Macht Elektrosmog krank ?
Die Monatsseite 04 - 2006
Gastautor: Dr. Ferdinand Ruzicka
Habilitiert für medizinische Physik mit besonderer Berücksichtigung der Zytophysik (cytophysics) an der Medizinischen Universität Wien
Macht Elektrosmog krank ?Die Monatsseite 04 - 2006
Gastautor: Dr. Ferdinand Ruzicka |
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Die Wortschöpfung "Elektrosmog" geht auf Ulrich Warnke und zwei Kollegen zurück, die sie 1975 das erste Mal verwendeten. Der Begriff wurde durch die Forschungen der letzten Jahrzehnte von ihm auf "Elektro- Magnetosmog" erweitert. 1. Physikalisch – technische Grundlagen1.1. Elektromagnetische Wellen, elektromagnetische Felder die sich im Raum ausbreiten.Die Existenz dieser Wellen folgt direkt aus den Maxwell- Gleichungen, ebenso ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit im Vakuum. Sie wurden 1886 von H. Hertz erstmals mit Hilfe von elektrischen Schwingkreisen erzeugt (Hertzsche Versuche). Insbesondere zeigte Hertz, dass die elektromagnetischen Wellen dieselben Eigenschaften wie Lichtwellen besitzen. Dadurch wurde eine der grössten physikalischen Erkenntnisse des 19.Jh., die Verschmelzung von Optik und Elektromagnetismus, experimentell bestätigt. Elektromagnetische Wellen werden ganz allgemein durch beschleunigte Ladungen erzeugt, z.B. durch oszillierende Dipole (Hertzscher Dipol) oder sich kreisförmig bewegende geladene Elementarteilchen in Speicherringen (Synchrotronstrahlung). Elektromagnetische Wellen kommen in der Natur mit den verschiedensten Frequenzen bzw. Wellenlängen vor: Radiowellen haben bis 108 Hz, Lichtwellen 1014 - 1015 Hz, und die härteste Gammastrahlung, die sich in der Sekundärstrahlung der kosmischen Strahlung findet, kann 1025 Hz und mehr aufweisen (elektromagnetisches Spektrum). Bei diesen Frequenzen bzw. Energien dominiert allerdings der Teilchencharakter der elektromagnetischen Strahlung (Photonen). Mathematisch werden elektromagnetische Wellen durch die Telegraphengleichungen beschrieben (Wellengleichung). Jede Lösung dieser Differentialgleichungen stellt eine elektromagnetische Welle dar, es ergeben sich dabei entweder gedämpfte, oder ungedämpfte Wellen. Der einfachste Lösungstyp sind ebene Wellen, die das Feld in hinreichend grossem Abstand von beliebigen Erregungszentren approximieren (Fernfeld). Ebene Wellen im Vakuum sind reine Transversalwellen, E und H stehen aufeinander und auf der Ausbreitungsrichtung senkrecht. In einem idealen Isolator ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der weiterhin transversalen Wellen geringer als im Vakuum, ist demnach die Brechzahl des Mediums (Maxwell-Relation). Der mit einer elektromagnetischen Welle verbundene Energietransport wird durch den Poynting-Vektor S = E × H beschrieben (Energie-Impuls-Tensor). Bei einer ebenen Welle ist S parallel zur Ausbreitungsrichtung, im Fernfeld einer Strahlungsquelle radial nach aussen gerichtet. Die Intensität I einer elektromagnetischen Welle ist der mittlere Betrag von S. 1.1.1. Allgemeine Eigenschaften von elektromagnetischen Wellen
- transportieren Energie 1.1.2. Spezielle Eigenschaften von Mikrowellen
- polarisierte Transversalwelle 1.2. FunktechnikFunktechnik oder drahtlose Nachrichtentechnik ist ein Teilbereich der Nachrichtentechnik und der HF-Technik, der sich mit der Erzeugung elektromagnetischer Wellen (Funkwellen, Radiowellen, Hertzsche Wellen) und ihrer Anwendung bei der Informationsübertragung und zu Messzwecken befasst. Der Wortstamm »Funk« geht auf die anfangs übliche Erzeugung der Wellen mit Funkensendern zurück und wird auch als Kurzbezeichnung für die Funktechnik oder ihre Teilbereiche verwendet. Wichtige Anwendungen sind die Funkdienste zur Informationsübertragung (Funktelegraphie, -fernschreiben und -telephonie, Rundfunk, Fernsehen, Richtfunk, Sprechfunk, Mobiltelefon), die Funkmesstechnik und Funknavigation (Radar), die Fernwirktechnik (Funkfernsteuerung) sowie die Radioastronomie. Erst vor einigen Jahren entwickelte sich die Technik so weit, dass die Kommunikation mit gepulsten Frequenzen und damit der Handy-Boom möglich wurde. Jetzt können z.B. bis zu 8 Geräte gleichzeitig auf einer Frequenz bedient werden, wo früher noch 8 Frequenzen nötig waren. Beim Mobilfunk wird beispielsweise ein Gespräch 217 mal pro Sekunde zwischen Sendemast und Handy neu aufgebaut, es können bis zu 8 Gespräche gleichzeitig geführt werden, dementsprechend erhöht sich die Pulsfrequenz. Sende- bzw. Empfangseinrichtungen für elektromagnetische Wellen im Hochfrequenz-Bereich (Radiowellen, Mikrowellen) sind Antennen. Antennen sind Wellentyp-Wandler, die freie Wellen in leitungsgeführte umwandeln und umgekehrt. Eine Empfangsantenne liefert eine der einfallenden Feldstärke proportionale Wechselspannung, eine Sendeantenne strahlt die zugeleitete Wechselspannung in den freien Raum ab. Bei den meisten Antennentypen (insbesondere beim Hertzschen Dipol) ist die abgestrahlte Welle polarisiert, in grosser Entfernung (Fernfeld, Fernzone) linear. In der Nahzone (Nahfeld) haben Sende- und Empfangsantennen unterschiedliche und meist sehr komplizierte Feldverteilungen (Dipolfeld). Die räumliche Verteilung der Sendeleistung in Abhängigkeit vom Raumwinkel wird Abstrahlcharakteristik (Richtdiagramm) genannt. Die Richtwirkung einer Antenne kann durch die Anordnung mehrerer phasengleicher Antennen als Dipolzeile verbessert werden. Eine weitere wichtige Grösse ist der Antennengewinn der als Verhältnis zwischen der elektrischen Empfangsleistung einer Messantenne zu dem einer Bezugsantenne definiert ist. Antennen werden ausser zur Nachrichtenübermittlung (Nachrichtentechnik) in der Hochfrequenztechnik, vor allem als Messantenne zur Detektion elektrischer und magnetischer Wechselfelder, eingesetzt. Vom Prinzip her ist eine Antenne ein Hertzscher Dipol, bei realen Antennen lässt sich zumindest jedes infinitesimale Leiterelement als Hertzscher Dipol auffassen. Die einfachste Antennenform, die Dipolantenne (Halbwellen-Dipol, s.u.), lässt sich dementsprechend als in die Länge gezogener Schwingkreis betrachten (Länge l), daraus ergibt sich als maximale mögliche Wellenlänge λ/2 der ausgesandten Strahlung λ= 2l (Grundschwingung, Grundwelle). Eine Abart hiervon ist die Faltdipolantenne. Grosse Wellenlängen, wie sie im Langwellen- und Hochfrequenzbereich benutzt werden, können mit Hilfe von Impedanzanpassung (Antennenanpassung) mit den unten beschriebenen Typen detektiert werden. Dem liegt zugrunde, dass ein Teil der an eine Sendeantenne gelieferten Wirkleistung abgestrahlt, ein Teil in Wärme umgesetzt wird. Die Antenne kann daher als Verbraucher bzw. Generator mit komplexer, frequenzabhängiger Impedanz Z beschrieben werden (Wechselstromwiderstand). Deren Realteil R setzt sich aus dem Strahlungswiderstand RS und dem (ohmschen) Verlustwiderstand RV zusammen. Z ist bei Sende- und Empfangsbetrieb gleich. Zur Vermeidung von Reflexionen müssen an die Antenne angeschlossene Bauteile (Generator bei Sende-, Verbraucher bei Empfangsbetrieb) eine angepasste Impedanz besitzen, diese Anpassung ermöglicht auch die Abstimmung auf die gewünschte Sende- bzw. Empfangsfrequenz. Eine häufig verwendete Antenne in der Hochfrequenztechnik ist der kurze elektrische Dipol, der klein gegen die verwendete Wellenlänge des elektrischen Feldes E sein muss (Frequenzbereich einige kHz bis 100MHz). Die Antennenimpedanz Z ist nahezu rein kapazitativ, es wird daher unmittelbar am Dipol ein Verstärker mit grossem Eingangswiderstand und kleiner Eingangskapazität verwendet, ausserdem ein Hochpassfilter zur Unterdrückung von Störfeldern aus dem 50-Hz-Wechselstromnetz. Statt eines Verstärkers kann auch ein Diodengleichrichter angeschlossen werden, dieser Diodensonde genannte Aufbau kann extrem klein gebaut und für Frequenzen bis einige GHz eingesetzt werden. Weitere häufig verwendete Antennentypen der HF-Technik sind der Halbwellen-Dipol (schmalbandig, bis einige 100MHz, Bezugsantenne für Vergleichsmessungen), die logarithmisch-periodische Antenne (50 bis über 1000MHz, stärkere Richtwirkung als Dipol), die Helixantenne (für Zirkularpolarisation), der Hornstrahler (im Mikrowellenbereich, "Standard Gain Horn") und die Parabolantenne ("Satellitenschüssel"). Ein grosser Teil der Mobilfunkanlagen (besonders in Städten) arbeitet mit Sektor-Antennen, welche jeweils einen Winkel von 120 Grad abdecken und somit im Dreieck angeordnet den ganzen 360 Grad-Winkel versorgen. Es gibt bevorzugte Richtungen, die Haupt- und Nebenkeulen und solche, in denen wenig Energie abgestrahlt wird, die sog. Nullstellen. Die äquivalente isotrope Strahlungsleistung (EIRP) gibt an, mit welcher Sendeleistung man eine in alle Raumrichtungen gleichmässig abstrahlende Antenne (Kugelstrahler) speisen müsste, um im Fernfeld dieselbe Leistungsflussdichte zu erzeugen wie in Hauptstrahlrichtung einer bündelnden Antenne (Mobilfunk-Antennentechnik Kathrein). 1.2.1. Berechnung der EIRPDie EIRP lässt sich bei einer realen Antenne aus dem Antennengewinn ermitteln: EIRP = G * P = 10(g/10)* P [W] Hierbei sind: G: Antennengewinnfaktor g: [dBi] Antennengewinn P: [W] Sendeleistung Beispiel: Bei einer üblichen Mobilfunk-Basisstationsantenne mit einem Gewinn von 17 dBi und einer Sendeleistung von 10 Watt berechnet sich eine EIRP von ca. 500 Watt. 1.2.2. Definition und Berechnung der ERP
Während sich die EIRP auf einen isotropen Strahler (mit kugelförmiger Abstrahlung) bezieht, bezieht sich die ERP auf den Gewinn eines λ/2 Dipols. Dieser beträgt 2,15 dB, was dem Faktor 1,64 entspricht.
In der Praxis sind Hochfrequenzstrahlungen selten von der Quelle her gleichmässig abnehmend. Vielmehr sind durch Reflexionen (und Interferenz) von Häusern oder Wänden punktuelle Konzentrationen messbar die sogenannten "hot spots". 2. Wirkungsweise von EMF auf biologische SystemeDie physikalische Möglichkeit eines EMF (Elektromagnetisches Feld) biologische Effekte („Bioeffekte“) in lebenden Zellen oder Geweben auszulösen ist auf drei verschiedene Komponenten zurückzuführen, die Energie, die Intensität und die Struktur des Feldes. Falls eine dieser Eigenschaften Änderungen im zellulären System bewirkt, wird das Feld als bioeffektiv angesehen. Die vierte Komponente, die Expositionsdauer oder die gesamte Exposition über einen Zeitraum, entscheidet ob die biologischen Effekte vorteilhaft, neutral oder schädigend für das biologische System sind. Es ist eine Frage der Dosis. Studien haben gezeigt, dass kurze Expositionszeiten oder wenige Expositionen ( bis zu einer halben Stunde an einigen Tagen) von EMF das Abwehrsystem der Zellen stimuliert und dadurch einen vorteilhaften Effekt auslöst, ein Prinzip das z.B. von der Magnetotherapie bekannt ist. Auf der anderen Seite kann eine Langzeitexposition oder eine sich wiederholende Exposition (was hauptsächlich bei der Benutzung elektrischer Geräte und Handys der Fall ist) das Umschlagen eines vorteilhaften biologischen Effektes, über einen neutralen in einen schädlichen biologischen Effekt bewirken. Daher ist der Schlüssel dazu ob eine der drei Komponenten: Energie, Intensität und Struktur biologische Effekte auslöst oder nicht, die Expositionsdauer. Sie ist also der entscheidende Faktor ob ein Effekt schädlich ist oder nicht. 2.1. EnergieDas ist jene Komponente eines EMF, die als biologischen Effekt eine direkte Zellschädigung auslösen kann. Besitzt ein EMF eine hohe Energie (Frequenz ist grösser als 750 THz, energiereiche Photonen fähig Elektronen aus ihren Bahnen zu werfen) verursacht es biologische Effekte durch Aufbrechen chemischer Bindungen und Zellzerstörung. Ein solches Feld wird als ionisierend bezeichnet. Unterhalb des sichtbaren Lichtes tragen die EMF eine geringere Photonenzahl und besitzen nicht genügend Energie zu biologischen Schäden. Diese Felder nennt man nicht-ionisierend; 2.2. IntensitätDas ist jene Komponente eines EMF, die als biologischen Effekt eine thermische Zerstörung bewirken kann. EMF die eine hohe Intensität besitzen (Anzahl der Wellen die die Flächeneinheit pro Sekunde durchdringen) über 10 Watt/kg SAR (Spezifische Absorptionsrate) erwärmen und zerstören letztlich die Zellen direkt durch den Temperaturanstieg. EMF mit einer Frequenz von mehr als 1 MHz bewirken vor allem Wärmebildung durch die Bewegung von Ionen und Wassermolekülen verursacht durch die Kraftwirkung hauptsächlich der elektrischen Komponente des externen EMF auf die in den Atomen gebundenen Elektronen. Das ist der Fall beim Mikrowellenofen beim Kochen von Speisen. Jene EMF die eine Intensität unter 10 Watt/kg SAR besitzen und nicht in der Lage sind ein Gewebe zu erhitzen nennt man athermisch. 2.3. StrukturDas ist jene Komponente des EMF, die alle anderen biologischen Effekte auslösen kann, ausser der direkten Schädigung durch die Energie und die Erhitzung durch die Intensität. Kohärente EMF können biologische Effekte bewirken auch wenn die Intensität geringer als 10 Watt/ kg SAR beträgt und auch dann wenn die Intensität nicht ausreicht um einen Temperaturanstieg von weniger als 0,000'001 Grad im exponierten Gewebe zu bewirken. Diese athermischen Felder werden durch ihre Struktur biologisch aktiv und nicht durch einen Temperaturanstieg im Gewebe. (Kohärenz - Eigenschaft zweier Wellenzüge, die dann vorliegt, wenn ihre Phasenverschiebung an einem festen Ort entweder für alle Zeiten konstant bleibt oder wenn sie sich gesetzmässig mit der Zeit ändert. Inkohärenz bedeutet dementsprechend die Abwesenheit einer definierten Phasenbeziehung. Kohärenz ist die Voraussetzung für das Auftreten von Interferenz. Von elektrischen Sendern emittierte Wellen können auf praktisch unbegrenzte Zeit in sich kohärent gehalten werden. Siehe auch: Zeitliche und räumliche Kohärenz (www.mikrowellensmog.info/kohaerenz.html) 2.4. Natürliche EMFDas Gehirn und Nervensystem besitzen eine ständige Aktivität schwacher elektrischer Ströme, die mit einem Elektroenzephalogramm (EEG) aufgezeichnet werden. Das Magnetenzephalogramm (MEG) misst die im Kopf und Körper der Testperson erzeugten Magnetfelder - und nicht die elektrischen Potenziale. Ein Magnetenzephalograph registriert jene Magnetfelder, die durch die Bewegung elektrischer Ladungen bei der Erregung von Nervenzellen entstehen. Indes sind diese Magnetfelder extrem schwach - das Erdmagnetfeld beispielsweise ist eine Million mal stärker. Nur hochempfindliche elektronische Detektoren, so genannte SQUIDs (für supra conducting quantum interference device) können die Signale aufspüren. Derlei Sensitivität macht anfällig für Störungen. Den Herzschlag bewirkt ein elektrischer Impuls der mit dem Elektrokardiogramm (EKG) aufgezeichnet wird. Die DNA-Replikation und Zellteilung wird ebenfalls von einem elektrischen Impuls ausgelöst. Es gibt eine ultraschwache Photonenemission (ultraschwache EMF, die sogenannten „Biophotonen“) aus biologischen Systemen, die für die intra-und interzelluläre Kommunikation verantwortlich sind, sie sind kohärente EMF. 2.5. WirkmodellEin nicht-ionisierendes, athermisches EMF ist wegen seiner zu geringen Energie und Intensität nicht in der Lage ein Zellsystem direkt zu schädigen. Entsprechend den physikalischen und biologischen Gesetzen muss dazu die Struktur des EMF zeitlich und räumlich kohärent sein und wie weitere Studien gezeigt haben, ist eine Expositionszeit von mindestens einer Sekunde durch konstante EMF’s notwendig, um eine feststellbare Antwort des Zellkernes zu erhalten. Die Kohärenz erlaubt es Zellen zwischen externen Feldern und thermischen Störfeldern zu unterscheiden, sogar wenn die exogenen Felder Grössenordnungen schwächer als endogene thermische Störfelder sind. Die Chemotaxis bei Bakterien ist ein bekanntes Beispiel für zeitliches und räumliches Empfinden von Zellen. Das wurde in einer Reihe von wissenschaftlichen Arbeiten nachgewiesen u.a. Litovitz TA, Krause D, Mullins JM.: Effect of coherence time of the applied magnetic field on ornithine decarboxylase activity. Biochem Biophys Res Commun. 1991 Aug 15;178(3):862-5 und Lin H, Opler M, Head M, Blank M, Goodman R.:Electromagnetic field exposure induces rapid, transitory heat shock factor activation in human cells. J Cell Biochem. 1997 Sep 15;66(4):482-8. Es konnte in weiteren Studien gefunden werden, dass dies in allen EMF -Frequenzbereichen bis in den Terahertz-Bereich (Infrarot /sichtbares Licht) gilt. Ist das ELF/RF/MF - EMF zeitlich inkohärent, dann ist es nicht bioeffektiv; nur ein zeitlich und räumlich kohärentes ELF/RF/MF - EMF ist in der Lage biologische Effekte in Zellen auszulösen. Es kommt bei Superposition eines zeitlich und räumlich kohärenten ELF/RF/MF - EMF, mit einem zeitlich inkohärenten aber räumlich kohärenten ELF – Störfeld ebenfalls zu keinen Bioeffekten, wie u.a.: J.M. Farrell, M. Barber, D. Krause, T.A. Litovitz: “The superposition of a temporally incoherent magnetic field inhibits 60 Hz-induced changes in the ODC activity of developing chick embryos” Bioelectromagnetics 19: 53-56 (1998) und Litovitz, T.A., Penafiel, L.M., Farrell, J.M., Krause, D., Meister, R., Mullins, J.M., “Bioeffects induced by exposure to microwaves are mitigated by superposition on ELF noise.“Bioelectromagnetics 18: 422-430 (1997) gezeigt haben. J.P.Folsgaard Bak, 2005 schreibt : „Wie gezeigt wurde ist ein nicht ionisierendes, athermisches EMF-Feld das ein konstantes Signal trägt fähig eine Nachricht in das zelluläre System von Tieren und Menschen zu übertragen. Dieses Signal ist eine Warnung an das zelluläre System über die EMF Exposition, geradeso wie bei einer realen Bedrohung etwa einer Zerstörung durch ionisierende Radioaktivität, Röntgenstrahlen, Überhitzung, toxische Chemikalien, bakterielle Angriffe, etc. Ungeachtet der Tatsache, dass dem EMF Feld die Energie und Intensität fehlt das Zellsystem direkt zu schädigen, wird durch diesen Fehlalarm eine Antwort auf der biologischen Ebene ausgelöst, welche in unerwünschter Weise das zelluläre Abwehrsystem erschöpft und es für reale Angriffe verwundbar macht. Eine Bedingung zur Auslösung einer Zellantwort ist eine Mindestdauer der Konstanz des EMF Feldes von einer Sekunde, da das Zellsystem bei Menschen und Tieren diese Zeit benötigt um auf die Exposition zu antworten. Wo die Konstanz des EMF Feldes eine Sekunde überschreitet, ist das EMF Signal in der Lage Rezeptoren der Zellmembranen zu veranlassen eine Warnung an das Zellsystem zu übertragen und eine Kaskade von Ereignissen im zellulären biologischen System zu aktivieren. Für diese Abfolge von Ereignissen, durch EMF Exposition Rezeptoren der Zellmembranen zu aktivieren, wurden in wenigstens 50 Studien Beweise geliefert. Diese Studien wurden in einer Publikation von Professor W.R.Adey, 1996 zusammengestellt:“A growing scientific consensus on the cell and molecular biology mediating interactions with environmental electromagnetic fields“. Eine Reihe von Forschungsergebnissen in verschiedenen wissenschaftlichen Arbeiten publiziert, stützen die Feststellung, dass EMF Felder Zellmembranrezeptoren veranlassen Botenenzyme wie Tyrosinkinase zu aktivieren. Die wichtigsten sind die drei Studien von Loscher et al.1998, Harvey et al.1999 und Dibirdik et al. 1998. Wie gezeigt wurde übertragen die reagierenden Rezeptoren die Warnung mittels Botenenzymen an den Zellkern, der danach in Selbstverteidigung eine Vielzahl biologischer Effekte im Zellstoffwechsel aktiviert. Diese schliessen eine Änderung der Aktivitäten von Genen, Hormonen, Enzymen und Proteinen ein, die alle die Zelle in eine Stresssituation führen, um die Zelle gegen Umgebungseinflüsse zu schützen. Studien die das bestätigen sind von: Lin et al. 1995, 1997, Goodman et al. 1998 und Trosko et al. 2000. Dieser Notfallmechanismus ist für den Fall einer kurzen Exposition gut und schützend. Wiederholt sich aber die Exposition über eine längere Periode, was im allgemeinen bei EMF der Fall ist, kommt es zu einer dauerhaften Alarmsituation. Das kann zu einer Erschöpfung des zellulären Repaisystems führen, eine Situation die am Ende die Produktion einiger der wichtigsten Repairenzyme und Stressproteine unterdrückt und dabei die Fähigkeit dieser Funktionen verringert. Dieses Defizit des zellulären Repairsystems ist ein ernster Zustand. Die Zellen brauchen ständig eine effiziente Reparatur ihrer verschiedenen Biomoleküle (unter ihnen das DNA-Molekül) gegen den ständigen Angriff und die Zerstörung (Entfaltung) durch freie Radikale und andere reaktive Moleküle. Sind die Repairenzyme unter Stress und unfähig eine Reparatur (Faltung) durchzuführen wird der ultimative Mechanismus in Gang gesetzt, Stressproteine werden aktiviert um die Enzymfunktionen wieder herzustellen. Ist aber die Stressproteinproduktion durch die wiederholte Exposition durch ein EMF Feld zu stark erschöpft wird dieser Prozess nicht aktiviert und die Moleküle bleiben unrepariert. Im Fall unreparierter DNA-Moleküle kann das fehlerhafte Molekül entweder absterben oder sich in ein abnormales Molekül umwandeln mit beschädigten Chromosomen und sogenannten Mikronuklei und in beiden Fällen zu einer Krankheit wie Krebs, Alzheimer oder Parkinson führen. Falls diese Schäden im Gehirn passieren, kann es in Regionen wo sich Zellen vermehren können zu Krebs kommen, in Arealen wo sich Zellen nicht vermehren ist Alzheimer eine mögliche Folge. Verschiedene Arbeiten, besonders zwei von der Katholischen Universität zeigten dies als Folge wiederholter EMF Exposition: DiCarlo et al. Myocardial protections conferred by electromagnetic fields. Bioelectromagnetic Circulations 1999 und DiCarlo et al. Electromagnetic fields-induced protection of chick embryos against hypoxia exhibits characteristics of temporal sensing. Bioelectrochemistry. “EMX BioChip™" Scientific Background. 3. Bioeffekte von Elektrosmog und daraus resultierende Krankheiten | ||
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Literatur
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