunk
2.5. Gesundheitliche Auswirkungen von Mobilfunk

3. Grundlagen des Schlafs
3.1. Makrostruktur des Schlafs
3.2. Mikrostruktur des Schlafs

4. Methodik
4.1. Design
4.2. Literatursuche
4.3. Studienauswahl
4.4. Vorgehensweise bei der Auswertung

5. Auswirkungen elektromagnetischer Felder auf den menschlichen Schlaf
5.1. Bei GSM-Netzen
5.1.1. Zusammenfassung der Ergebnisse: Einfluss auf die Makrostruktur des Schlafs
5.1.2. Zusammenfassung der Ergebnisse: Einfluss auf die Mikrostruktur des Schlafs
5.2. Bei UMTS-Netzen
5.3. Bei LTE- und 5G-Netzen

6. Diskussion
6.1. Auswirkungen auf die Mikrostruktur des Schlafs
6.2. Auswirkungen auf die Makrostruktur des Schlafs
6.3. Stärken und Limitationen

IV. Literaturverzeichnis

I. Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

I. Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Elektromagnetisches Spektrum (Quelle: Deutsche Telekom Technik GmbH, 2017, S. 10)

Abbildung 2: Schematische Darstellung des Prinzips eines Mobilfunknetzes mit Einteilung in Funkzellen (Quelle: Deutsche Telekom Technik GmbH, 2017, S. 7)

Abbildung 3: Dynamische Regelung der Sendeleistung beim Mobilfunk (Quelle: Deutsche Telekom Technik GmbH, 2017, S. 8)

Abbildung 4: Exposition des Kopfes beim Telefonieren mit einem Handy (Quelle: EMF-Portal 1b)

Abbildung 5: Idealtypische Schlafzyklen (Hypnogramm) eines gesunden Erwachsenen (Quelle: Loughran, 2007, S. 8)

II. Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Schlafstadien und ihre Kennzeichen (Quelle: in Anlehnung an Leitgeb, 2007; EEG-Abbildungen aus Loughran, 2007)

Tabelle 2: Zusammenfassung der Studien zu den Auswirkungen der HF-EMF von GSM-Mobiltelefonen auf den menschlichen Schlaf

Tabelle 3: Zusammenfassung der Studien zu den Auswirkungen der HF-EMF von UMTS-Mobiltelefonen auf den menschlichen Schlaf

1. Einleitung

Die Nutzung von Mobiltelefonen nimmt weltweit kontinuierlich zu, wobei jüngste Zahlen zeigen, dass es derzeit weltweit rund 8,3 Milliarden Mobilfunkanschlüsse gibt. Damit ist die Anzahl größer als die gesamte Weltbevölkerung (vgl. Statista, 2019). Trotz der anerkannten Vorteile der Einführung und der weit verbreiteten Nutzung von Mobilfunktechnologien, gibt es zudem zahlreiche Bedenken hinsichtlich der möglichen gesundheitlichen Auswirkungen der Exposition von hochfrequenten elektromagnetischen Feldern (HF-EMF), die von Mobiltelefonen ausgesendet werden. Gleichzeitig haben Schlafstörungen deutlich zugenommen. Etwa 20 % der Gesellschaft leiden zumindest gelegentlich unter Schlafstörungen, wie z.B. Einschlafstörungen, Problemen beim Durchschlafen, beeinträchtigte Schlafmuster oder einer gestörten Schlafperiodik. Oft führen die Betroffene dies auf den Einfluss HF-EMF von Mobiltelefonen zurück (vgl. EMF-Portal 1c, o. J.). Aufgrund dessen gibt es auch einige wissenschaftliche Studien, die sich mit genau diesem Thema beschäftigen. Neben der Auswertung subjektiv wahrgenommener Veränderung des eigenen Schlafs nach der Exposition durch ein Mobiltelefon, beschäftigen sich die meisten anderen Studien mit dem Einfluss auf die Powerspektralleistung des Schlaf-Elektroenzephalogramms (EEG), sowie mit dem Einfluss auf die Makrostruktur des Schlafs. Das EEG ist vor allem deshalb ein beliebtes Hilfsmittel in den Studien, da es die verschiedenen Arten der Hirnaktivität gut charakterisiert (insbesonder während des Schlafzustands) und eine direkte Messung der elektrischen Aktivität ermöglicht. Während das EEG zur Untersuchung möglicher Auswirkungen der Mobiltelefon-Exposition somit weit verbreitet ist, führt der Mangel an Konsistenz der früheren Studien allerdings dazu, dass bisher keine festen Schlussfolgerungen bezüglich der durch Mobiltelefone induzierten Veränderungen der Gehirnaktivität und des menschlichen Schlafes gezogen werden konnten.

Ziel dieser Seminararbeit soll es daher sein, anhand eines Literaturreviews die bisher veröffentlichten Studienergebnisse übersichtlich aufzubereiten und auszuwerten. Mit Hilfe dessen soll dann die Forschungsfrage beantwortet werden, ob der menschliche Schlaf durch eine Exposition mit HF-EMF, die von Mobiltelefonen ausgesendet werden, beeinträchtigt wird. Dafür soll sowohl der Einfluss auf die Powerspektralleistung des Schlaf-EEGs betrachtet werden, als auch der Einfluss auf die Makrostruktur des Schlafs. Weiterführend lautet die zweite Forschungsfrage, ob sich unterschiedliche Wirkungen der Exposition von verschiedenen Mobilfunkstandards (GSM, UMTS, LTE und 5G) auf den menschlichen Schlaf aufzeigen lassen. Bisher veröffentlichte Studien betrachten meist nur einen der Standards, ohne die Unterschiede herauszustellen.

Vor dem Literaturreview folgt allerdings zunächst ein Überblick über die wichtigsten technischen Zusammenhänge, die für das Verständnis dieser Arbeit und der Auswertung der einzelnen Studien relevant sind. In diesem Abschnitt wird somit zunächst erläutert, um was es sich bei einem elektromagnetischen Feld überhaupt handelt, wie die Funktionsweise hinter dem Mobilfunk und der einzelnen Mobilfunkstandards funktioniert und wie sich der menschliche Schlaf charakterisiert. Auf dieser Grundlage erfolgt dann die detaillierte Auswertung der relevanten Studien sowie die Anschließende Zusammenfassung der Ergebnisse.

2. Mobilfunk

2.1. Grundlagen: Elektromagnetische Felder

Elektromagnetische Felder umgeben uns ständig und sind ein natürliches Phänomen, welches uns z. B. in Form von Licht begegnen. Dabei handelt es sich physikalisch gesehen um eine Verknüpfung von elektrischen und magnetischen Wechselfeldern. Ein elektromagnetisches Feld transportiert Energie, indem es sich in Lichtgeschwindigkeit wellenförmig ausbreitet. Doch auch eine technische Erzeugung elektromagnetischer Felder ist möglich, indem sie z. B. als Nebeneffekt überall dort entstehen, wo Strom fließt. Bei der Informationsübertragen werden sie eigens zur Informationsübertragung produziert und ermöglichen, durch die gezielte Modifikation der Eigenschaften der Welle (z. B. der Größe, Frequenz oder Phase), die Übertragung von Daten. Diese sich ausbreitenden elektromagnetischen Felder werden oft auch auch Funkwellen genannt. (vgl. Deutsche Telekom Technik GmbH, 2017, S. 9)

Unterschieden werden elektromagnetische Felder in der Technik mithilfe der Feldstärke, der Frequenz und der Signalform. Unter der Frequenz versteht man die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde. Sie wird in Hertz (Hz), Kilohertz (1 kHz = 1.000 Hz), Megahertz (1 Mhz = 1.000.000 Hz) oder Gigahertz (1 GhZ = 1.000.000.000 Hz) angegeben. Die Feldstärke wiederum ist ein Maß für die Stärke der elektromagnetischen Felder und wird in Volt pro Meter (V/m), für das elektrische Feld, oder Ampere pro Meter (A/m), für das magnetische Feld, gemessen. Bei hochfrequenten elektromagnetischen Feldern treten elektrische und magnetische Felder immer gemeinsam auf. (vgl. Deutsche Telekom Technik GmbH, 2017, S. 10)

Anhand ihrer Frequenz können elektromagnetische Felder in Gruppen eingeteilt werden, welche durch das elektromagnetische Spektrum abgebildet werden (siehe Abbildung 1) (vgl. Deutsche Telekom Technik GmbH, 2017, S. 10). Die Felder, die sich unterhalb der Frequenz des Lichtes befinden, werden als “nicht-ionisierende Strahlung” bezeichnet. Sie haben wenig Energie und können daher keine chemischen Bindungen lösen. Atome und Moleküle können somit durch diese Felder nicht “ionisieren”, also nicht in einen elektrisch geladenen Zustand versetzt werden. Diese “nicht-ionisierenden Felder” lassen sich weiterhin in einen niederfrequenten (oberhalb von 0 Hz bis zu 100 kHz) und einen hochfrequenten Bereich (100 kHz bis 300 GHz) unterteilen. Der hochfrequente Teil wird vom Mobilfunk und dem Radio sowie Fernsehen verwendet. Als “ionisierende Strahlung” bezeichnet man ferner den Bereich oberhalb des sichtbaren Lichtes. Röntgen- und Gammastrahlung sind ein Beispiel hierfür. (vgl. Deutsche Telekom Technik GmbH, UV-Licht Gamma­ strahlung

2.2. Funktionsweise des Mobilfunknetzes

Bei einem Mobilfunkgespräch zwischen zwei Handys treten die beiden Geräte nicht direkt miteinander in Verbindung, sondern kommunizieren mit Hilfe hochfrequenter elektromagnetischer Felder über Mobilfunkbasisstationen der Mobilfunknetzbetreiber. In Deutschland gibt es davon rund 73.000 Stück (Stand: 2016, Quelle: Deutsche Telekom Technik GmbH, 2017, S. 8). Die Antennen dieser Mobilfunkbasisstationen empfangen wiederum die Signale der Mobiltelefone und strahlen Funksignale aus (vgl. Bundesamt für Strahlenschutz, 2014, S. 11).

Die Antennenstandorte bilden für jeden, in einem bestimmten Gebiet ansässigen Betreiber, eine sogenannte Funkzelle, welche ähnlich wie die Waben eines Bienenstocks angeordnet sind (vgl. Abbildung 2). Die Funkzellen werden dabei von den Mobilfunkbasisstationen versorgt, indem Gespräche und Daten via Kabel oder Richtfunkstrecke zu übergeordneten Vermittlungsstellen des Netzbetreibers geleitet werden. Diese Vermittlungsstellen bündeln die Informationen über die jeweiligen Standorte aller im Mobilfunknetz befindlichen Handy und stellen außerdem die Verbindungen zu den anderen Vermittlungsstellen und Mobilfunknetzen sowie zum Festnetz zur Verfügung (vgl. Bundesamt für Strahlenschutz, 2014, S. 11). Sobald ein Anruf eingeht, wird eine Verbindung zur Funkstelle aufgebaut, in der sich der Teilnehmer gerade aufhält. Um immer zu wissen, in welcher Funkzelle ein Nutzer sich gerade befindet, werden vom Mobiltelefon in regelmäßigen Abständen Funksignale zur Identifizierung an die nächstgelegene Basisstation versendet. Die Anlage gibt die Information an ein zentrales Register weiter, die wiederum speichert welche Mobiltelefone sich im jeweiligen Versorgungsbereich aufhalten. (vgl. Bundesamt für Strahlenschutz, 2014, S. 11)

Während in ländlichen Regionen der Radius der einzelnen Funkzellen etwa 10 bis 15 Kilometer beträgt, besteht in städtischen Gebieten ein dichteres Netz an Funkzellen. Oft sind die Funkzellen dort nur hundert Meter groß. Dies liegt an der Anzahl der Telefonate, die gleichzeitig in einer Funkzelle geführt werden. Da die Kapazität einer Zelle begrenzt ist, muss die Dichte in städtischen Gebieten folglich höher sein. (vgl. EMF-Portal 1b; Bundesamt für Strahlenschutz, 2014, S. 11) Aufgrund dessen, dass die Basisstationen in städtischen Gebieten kleinere Funkzellen versorgen und diese sich näher am Nutzer befinden, kann die Sendeleistung ideal geregelt werden. (vgl. Deutsche Telekom Technik GmbH, 2017, S. 8). Die Sendeleistung wird in Watt angegeben und ist abhängig von der Verbindungsqualität zwischen dem Handy und der Basisstation. Eine schlechte Verbindungsqualität führt somit zu einer deutlich höheren Sendeleistung als bei einer guten Verbindungsqualität. (vgl. Deutsche Telekom Technik GmbH, 2017, S. 8). Diese automatische Anpassung führt dazu, dass sowohl die Akkukapazität geschont wird, als auch die elektromagnetischen Felder, also die konkrete Strahlenbelastung, reduziert wird. Verantwortlich für eine hohe Verbindungsqualität zwischen den Basisstationen und den mobilen Endgeräten ist die vorherrschende Feldstärke am jeweiligen Ort, welche hauptsächlich von der Sendeleistung und -charakteristik der jeweiligen Antenne abhängt. Sie verringert sich mit zunehmendem Abstand (siehe Abbildung 3). (vgl. Deutsche Telekom Technik GmbH, 2017, S. 8)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Dynamische Regelung der Sendeleistung beim Mobilfunk (Quelle: Deutsche Telekom Technik GmbH, 2017, S. 8)

Während die Mobilfunkbasisstationen permanent Funksignale abstrahlen, sendet ein Mobiltelefon vorwiegend bei Datenverbindungen, Gesprächen und Kurzmitteilungen Signale. Ebenso werden, wie bereits genannt, regelmäßige Kontrollsignale gesendet, um mitzuteilen, wo sich das Handy gerade befindet. Solange über das Handy allerdings keine Gespräche geführt oder keine Daten ausgetauscht werden, empfängt ein eingeschaltetes Handy somit auch keine Signale und gibt nur das Kontrollsignal ab. Während eines Telefonats, beim Rufaufbau oder beim laufenden Datenverkehr stellt das Handy allerdings die stärkste Hochfrequente-Feldquelle dar, welcher wir im Alltag ausgesetzt sind. Zwar haben Mobiltelefone generell eine niedrigere Sendeleistung als die Mobilfunkbasisstationen, allerdings ist die Distanz zum Körper deutlich geringer. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass der menschliche Körper den EMF einer Basisstation gleichmäßig ausgesetzt ist, da meist eine große Entfernung zur Station besteht. Beim Mobiltelefon wird der Körper allerdings lokal bestrahlt - beim Telefonieren beispielsweise hauptsächlich der Kopf (siehe Abbildung 4). (vgl. EMF-Portal 1b)

2.3. Die verschiedenen Mobilfunkstandards

2.3.1. GSM-Netze (2G)

GSM steht für “Global System for Mobile Communication” und wurde in den 1990er-Jahren eingeführt. Zum ersten Mal konnten nun Menschen über Ländergrenzen hinweg mobil telefonieren. Es ist der erste Standard der sogenannten zweiten Generation (2G), wodurch ursprünglich die erste Generation (1G) bzw. das analoge Telefonnetz abgelöst wurde. (vgl. Deutsche Telekom Technik GmbH, 2017, S. 11)

GSM-Mobiltelefone nutzen Frequenzbereiche um 900 MHz oder 1800 MHz. Die Übertragung und Kommunikation mit der Basisstation geschieht dabei mit Hilfe der Nutzung von Frequenz- und Zeitmultiplexing (Abk. TDMA für “Time Division Multiple Access”). Weiterhin werden verschiedene Frequenzen für den Uplink (vom Mobiltelefon zum Netz) und den Downlink (vom Netz zum Mobiltelefon) unterschieden. Bei GSM-900 handelt es sich beispielsweise um einen Frequenzbereich von 935 - 960 MHz für den Downlink und 890 - 915 MHz für den Uplink. (vgl. Stoll, 2009, S. 2) Der Vorteil dieses TDMA-Systems besteht darin, dass mehrere Benutzer gleichzeitig über eine einzige Zelle kommunizieren können. Dabei wird eine Zeitdauer von 4,62 Millisekunden (ms) in acht Zeitschlitze von je 0,577 ms unterteilt. Sobald ein Telefonat stattfindet, verwendet ein bestimmtes Mobiltelefon nur einen der acht Zeitschlitze zur Übertragung von Informationen an die Basisstation. Die übrigen sieben Zeitschlitze können von der Basisstation zum Empfang von Informationen von sieben anderen Mobiltelefonen genutzt werden. (vgl. EMF-Portal 1b, S. 12) Für das einzelne Handy ergibt sich durch das Zeitschlitzverfahren ein gepulstes Sendesignal mit einem Puls von 4,62 ms. Dies entspricht ca. 217 Pulsen pro Sekunde, d.h. einer Pulswiederholungsfrequenz von 217 Hz. (vgl. Bundesamt für Strahlenschutz, 2020a)

Ein weiterer wichtiger Punkt bei GSM ist die Sendeleistung. Ein GSM-Mobiltelefon sendet bei jedem Verbindungsaufbau, bei jedem Wechsel in eine andere Funkzelle und schon bei mittelmäßigem Empfang kurzzeitig mit der maximalen Sendeleistung. Erst danach wird die Sendeleistung automatisch herunter reguliert, so dass auch die Strahlenbelastung für die telefonierende Person abnimmt (vgl. Bundesamt für Gesundheit BAG, 2019, S. 5). Im Allgemeinen liegt die Sendeleistung bei GSM-Mobiltelefonen bei maximal 2W bei GSM-900 und bei maximal 1W bei GSM-1800. Allerdings liegt der maximal erreichbare Mittelwert bei der Sprachübertragung deutlich darunter, nämlich bei 250 mW (GSM-900) bzw. 125 mW (GSM-1800) (vgl. Bundesamt für Gesundheit BAG, 2019, S. 5).

2.3.2. UMTS-Netze (3G)

Der Frequenzbereich für das UMTS-Netz liegt zwischen 1.900 und 2.179 MHz (vgl. Bundesamt für Strahlenschutz, 2014, S. 12). Im Vergleich zur GSM-Technik ist die Netzstruktur bei UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) unterschiedlich. Während bei GSM die Versendung der Informationen der unterschiedlichen Teilnehmer eines Netzes über Datenpakete stattfindet, welche in einem Frequenzkanal nacheinander versendet werden, nutzen bei UMTS alle Teilnehmer in einem 5 MHz breiten Frequenzband die gleiche Frequenz. Dabei wird das WCDMA-Verfahren (Wideband Code Division Multiple Access) verwendet, bei dem die einzelnen Verbindungen durch einen speziellen Code identifiziert und schlussendlich voneinander unterschieden werden können. Somit sendet ein Sender ein verschlüsseltes Datenpaket, welches vom Empfänger entschlüsselt werden muss. Infolgedessen entsteht bei UMTS ein kontinuierliches Funksignal, ähnlich wie bei einem Rauschen. (vgl. Deutsche Telekom Technik GmbH, 2017, S. 12; Bundesamt für Strahlenschutz, 2014, S. 12) Zusammenfassend ermöglicht die Nutzung der UMTS-Technik die bessere Ausnutzung des Frequenzspektrums, was wiederum dazu führt, dass mehr Daten pro Zeiteinheit übermittelt werden können. HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) und HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) sind weiterhin Techniken, die die Datenrate von UMTS nochmals steigern können, so dass Downloadgeschwindigkeiten von bis zu 41 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) erreicht werden. Dies ist vergleichbar mit DSL (Abk. für Digital Subscriber Line, engl. für “Digitaler Teilnehmeranschluss”). (vgl. Deutsche Telekom Technik GmbH, 2017, S. 12; Bundesamt für Strahlenschutz, 2014, S. 12)

Weiterführend kommt es bei UMTS-Basisstationen zu einer clusterartigen Zusammenschaltung. Ein Zellwechsel muss innerhalb dieses Clusters nicht vorgenommen werden. Kommt es zu einem Zellwechsel verschiedener Cluster, regelt das Mobiltelefon nie auf die mögliche Maximalleistung hoch. Bei lückenhaften UMTS-Netzen kommt es zeitweise zu einem Zellwechsel auf GSM, wodurch es zu einer höheren Sendeleistung kommen kann. (vgl. Bundesamt für Gesundheit BAG, 2019, S. 6) Im Vergleich zu GSM, bei dem zunächst mit der maximalen Sendeleistung gesendet wird, senden UMTS-Mobiltelefone allerdings mit einer kontinuierlich maximalen Sendeleistung von 250 mW. Allerdings kann die Sendeleistung effizienter reduziert werden, als bei der GSM-Technologie und liegt in der Praxis daher deutlich unter dem Maximalwert. Im Durchschnitt liegt die Sendeleistung in ländlichen Regionen bei etwa 1,5 mW und in städtischen Regionen noch weiter darunter. (vgl. Bundesamt für Gesundheit BAG, 2019, S. 6)

2.3.3. LTE-Netze (4G)

LTE steht als Abkürzung für “Long Term Evolution” (dt.: langfristige Entwicklung) und ist der Nachfolger der vorigen Standards GSM (2G) und UMTS (3G). Man spricht daher von der vierten Generation (4G). Im Vergleich zu UMTS können mithilfe von LTE noch höhere Datenraten und somit schnellere Verbindungen ermöglicht werden. Weiterhin wird aufgrund der durchgängigen Nutzung des Internet-Protokolls (IP) eine vereinfachte Netzarchitektur und eine deutliche Verringerung der Reaktionszeit, z. B. bei Webseiten-Aufrufen, ermöglicht. Dabei arbeiten sowohl das Kern-Netz, also die Übertragung von Daten zwischen den Basisstationen und den Vermittlungsstellen, als auch die Funkanschlussstellen, also die Übertragung zwischen den Handys und Basisstationen, IP-basiert. Neben den beiden genannten Vorteilen, bildet diese IP-Fokussierung ebenso eine gemeinsame Übertragungsgrundlage bzw. “Sprache” für die Nutzung von Internet, E-Mail und Telefonie. Zeit- und kostenintensive “Übersetzungen” von Daten entfallen und sie können schneller und einfacher transportiert werden. (vgl. Deutsche Telekom Technik GmbH, 2017, S. 12)

Grund für Leistungssteigerung in der Datenrate ist vor allem die Nutzung eines anderen Funkübertragungsverfahrens als bei GSM und UMTS. Der Datenstrom wird im Downlink auf eine große Zahl schmalbandiger (15 kHz), parallel arbeitender Trägerfrequenzen aufgeteilt, wodurch zeitnah und flexibel auf sich ändernde Nutzungsanforderungen reagiert werden kann. Als Folge steigt die Übertragungskapazität. Ebenso ermöglicht das im Uplink verwendete Multiplex-Verfahren eine effizientere Nutzung der Übertragungskapazität. (vgl. Deutsche Telekom Technik GmbH, 2017, S. 12)

Die LTE-Frequenztechnik kann bei unterschiedlichen Frequenzen genutzt werden. In Deutschland wird sie z. B. in Bereichen um 800, 1.800, 2.000 und 2.600 MHz verwendet. Sendesignale sind ähnlich wie bei UMTS nicht gepulst, sondern haben einen ähnlichen Charakter wie beim Rauschen. Weiterhin werden LTE-Systeme aufgrund des ähnlichen Frequenzbereichs wie bei UMTS meist an bestehenden Basisstationen errichtet, so dass keine neuen Masten gebaut werden mussten und die bestehende Infrastruktur mitbenutzt werden kann. (vgl. Deutsche Telekom Technik GmbH, 2017, S. 12; Bundesamt für Strahlenschutz, 2014, S. 13) Die Sendeleistung bei LTE-Mobiltelefonen ist abhängig von der verwendetet Frequenz und liegt mit maximal 200 mW im Bereich der UMTS-Leistung (vgl. Deutsche Telekom Technik GmbH, 2017, S. 12).

2.3.4. 5G-Netze

5G ist das neue Mobilfunknetz der 5. Generation, das auf der derzeitigen Technologie 4G bzw. LTE aufbaut. 5G ermöglicht eine neue Art von Netzwerken, die darauf ausgelegt sind, praktisch jeden und alles miteinander zu verbinden, einschließlich Maschinen, Objekte und Geräte. Die offizielle Definition von 5G spezifiziert höhere Geschwindigkeiten (bis zu 10 Gbit/s) und geringere Latenz - die Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt, zu dem ein Gerät Informationen anfordert und zu dem Zeitpunkt, zu dem es sie empfängt (vgl. MIT, 2020). Die höhere Geschwindigkeit wird teilweise dadurch erreicht, dass höherfrequente Funkwellen verwendet werden. Höherfrequente Funkwellen haben allerdings eine kürzere Reichweite als die von den bisherigen Mobilfunkmasten verwendeten Frequenzen. Im Umkehrschluss wird 5G mit kleineren, enger verteilten Zugangspunkten anstelle von großen, weit verteilten Basisstationen arbeiten (vgl. MIT, 2020).

Im Großen und Ganzen zielt 5G auf drei Hauptanwendungsfelder mit unterschiedlichen Anforderungen ab: Enhanced Mobile Broadband (eMBB), Massive Machine Type Communication (mMTC) und Ultra-reliable and Low Latency (uRLLC). eMBB, also eine erweiterte mobile Breitbandverbindung sorgt für zusätzliche Verbesserungen der Anwendungsfälle von Privantnutzern, wie Mobiltelefonie und die Medienbereitstellung. eMBB ermöglicht große Datenübertragungsmengen und extrem schnelle Datenraten. mMTC und uRLLC zielen wiederum auf maschinenzentrierte Anwendungsfälle ab. Der Bereich des mMTC betrifft in erster Linie das “Internet der Dinge” (IoT). Es ist dafür gedacht, eine riesige Anzahl eingebetteter Sensoren nahtlos mit praktisch allen Geräten zu verbindet, da es die Möglichkeit bietet, die Datenraten und den Energieverbrauch reduzieren. uRLLC soll weiterhin neue Dienste ermöglichen, die eine zuverlässige Verbindung mit geringer Latenz benötigen, wie zum Beispiel autonome Fahrzeuge oder die Industrie-Autonomie. (vgl. Wikipedia, o. J.)

2.4. Grenzwerte für den Mobilfunk

Bei der Verwendung von Mobiltelefonen wird ein Teil der vom Gerät abgestrahlten Leistung vom Körper, insbesondere vom Kopf, absorbiert. Die am häufigsten verwendete Größe zur Beschreibung der Absorption von HF-Strahlung von Mobiltelefonen ist die spezifische Absorptionsrate (SAR). Die SAR definiert die Rate, mit der Energie von einer bestimmten Gewebemasse absorbiert wird. Sie wird in Watt pro Kilogramm ausgedrückt und kann in zwei Arten unterschieden werden. Zum einen gibt es die Ganzkörper-Mittelwert-SAR und zum anderen die (Teilkörper-)SAR, die je nach den Umständen und der Quelle, mit der die Exposition bewertet wird, unterschiedlich angewendet werden. Die Ganzkörper-SAR bezieht sich auf die Gesamtenergiemenge, die pro Zeiteinheit auf den Körper übertragen wird, geteilt durch die Gesamtkörpermasse. Die Teilkörper-SAR wiederum bezieht sich auf die Gesamtenergie, die innerhalb eines definierten Körperabschnitts absorbiert wird. Die Teilkörper-SAR ist besonders wichtig für die Bestimmung von Expositionen aus kleinen Quellen, wie z. B. Mobiltelefonen, die in erster Linie nur eine kleine Körperregion betreffen. Der SAR-Wert der Exposition durch ein Mobiltelefon variiert stark je nach Mobiltelefon-Modell und der Position während der Benutzung (z.B. Abstand zwischen dem Mobiltelefon und dem Kopf des Benutzers). Allgemein darf der SAR-Wert eines Handys aber nicht mehr als 2 W/kg (gemittelt über 10 g Körpergewebe) betragen. Seit 1998 wird dieser Maximalwert von der Internationalen Kommission zum Schutz vor nicht-ionisierender Strahlung (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, Abk.ICNIRP) empfohlen. In den darauffolgenden Jahren haben sich auch die deutsche Strahlenschutzkommission (SSK) und die EU-Kommission diesem Richtwert angeschlossen und heute wird die Einhaltung durch europäische Messnormen überprüft. (vgl. Bundesamt für Strahlenschutz, 2020a)

2.5. Gesundheitliche Auswirkungen von Mobilfunk

Elektromagnetische Felder, die vom Mobilfunk genutzt werden, dringen kaum in den Körper ein. Beim Mobilfunk mit Frequenzen um 1 GHz sind es nur wenige Zentimeter. Dabei nimmt die Eindringtiefe bei steigender Frequenz sogar weiter ab (vgl. Bundesamt für Strahlenschutz, 2019). Die einzige wissenschaftlich nachgewiesene Wirkung von HF-EMF auf Lebewesen besteht in der Wärmewirkung, also den thermischen Effekten auf den Körper. Wärme im Körper entsteht mit zunehmender Stärke des Feldes, sobald sich ein Mensch in einem HF-EMF befindet (vgl. Deutsche Telekom Technik GmbH, 2017, S. 17). Von einer thermischer Wirkung spricht man aber erst bei einem tatsächlichen Anstieg der Körpertemperatur, obwohl die thermoregulatorischen Prozesse des Körpers versuchen die Körpertemperatur konstant zu halten (vgl. Habash, 2002). Thermische Effekte von HF-Strahlung können signifikante Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit haben, insbesondere wenn die induzierte Gewebeerwärmung um mehr als 1 °C erhöht wird und damit die thermoregulatorischen Kapazitäten des menschlichen Körpers übersteigt (vgl. Habash, 2002). Im Bereich des Mobilfunks sorgen allerdings die geltenden Grenzwerte dafür, dass die EMF so schwach sind, dass keine gesundheitsbeeinträchtigende Temperaturerhöhung im Gewebe stattfindet (vgl. Deutsche Telekom Technik GmbH, 2017, S. 17). In Bezug auf den SAR-Grenzwert bedeutet dies, dass der Teilkörpergrenzwert von 2 W/kg bei Handys dazu führt, “dass die lokale Temperaturerhöhung, die beim Gebrauch eines Handys in Teilen des Körpers entsteht, geringer als 0,1 °C” (Informationszentrum Mobilfunk, o. J) ist. Bei den Basisstationen beträgt der SAR-Grenzwert 0,08 W/kg. Dieser, über den gesamten gesamten Körper gemittelte Wert, sorgt dafür, dass die Temperaturerhöhung des gesamten menschlichen Körpers unter 0,02 °C bleibt (vgl. Informationszentrum Mobilfunk, o. J.).

Im Fokus der Forschungen stehen neben den thermischen Wirkungen HF-EMF aber auch immer wieder nicht-thermische Wirkungen auf den Körper, bei der keine Temperaturerhöhung stattfindet (vgl. Deutsche Telekom Technik GmbH, 2017, S. 17). Folglich geht man davon aus, dass die biologischen Effekte, die mit solch geringen Emissionen verbunden sind, auf andere Mechanismen zurückzuführen sind als diejenigen, die bekanntermaßen bei einer signifikanten Erwärmung des Gewebes auftreten (vgl. Loughran, 2007, S. 40).

3. Grundlagen des Schlafs

3.1. Makrostruktur des Schlafs

Für ein Gesamtbild des potentiellen Einflusses von Mobilfunk auf den Schlaf, werden in diesem Abschnitt zunächst die Eigenschaften des menschlichen Schlafes erläutert. Unter der Makrostruktur des Schlafs versteht man die Einteilung in verschiedene Schlafstadien. Schlaf von gesunden Menschen wird dabei in 5 verschiedene Schlafstadien eingeteilt, die Stadien 1 - 4, welche dem Non-REM-Schlaf (oder auch NREM; von engl. “Non-rapid eye movement sleep”) 14 zugeordnet werden, und der REM-Schlaf (von engl. “rapid eye movement”) (vgl. Cabrera Mendoza, 2018, S. 8). Die Stadien 1 - 2 zählen dabei zum leichten Schlaf, während die Stadien 3 - 4 als Tiefschlaf gelten. Die einzelnen Schlafstadien sind von unterschiedlichen Aktivitäten im Gehirn geprägt. Da diese Aktivitäten elektromagnetischer Natur sind, können sie mithilfe eines Elektroenzephalogramms (EEG) erfasst und unterschieden werden. Häufig werden diese Signale durch die Ableitung der Augenbewegung (EOG) und der Muskelspannung am Kinn (EMG) ergänzt. (vgl. Cabrera Mendoza, 2018, S. 8)

Die Normierung und Einteilung der einzelnen Schlafstadien erfolgte 1968 durch Rechschaffen und Kale, welche die Stadien wie folgt beschreiben:

Die Schlaflatenz findet noch vor der ersten Schlafphase statt und wird als die Zeit zwischen dem Zubettgehen und dem Einschlafen bezeichnet. Diese Zeitphase kann beim Auftreten von Schlafstörungen verlängert sein. Während des Wachzustandes treten Alpha-Wellen mit einer Frequenz von 8 bis 10 Hz auf. Auch Stadium 1 wird noch als wach erlebt, allerdings kommt es bereits zu einer Verlangsamung der Frequenz auf 4 bis 7 Hz (Theta-Wellen). Der eigentliche Schlaf beginnt mit Stadium 2. Schlafspindel und K-Komplexe sind in diesem Stadium häufig auftretende EEG-Muster. Unter Schlafspindeln versteht man 0,5 bis 1 Sekunde andauernde niedrigamplitudige Wellen mit einer Frequenz von 11 - 15 Hz. K-Komplexe wiederum stellen hochamplitudige, biphasische Wellen von 1 - 2 Hz dar, die oft Arousals einleiten. Arousals bezeichnen “Desynchronisierungen im Schlaf-EEG im Sinne kurzer Weckreaktionen” (Cabrera Mendoza, 2018, S. 8), welche in jedem Schlaf-Stadium auftreten können. (vgl. Cabrera Mendoza, 2018, S. 8; Diplicht, 2004, S. 26)

Während der Stadien 3 und 4 nimmt die Schlaftiefe zu, während die EEG-Frequenz abnimmt. Diese beiden Stadien werden daher auch als Slow-Wave-Sleep (SWS) bezeichnet. Hochamplitudige, niederfrequente Delta-Wellen (Frequenz 0,5 bis 2 Hz) überwiegen in diesem Stadium. Stadium 3 und 4 werden durch den Anteil der Delta-Wellen unterschieden, wobei der Anteil im Stadium 3 größer ist und bei über 50 % liegt. Sobald das Stadium des REM-Schlafs erreicht wird, nimmt die Aktivität des Gehirns wieder zu, so dass das EEG nun wieder dem Wachzustand ähnelt. Im REM-Schlaf kommt es zu schnellen Augenbewegungen mit gleichzeitig niedrigem Muskeltonus. (vgl. Cabrera Mendoza, 2018, S. 8; Diplicht, 2004, S. 26)

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