Die richtige Dosimetrie:
Achillesferse von Mobilfunkstudien

Mobilfunkstudien, das sind Studien, die nach unerwünschten biologischen Nebenwirkungen der Befeldung durch Mobilfunk suchen. Dreh- und Angelpunkt ist dabei die Befeldungsstärke, bei der ein biologischer Effekt auftritt oder eben ausbleibt. Doch die Dosimetrie, das technische Verfahren zu Bestimmung der tatsächlich aufs Versuchsobjekt einwirkenden Befeldungsstärke, sie ist nicht selten komplex und für Forscher außerhalb der eigenen Fachkompetenz. Die Folge sind Mobilfunkstudien mit fehlerhafter Dosimetrie. Zu entdecken sind sie nur mühsam, keiner weiß daher, wie viele unentdeckt in Archiven schlummern. Das konkrete Beispiel mit einer bekannten Mobilfunkstudie macht die Dimension des Problems deutlich (15.05.2012).

Hartnäckige Irrtümer Generationen von Kindern mussten bitteren Spinat mit der Begründung schlucken, das Grünzeug sei – seines hohen Eisengehalts wegen – besonders gesund. Entstanden ist diese Legende bereits 1890. Der Physiologe Gustav von Bunge hatte seinerzeit  den Eisengehalt von 100 Gramm Spinat korrekt auf 35 Milligramm beziffert. Aber: Er hatte getrockneten Spinat untersucht, der zehnmal so viel Eisen enthält wie frischer. Doch diese Differenzierung von Konzentrat zu Frischware geriet bald schon in Vergessenheit und die Mär vom Gemüse, mit dem sich Eisenmangel kurieren lasse, ging um den Globus. Weitere hartnäckige Irrtümer und Mythen, an die selbst Mediziner glauben, weiß SPON.

Der normativen Kraft des Faktischen kann man sich selbst dann nur schwer entziehen, wenn die Fakten gar keine sind. So publizierte 2010 ein Wissenschaftlerteam eine Studie, die Männer das Fürchten lehren konnte: Rammler (männliche Kaninchen) erlitten Impotenz, wurden sie in enge Käfige gepfercht, unter deren Boden handelsübliche Handys angebracht waren.

Mobilfunkgegner reagierten auf die Veröffentlichung bestürzt und sahen sich bestätigt. Eine kritische Durchsicht der Arbeit aber ergab: Die Handys wurden im Standby betrieben (warten auf einen Anruf), sie sendeten deshalb nur selten, und auch dies nur für ein oder zwei Sekunden. Was immer die Tiere impotent machte, die Funkwellen der nahezu inaktiven Handys waren es nicht. Bei der Studie gab es augenscheinlich ein Problem mit der Dosimetrie: Die Autoren glaubten irrtümlich, ein ständig empfangsbereites Handy würde auch kontinuierlich senden.

Im März 2012 wurde die fehlerhafte Studie zurückgezogen [1], künftig darf sie in weiterführenden wissenschaftlichen Arbeiten keine Erwähnung mehr finden.

Dosimetrie – die große Unbekannte

Unter Dosimetrie sind bei Mobilfunkstudien die technischen Verfahren zu verstehen, mit denen die Feldimmission ermittelt wird, die auf ein biologisches

SAR-Verteilung im Kopf eines Handynutzers. Frequenz ist 1750 MHz.   Bild: IMST

Studienobjekt (z.B. Zellkulturen, Versuchstier) einwirkt. Wichtig ist die richtige Dosimetrie, weil es bei Mobilfunkstudien in aller Regel darum geht, bei welcher Immission ein beobachteter biologischer Effekt auftritt: Ein Befund weit oberhalb der Grenzwerte ist von eher akademischem Interesse, unterhalb der Grenzwerte ist er Warnsignal.

Doch was, wenn die Dosimetrie einer ansonsten kompetent durchgeführten Studie fehlerhaft ist? Schließlich muss ein routinierter Biologe noch lange kein erfahrener Hochfrequenztechniker sein. Dann kann leicht auch der Befund aus dem Ruder laufen: statt Warnung müsste es Entwarnung heißen, oder – im umgekehrten Fall – statt Entwarnung Warnung.

Eine fehlerhafte Dosimetrie ist in aller Regel aber nur mühsam nachzuweisen. Selbst dann, wenn die Fachkompetenz zur Begutachtung vorhanden ist, muss erst einmal der Volltext der Studie beschafft, genau analysiert und im Zweifel der Kontakt mit den Autoren aufgenommen werden. Diesen Aufwand leistet freiwillig kaum jemand. Niemand weiß daher, wie viele Studien mit unentdeckt fehlerhafter Dosimetrie noch in den Archiven schlummern, es mögen hunderte oder tausende sein.

Das alles ist ziemlich abstrakt. Ein konkretes Beispiel aus der realen Welt der Wissenschaft will daher zeigen, was ein Experte aus einer Studiendokumentation herauslesen kann, und wie sich bei kritischer Sicht die bislang nicht infrage stehende Dosimetrie einer Arbeit in ein großes Fragezeichen verwandeln kann.

Eine Studie als Proband

Die Studie, die nachfolgend als Beispiel dient, sie ist nicht irgendeine bedeutungslose, sie gilt vielmehr als wichtiger Hinweis für die Existenz athermischer (nicht-thermischer) Effekte. Gemeint ist Friedman J. et al., Mechanism of short-term ERK activation by electromagnetic fields at mobile phone frequencies, Biochem. J. (2007) 405, 559-568. Unter dem Link ist der Volltext der Arbeit erreichbar. Für uns ein entscheidendes Auswahlkriterium, denn nur so sind die Details der angewandten Dosimetrie für jeden transparent nachvollziehbar und nachprüfbar.

Ausgeführt wurde die Studie am Weizmann Institute of Science, Rehovot, Israel, Joseph Friedmann war dort als Gastwissenschaftler beschäftigt (Consultant), 2008 hat er das Institut verlassen [2].

Die Friedman-Studie in der öffentlichen Wahrnehmung

Ungepulstes Signal Friedman et al. verwendeten kein gepulstes Signal, wie es beim GSM-Mobilfunk üblich ist, sondern ein unmoduliertes Trägersignal, das je nach Experiment zwischen zwei und 30 Minuten auf die Zellkulturen einwirkte. Mit der von Mobilfunkgegnern gerne als besonders gefährlich dargestellten “Pulsung” können die alarmierenden Resultate der Studie daher nicht erklärt werden.

Mobilfunkgegner waren von der Studie wie elektrisiert. Hier einige Reaktionen:

• Der Elektrosmog-Report vom August 2007 meldete: “Die Wirkung ist eindeutig nicht-thermischer Art.”

• Diagnose-Funk wußte am 7.9.2007: “Nicht-thermische Effekte durch Studie bestätigt. Nur zehn Minuten am Mobiltelefon können Krebs auslösen, glauben Wissenschafter.”

• Dr. med. Waldmann-Selsam am 5.10.2007 in einem Brief an das Bundesamt für Strahlenschutz: “Die intrazelluläre Wirkungsvermittlung über Radikalenbildung in der Membran und die nachfolgende Stimulation von Zellkaskaden unterhalb der gültigen Grenzwerte ist Stand des aktuellen Wissens (Friedman et al. 2007).”

• Profil online behauptete am 20.6.2009: “Der israelische Forscher Joseph Friedmann vom renommierten Weizmann-Institut konnte bereits vor Jahren nachweisen, dass das für die Zellregulation wichtige ERK-Enzym sein Verhalten bereits bei einer geringen Strahlendosis verändert. Ob das allerdings auch im lebenden Organismus so ist, konnte die Wissenschaft bisher nicht klären. Dennoch wurden in Israel aufgrund von Friedmanns Forschungen die Grenzwerte für Handy-Sendestationen gesenkt.”

• Diagnose-Funk legte am 21.01.2012 unter dem Titel “Kann die nicht-ionisierende Strahlung des Mobilfunks Zellen schädigen?“ noch einmal nach: “... Adlkofer fügt in einem weiteren Arikel hinzu, dass das Energie-Argument ohne Substanz ist, denn: „Die nachgewiesenen gentoxischen Wirkungen kommen auf indirektem Wege zustande. Sie sind mit etlicher Wahrscheinlichkeit auf eine unmittelbar nach Beginn der Bestrahlung einsetzende Radikalbildung zurückzuführen (Friedman 2007, Lai 1997).

Dosimetriebeschreibung der Friedman-Studie

Die Original-Beschreibung der Dosimetrie lautet bei Friedman et al. wie folgt:

A frequency generator (TGR1040 signal generator; Thurlby Thandar Instruments) and an amplifier of 1 W maximum (ERA-3SM; Minicircuit) were used. The generator, located outside the incubator, was set to the desired power and connected to the power amplifier, which was connected to a panel antenna that was fixed in the incubator. The emitting antenna was placed in the centre of a shelf in the incubator at a distance of 10 cm from each plate. The walls of the incubator were covered with material absorbing irradiation to avoid reflection from the walls, and this created a homogeneous irradiating field. A field meter was used to measure the density of irradiation in mW/cm² in a particular area of the incubator. The temperature of the cell culture medium was measured throughout the experiment and was found to be unchanged (Δ<0.05 °C) even with the highest intensities used throughout the experiments.

An anderer Stelle wird Auskunft über die Frequenzen gegeben, mit denen die Zellkulturen befeldet wurden:

Only small differences in the phosphorylation of ERKs were detected in Rat1 cells irradiated with an intensity of 0.07 mW/cm² of 800, 875 and 950 MHz.

Die Angaben zur Befeldungsstärke sind wegen der zahlreich durchgeführten Experimente vielfältig, die Werte reichen laut EMF-Portal von 0,005 mW/cm² bis 0,344 mW/cm² (50 mW/m² bis 3,44 W/m²).

Bewertung der Dosimetrie

Dosimetrie-Experte Dr. Christian Bornkessel erhielt 1990 seinen Dipl.-Ing.-Grad von der Technischen Universität Ilmenau und 1993 den Dr.-Ing.-Grad von der Universität Karlsruhe. Von 1991 bis 1995 arbeitete er am Institut für Höchstfrequenztechnik und Elektronik der Universität Karlsruhe als Forschungsassistent an der numerischen Analyse verschiedenster Probleme der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Seit 1995 ist er bei der IMST GmbH, Kamp-Lintfort (bei Duisburg), beschäftigt, dort leitet er das Prüfzentrum. Bornkessel war verantwortlich für die Planung, Errichtung, Akkreditierung und Inbetriebnahme des EMV-Labors. Seine gegenwärtigen Aktivitäten umfassen die Akquisition und Leitung von EMV-Projekten mit einem Schwerpunkt in der Elektromagnetischen Umweltverträglichkeit (EMVU). Im Bereich EMVU liegen seine Kompetenzen in der Entwicklung von Mess- und Berechnungsverfahren für hochfrequente Immissionen mit Schwerpunkt Mobilfunk-Sendeanlagen. Hierbei sind vor allem Arbeiten für das Umweltministerium NRW sowie das Bundesamt für Strahlenschutz zu nennen. Er ist Mitglied im Fachausschuss „Antennen“ der ITG (Informationstechnische Gesellschaft im VDE) sowie stellvertretender Vorsitzender im Ausschuss „Nichtionisierende Strahlen“ der Strahlenschutzkommission [3], [4].

Wir baten Dr. Christian Bornkessel vom “Institut für Mobil- und Satellitenfunktechnik” (IMST GmbH), Kamp-Lintfort, um Auskunft, wie er die Dosimetrie der Friedman-Studie bewertet. Lesen Sie nachfolgend die Bewertung des Experten:

Lückenhafte Beschreibung

Die Beschreibung der Dosimetrie durch die Autoren ist so knapp gehalten, dass es nicht möglich ist, eine fundierte Bewertung abzugeben. Insbesondere fehlen Bilder der Anordnung von Sendeantenne, Expositionsobjekt und Absorberauskleidung im Inkubator. Lediglich aus der textlichen Beschreibung ist es nicht möglich, den exakten Aufbau zu ermitteln.

Expositionsobjekt im reaktiven Nahfeld

Nach Angabe der Autoren wurde die Sendeantenne (Panelantenne) in einem Abstand von 10 cm „from each plate“ platziert. Es ist nicht klar, was mit „plate“ gemeint ist. Sofern mit „plate“ das Expositionsobjekt, d.h. die Petrischale mit den Zellen bzw. die Membran gemeint ist, muss der geringe Abstand zwischen Antenne und Expositionsobjekt von 10 cm als kritisch bewertet werden, da sich bei der Expositionsfrequenz von 875 MHz (Freiraumwellenlänge etwa 34 cm) das Expositionsobjekt im so genannten reaktiven Nahfeld der Antenne befindet. Im reaktiven Nahfeld ist die Angabe einer Leistungsflussdichte als Expositionsgröße, so wie in der Veröffentlichung geschehen, aus mehreren Gründen nicht sinnvoll:

Einerseits ist eine Leistungsflussdichte überhaupt nur im Fernfeld einer Strahlungsquelle definiert (mit Einschränkungen auch im strahlenden Nahfeld), andererseits besteht im reaktiven Nahfeld eine starke Rückwirkung von Objekten auf die Quelle. Diese Rückwirkung ist u.a. abhängig von Größe und Beschaffenheit des Objektes und z.B. zwischen dem „field meter“ (von den Autoren zur Ermittlung der Leistungsflussdichte benutzt) und dem Expositionsobjekt unterschiedlich.

Die SAR wäre die geeignete dosimetrische Größe gewesen

Außerdem setzt die Angabe einer Leistungsflussdichte (z.B. zum Vergleich mit den Referenzwerten nach den ICNIRP-Empfehlungen) „ungestörte“ (d.h. rückwirkungsfreie) Fernfeldbedingungen bzw. eine ebene Welle voraus; dies ist hier aber nicht gegeben. Sofern sich das Expositionsobjekt tatsächlich in nur 10 cm Abstand von der Antenne befunden hat, wäre die Spezifische Absorptionsrate (SAR) im Expositionsobjekt die geeignete dosimetrische Größe für die Versuche gewesen; diese ist aber offensichtlich nicht ermittelt worden.

Vom reaktiven Nahfeld zum Fernfeld

Die Regionen „reaktives Nahfeld“, „strahlendes Nahfeld“ und „Fernfeld“ um eine Antenne können wie folgt bestimmt werden (D ist maximale Ausdehnung der Antenne, L ist die Wellenlänge, E die elektrische und H die magnetische Feldstärke): Nach DIN EN 50492 „Grundnorm für die Messung der elektromagnetischen Feldstärke am Aufstell- und Betriebsort von Basisstationen in Bezug auf die Sicherheit von in ihrer Nähe befindlichen Personen“ ist es ab einem Abstand von Maximum (L, D, D²/4L) akzeptabel, nur eine der Feldkomponenten E oder H zu messen. Die jeweils andere Komponente ergibt sich mit Hilfe des Freiraumwellenwiderstandes von 377 Ohm.

Mit einer elektrischen Feldstärkesonde (schwarz) am Roboterarm (orange) wird in einem mit gewebesimulierender Flüssigkeit gefüllten Phantom eines menschlichen Kopfes (weiß) die Verteilung einer von unten einwirkenden Feldstärke gemessen und daraus der SAR-Wert ermittelt.   Bild: IMST

Der Bereich von der Antenne bis zu dieser Grenze wird als „reaktives“ Nahfeld bezeichnet – im Unterschied zum sich anschließenden „strahlenden Nahfeld“, was nach DIN EN 50492 bis Maximum (5L, 5D, 0,6 D²/L) geht. Exakte Fernfeldbedingungen (E senkrecht zu H, E/H=377 Ohm, Richtdiagramm der Antenne ist unabhängig vom Abstand zur Antenne) herrschen erst ab diesem Abstand von der Antenne, wobei die ersten beiden Bedingungen näherungsweise auch schon im strahlenden Nahfeld erfüllt sind. Im konkreten Fall einer Paneelantenne bei 875 MHz (Annahme: D=L/2) erstreckt sich nach obiger Definition das reaktive Nahfeld bis Maximum (34 cm, 17 cm, 2 cm), d.h. bis 34 cm von der Antenne. Ein Bereich mit 10 cm Abstand von der Antenne ist also mit Sicherheit noch im reaktiven Nahfeld.

Wie oben bereits beschrieben, ist aber die Leistungsflussdichte im reaktiven Nahfeld nicht definiert, sie setzt Fernfeldbedingungen (oder näherungsweise mindestens strahlende Nahfeldbedingungen) bzw. das Vorhandensein einer „ebenen Welle“ voraus.

Immissionsangabe ohne Wert

Kritisch ist in diesem Zusammenhang auch die Aussage der Autoren zu sehen:

This intensity is well below the average intensity of a single mobile phone, which is approx. 0.45 mW/cm² in Israel.

Diese Aussage ist ohne die Nennung eines dazu gehörigen Abstands von der Quelle ohne Wert. Selbst wenn hier der Abstand eines Mobiltelefons zum Kopf bei einem Telefongespräch gemeint wäre, ist die Angabe einer Leistungsflussdichte wegen der oben erwähnten reaktiven Nahfeldproblematik nicht gestattet.

Andere Fragen, die wegen der zu knappen Beschreibung der Dosimetrie unbeantwortet bleiben, betreffen den Typ der verwendeten Sendeantenne (Hersteller, elektrische Eigenschaften) und des verwendeten Messgeräts zur Ermittlung der Leistungsflussdichte (von den Autoren „field meter“ genannt). Oft werden von den Laboren hier breitbandige Feldstärkemessgeräte mit einer passenden Feldstärkesonde verwendet. Dies messen aber üblicherweise nur die elektrische oder magnetische Feldstärke, nicht jedoch die Leistungsflussdichte. Die Leistungsflussdichte wird vom Messgerät unter der Annahme von Fernfeldbedingungen intern berechnet, die hier aber nicht vorlagen.

Auskleidung des Inkubators mit Absorbern

Verbesserungsvorschlag “Leider ließ sich aus der Veröffentlichung nicht mehr Substanzielles herausziehen – ein Makel, der mir in vergleichsweise vielen biologischen Arbeiten auffällt. Offensichtlich ist es immer noch nicht üblich, bei der Einreichung entsprechender Manuskripte auch einen dosimetrischen Sachverständigen hinzuzuziehen, der sich die Expositionsseite anschaut. Wenn man das konsequenter durchzöge, würde manches Paper vermutlich nie veröffentlicht werden ...” Dr. Christian Bornkessel gegenüber dem IZgMF, 2012

Nicht detailliert beschrieben und damit nicht abschließend bewertbar ist die von den Autoren genannte Auskleidung des Inkubators mit Absorbern (nur die Wände oder auch Decke und Boden?). Insbesondere wären hier die Art und die elektromagnetischen Parameter der Absorber von Interesse. Im Hochfrequenzbereich werden üblicherweise zwei Arten von Absorbern eingesetzt: Mit Graphit getränkte Schaumabsorber in Pyramiden-, Keil- oder Plattenform, und Ferritabsorber. Für einen Schaumabsorber gilt die Faustregel, dass er zum Erreichen einer nennenswerten Dämpfung mindestens eine halbe Wellenlänge dick sein muss. Dies entspricht im vorliegenden Fall etwa 17 cm; eine Auskleidung mit einer derart dicken Absorberschicht erscheint bei üblicherweise für biologische Experimente verwendeten Inkubatoren zumindest unwahrscheinlich. Außerdem würde die hohe Luftfeuchtigkeit im Inkubator die Dämpfung von Schaumabsorbern stark beeinflussen.

Ferritabsorber in Kachelform zur Auskleidung von Absorberkammern hingegen haben üblicherweise ihr Dämpfungsmaximum im Bereich um etwa 100 MHz; ihre Dämpfung nimmt darunter und darüber stark ab. Ein messtechnischer Nachweis der erreichten Feldhomogenität ist in der Veröffentlichung nicht beschrieben, somit kann die Wirksamkeit der Absorberauskleidung nicht bewertet werden. Die zur Einschätzung der Qualität der Expositionseinrichtung wichtige Information zur tatsächlich vorliegenden Feldhomogenität im Bereich der Expositionsobjekte fehlt somit.

Fazit: Zu ungenaue Beschreibung der Dosimetrie

Als Fazit lässt sich feststellen, dass die Beschreibung der Dosimetrie in der Veröffentlichung in wesentlichen Aspekten zu unpräzise ist, um eine fundierte Bewertung der Qualität der Dosimetrie zu ermöglichen. Sollte es zutreffen, dass der Abstand zwischen Sendeantenne und Expositionsobjekt tatsächlich nur 10 cm betrug, dann ist die Exposition aufgrund der reaktiven Nahfeldproblematik und eines nicht korrekten Expositionsmaßes (Leistungsflussdichte anstatt SAR) als kritikwürdig einzustufen.

Quellen

[1] Impotente Rammler durch Handys: Salama-Taktik

[2] http://www.weizmann.ac.il/acadaff/Scientific_Activities/2008/Biological_Regulation.html

[3] Die Referenten des EMV Kongresses 2010

[4] http://www.imst.de/imst/de/wir-ueber-uns/gremien-partner.php?