2.3 Wie stark werden Kinder und Jugendliche bei der Nutzung von WLAN-Geräten bestrahlt?

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Viele Untersuchungen haben in den vergangenen Jahren geklärt, welche Strahlungsbelastung durch WLAN-Access-Point bzw. WLAN-Router, Funknetzwerkkarten und Antennen in Tablets, Laptops und Smartphones auf Schüler zukommt (IMST [28], Uni Bremen 2001 [29], Nova-Institut 2001, ÖKO-Test Heft 11/2002 und 10/2003 [30]; ECOLOG-Institut, 2003 [31] u. a.).

Die Ergebnisse lassen sich qualitativ wie folgt zusammenfassen:
 

• Grundsätzlich nimmt die Strahlungsintensität bzw. Leistungsflussdichte (bzgl. Spitzenwert, sowie Mittelwert) mit dem Abstand zur strahlenden Quelle ab, da sich die Strahlung divergent ausbreitet und daher immer größere Flächen durchstrahlt. Dies gilt für alle Quellen von Mobilfunkstrahlung (Router, Tablets, Smartphones usw.), aber auch z. B. für Lichtquellen (Sonne, Scheinwerfer u. a.).
• Die mittlere Strahlungsintensität von aktiven WLAN-Sendern steigt mit der Stärke des Datenstroms, der an die Nutzer übertragen wird. Die niedrigste mittlere Strahlungsintensität liegt im Bereitschaftsmodus vor, die höchste beim datenintensiven Streaming von Filmen, Videos oder Nachrichten (vgl. Abb. 2).

Daraus lassen sich bereits folgende Präventionsmaßnahmen ableiten: Da die Hauptbelastung stets durch die körperliche Nähe zum strahlenden Endgerät, z. B. zum WLAN-aktiven Laptop, Tablet, Smartphone oder Schnurlostelefon, entsteht, kann jeder seine persönliche Strahlenbelastung bereits dadurch verringern, dass er

• genügend großen Abstand vom körpernah genutzten Endgerät und vom zugehörigen Mobilfunksender (WLAN-Router bzw. Access-Point, Basisstation des Schnurlostelefons usw.) hält (z. B. 5 m), und
• Streaming in Körpernähe möglichst vermeidet bzw. auf ein Minimum einschränkt.

Um die gesundheitlichen Risiken der auftretenden Belastungen genauer beurteilen zu können, sind quantitative Werte der Strahlungsintensitäten und Studien bei diesen Werten erforderlich.

Spitzen- und Mittelwerte der Strahlung von WLAN-Sendern

Grundsätzlich gilt: WLAN-Strahlung ist gepulst. Zwischen den gesendeten Datenpaketen liegen je nach Auslastung mehr oder weniger lange Zeitabschnitte, in denen fast keine Strahlung ausgesandt wird. Entsprechend pulsiert auch die Strahlenbelastung bzw. die Leistungsflussdichte ähnlich wie bei einer Lampe, die ständig flackert. Die Leistungsflussdichten in veröffentlichten Abbildungen und Tabellen stellen daher in der Regel nur Mittelwerte (Effektivwerte) dar, während der Sendung eines Datenpakets (max. Strahlungsintensität) liegen die Spitzenwerte um den sog. Crestfaktor 10- bis 20-mal höher [32] (d. h. bei 2,4 GHz-WLAN: 1 W bis 2 W pro Kanal). Beispiel: Wenn keine Daten gesendet werden, erzeugt der WLAN-Sender das sog. Beacon-Signal (Standby-Modus, Abb. 1): Die Pulse folgen in einem regelmäßigen Abstand von 0,1 s, was einer Pulsfrequenz fp = 10 Hz, also von 10 Pulsen pro Sekunde, entspricht. Die Pulsdauer t beträgt dabei nur t = 0,5 ms, was nur ein 200-stel der Zeitdauer zwischen zwei Pulsen ausmacht.

Innerhalb eines Pulses (blaues Rechteck) schwingt eine hochfrequente elektromagnetische Trägerwelle der WLAN-Frequenz von z. B. fT = 2,4 GHz = 2,4 · 10⁹ Hz. In der Zeit eines Pulses von 0,5 ms erfolgen damit 1,2 Millionen Schwingungen der Trägerwelle. Diese beinhalten die für eine Verbindung notwendigen digitalen Informationen.

Bei den nicht leistungsgeregelten WLAN-Sendern der Frequenz 2,4 GHz ist die mittlere(!) Maximalleistung auf 100 mW begrenzt (vgl. S. 68). Im Bereitschaftsmodus (kein Datentransfer) wird jeder Puls mit mindestens dieser Maximalleistung von 100 mW gesendet, die mittlere Leistung liegt dann immer noch unter 100 mW, sie beträgt dann 100 mW · 0,5 ms / 0,1 s = 0,5 mW. Aber auch wenn der Puls mit 1 W gesendet wird, liegt die mittlere Leistung immer noch unter der Grenze von 100 mW, sie beträgt dann 1 W · 0,5 ms / 0,1 s = 5 mW. Bei maximaler Auslastung kommt es zu einem fast kontinuierlichen Signal, das nur durch kurze Bestätigungssignale des Empfängers unterbrochen wird. Daher entspricht erst in diesem Fall der Mittelwert der Leistungsflussdichte etwa dem Spitzenwert während der Sendung eines Datenpakets und liegt dann nahe bei 100 mW.

Der Spitzenwert als biologisch relevanter Parameter von WLAN

Für die Beurteilung der biologischen Relevanz werden in vielen Veröffentlichungen neben der Pulsfrequenz fast durchgängig der (kleinere) Mittelwert (Effektivwert) und nicht die Spitzenwerte der Pulsleistung herangezogen. Viele Studien aber zeigen, dass gepulste Strahlung mit ihren meist hohen Spitzenwerten biologisch wirksamer ist als ungepulste bei gleicher mittlerer Leistungsflussdichte. Daher sind die Spitzenwerte als biologisch gewichtiger einzuschätzen als die Mittelwerte. Dass dies zu erwarten ist, zeigt schon folgendes Beispiel: Wer immer wieder eine kurze Zeitlang (1 s) eine heiße Herdplatte (200 °C) berührt und in den Zwischenzeiten (9 s) eine kalte (20 °C), kann sich eine Brandblase einhandeln; eine anhaltende Berührung der mittleren Temperatur von 38 °C ist dagegen wesentlich ungefährlicher. Die mittlere Temperatur berechnet sich wie folgt:

(1 s × 200 °C + 9 s × 20 °C)/10 s = 38 °C.

Hinweis zur Prävention: Ein WLAN-Sender (100 mW) im Bereitschaftsmodus, der nicht leistungsgeregelt ist, erzeugt eine sich ständig wiederholende hohe Kurzzeitbelastung (10-mal pro Sekunde), die nicht harmlos ist, auch wenn die mittlere Leistung gering ist! Er sollte daher abgeschaltet werden, wenn er nicht benötigt wird.

Auch die Trägerfrequenzen von WLAN-Sendern (um 2,4 GHz bzw. 5 GHz) sind von biologischer Bedeutung: Studien zeigen immer wieder, dass die biologischen Reaktionen auf Mobilfunkfelder verschiedener Trägerfrequenz trotz gleicher Leistungsflussdichte ganz unterschiedlich bzw. unterschiedlich stark ausfallen können, in vielen Fällen nehmen sie mit der Trägerfrequenz zu.

Strahlungsintensitäten in der Umgebung von WLAN-Sendern

Die Abnahme der mittleren(!) Strahlungsintensität (Leistungsflussdichte) im Nahbereich von Access-Points oder Routern (100 mW) wird durch Abb. 2 beispielhaft veranschaulicht:

Abbildung 2: Abnahme der mittleren elektrischen Feldstärke (in V/m) bzw. der mittleren
Leistungsflussdichte (in µW/m²) mit dem Abstand von einem 2,4 GHz WLAN-Access-Point (100 mW). 100%: Maximale Auslastung; 66%: z. B. hochauflösendes Videostreaming; 10%: Büroalltag; 2%: allg. Durchschnitt [33]

Die mittlere Strahlungsintensität kann im Nahbereich von etwa 0,5 m je nach Gerätetyp und Auslastung bis zu 30.000 µW/m² betragen, im Abstand von 0,2 m bei hoher bis voller Auslastung auch 100.000 – 200.000 µW/m² erreichen (Abb. 2). Mit zunehmendem Abstand nimmt die mittlere Intensität schnell ab, erst in größeren Abständen von etwa 3 m ergeben sich etwa 500 µW/m². Im Standby-Zustand ergeben sich zwischen 0,5 m und 0,2 m Abstand 50 – 350 µW/m².

Die biologisch relevanten Spitzenwerte, die auch bei geringerer Auslastung auftreten, sind dagegen mit der Strahlungsintensität bei maximaler Auslastung (Dauerstrahlung, oberste Kurve) in dem entsprechenden Abstand nahezu identisch. Sie werden wegen der geringeren Auslastung lediglich in verminderter Häufigkeit ausgestrahlt.

Tabelle 1:

*IMST-Studie [28] (S. 16ff und 26ff), **ECOLOG-Studie (Peak-Werte) [34], ***Diagnose-Funk

Bei einem WLAN-aktiven Laptop, Tablet oder Smartphone gilt: Wenn man eine Entfernung des Nutzers vom Gerät von 0,3 m = 30 cm als repräsentativ ansieht, schwankt die damit verbundene mittlere Leistungsflussdichte zwischen 6.000 µW/m² (schwache Auslastung, Abb. 2) und ca. 90.000 µW/m² (maximale Auslastung, Tabelle 1). Mittlere Werte liegen bei 20.000 – 30.000 µW/m².

Die Strahlenbelastung von Kindern und Jugendlichen steigt damit beim Streaming von Filmen oder beim Anschauen von Youtube-Videos z. B. im WLAN-Unterricht auf höchste Werte an, wenn sich die Endgeräte in Körpernähe befinden. Aber auch ein Access-Point kann bei Volllast noch einen erheblichen Beitrag leisten, je nachdem, wie weit der Schüler von ihm entfernt ist.

Strahlungsintensitäten im Unterricht mit und ohne WLAN

Die mittlere Strahlenbelastung von Schülern bzw. Lehrern während eines Unterrichts mit und ohne WLAN-Nutzung ist in mehreren Untersuchungen gemessen worden. Die Ergebnisse eines Review-Artikels von Hedendahl et al 2017 [35] zeigt Tabelle 2:

Tabelle 2: Überblick über HF-Strahlungsmessungen in verschiedenen Ländern und Schulen, an denen Unterricht mit bzw. ohne WLAN-aktive(n) Geräte(n) stattfindet. Alle Werte sind Mittelwerte (keine Spitzenwerte). Sie sind dem Review von Hedendahl et al (2017) [35] entnommen.

Die Ergebnisse sind in mehrfacher Hinsicht lehrreich:

• Die Maximalwerte der mittleren(!) Strahlenbelastung der Schüler allein durch WLAN während eines Unterrichts mit WLAN-aktiven Geräten liegen bei dieser Untersuchung im Bereich von etwa 4.000 – 27.000 µW/m². Bei einem maximalen Auslastungsgrad in einem Klassenraum mit 30 Laptops und einem Access-Point in 0,5 m Entfernung ergibt sich nach einer Abschätzung von Khalid et al (2011) [36] eine persönliche maximale Strahlenbelastung von 16.600 µW/m² (nur WLAN). Bei körpernaher Nutzung von Laptops und Tablets (20 cm) können sogar Maximalwerte von über 100.000 µW/m² am Körper erreicht werden (vgl. Tabelle 1). Diese Werte treten vor allem bei einem umfangreichen Datendownload bzw. ‑upload auf. Dabei gilt: Bei langsamen WLAN-Netzen, wenn z. B. viele Nutzer auf einen Access-Point zugreifen, halten die Maximalbelastungen länger an als bei schnellen WLAN-Netzen.
• Die (Tages-) Mittelwerte der WLAN-Belastungen während der gesamten WLAN-Nutzungsdauer sind dagegen deutlich geringer und liegen bei den untersuchten Schulen maximal bei ca. 150 µW/m², da die Zeitdauern hoher Datentransferraten, also der Auslastungsgrad (duty cycle) in der Regel nur einen Bruchteil der gesamten Nutzungsdauer ausmachen [37]. Achtung: Die mittlere(!) Tagesbelastung durch WLAN in Schulen ist in vielen Fällen zwar gering, aber die ständig erzeugten hohen Spitzenwerte bei WLAN – auch im Standby – kommen zur Belastung durch das eigene Smartphone hinzu, wenn es nicht abgeschaltet wird (Flugmodus). Damit erhöht sich das gesundheitliche Risiko aller Betroffenen.
• Weiterhin ergaben die Messungen, dass die persönliche Strahlenbelastung stets von den Geräten in der nächsten Nähe der Person dominiert wird, und nicht nennenswert von der Gesamtzahl aller Access-Points und WLAN-aktiven Geräten in der Schule abhängt. Weiter entfernt liegende strahlende Geräte spielen also für die persönliche Strahlenbelastung während des Unterrichts nur eine unwesentliche Rolle.
• Die letzten beiden Zeilen der Tabelle zeigen: Auch wenn Schulen nicht mit WLAN-Netzen ausgerüstet sind, sondern z. B. Kabelverbindungen nutzen und daher nur geringe extern erzeugte WLAN-Strahlungsintensitäten innerhalb der Schule auftreten, kann die Belastung durch das eigene strahlungsaktive Smartphone, das nahe am Körper aufbewahrt oder genutzt wird, hohe Werte für den Schüler bedeuten: Z. B. wurden in Griechenland und in Belgien hohe (mittlere) Maximalwerte um die 7.000 µW/m² gemessen.
• Fazit: Wenn eine Schule die Strahlenbelastung der Schüler nachhaltig reduzieren möchte, dann macht das nur dann Sinn, wenn Kabelverbindungen statt WLAN genutzt werden und die Belastung durch das eigene Smartphone unterbunden wird: Es sollte dann z. B. in den Flugmodus geschaltet werden.
• Wenn im Unterricht Up- und Downloads mit Smartphones oder Tablets der Schüler über Mobilfunkbasisstationen (per GSM (2G), UMTS (3G) oder LTE (4G)) in der Umgebung der Schule statt über ein schuleigenes WLAN-Netz durchgeführt werden, kann die persönliche Belastung sehr hohe Werte annehmen: Höchste mittlere(!) Expositionswerte (Worst-Case) lagen bei ca. 80.000 µW/m². Dass so hohe Werte auftreten, liegt an der Tatsache, dass ein Endgerät mit UMTS oder LTE im Worst-Case maximal 1,25- bis 2,5-fach stärker (also mit 125 mW bzw. 250 mW) strahlt als die WLAN-Schnittstelle.

Man könnte meinen, dass dies ein Pro-Argument für die Nutzung von WLAN an Schulen liefert, da bei WLAN-Nutzung die mittleren maximalen Strahlungsintensitäten geringer ausfallen würden und die Gesundheit der Schüler daher weniger gefährdet sei. Aber: Höchste mittlere Expositionswerte treten in der Regel nur zu einem Bruchteil der gesamten Nutzungsdauer auf. Das heißt: Für die Beurteilung der gesundheitlichen Gefährdung ist daher wesentlich, welcher Belastung ein Schüler in der übrigen Zeit ausgesetzt ist.
Und hier schneiden WLAN-Sender in Smartphones, Access-Points, Tablets und Laptops in der Regel schlechter ab, da sie nicht leistungsgeregelt sind im Gegensatz zur leistungsgeregelten Smartphonenutzung über GSM, UMTS oder LTE. Das heißt: Bei einem Unterricht mit WLAN ist der Schüler im WLAN-Bereitschaftsmodus einer periodisch wiederkehrenden Folge von hohen Kurzzeitbelastungen (alle 1/10-tel Sekunden) ausgesetzt, die durch wenige länger andauernde hohe Belastungen unterbrochen wird.

Diese zahlreichen hohen Kurzzeitbelastungen bei WLAN treten bei UMTS und LTE nicht in dieser Häufigkeit auf (im Standby-Modus erfolgt ein Strahlungsimpuls ca. alle 2 – 6 Minuten, wenn die installierten Apps aktiviert sind, aber WLAN und Bluetooth ausgeschaltet ist) und wegen der Leistungsregelung auch nicht unbedingt in dieser Höhe. Die mittlere Sendeleistung von Smartphones mit UMTS und LTE liegt nach Aussagen des BfS „nur“ bei einem Viertel der Sendeleistung von ungeregelten WLAN-Endgeräten und WLAN-Routern, also nur bei 25 mW gegenüber 100 mW bei WLAN. Man kann also nicht einfach behaupten, dass WLAN strahlungsärmer ist als UMTS oder LTE.

Die Idee, schülereigene Smartphones oder Tablets (sog. BYOD = Bring Your Own Device) für den digitalen Unterricht über UMTS oder LTE – also ohne ein WLAN-Netz – zu nutzen, würde die Schüler durch ggf. höhere Spitzenwerte bei hohem Datentransfer und in der übrigen Zeit durch eine ggf. geringere Dauerbelastung gefährden. Da die tatsächliche Belastung von vielen weiteren Faktoren abhängt, ist ein Vergleich der Belastung durch UMTS oder LTE mit der durch ein WLAN-Netz nicht ohne Weiteres möglich.

Fazit: Wenn ein WLAN-Netz in der Schule genutzt werden soll, dann möglichst mit leistungsgeregelten WLAN-Endgeräten und leistungsgeregeltem WLAN-Access-Point, z. B. mit der neuesten WLAN-Norm IEEE 802.11ax oder IEEE 802.11ac, und darüber hinaus sollten sich alle WLAN-Sender bei Nichtgebrauch automatisch abschalten.

LAN-Anschluss Bild: Dmitri Maruta - adobe.stock.com

Grenzwerte und Vorsorgewerte zur Beurteilung der Strahlenbelastung

Alle Werte in Tabelle 1 und 2 schöpfen die amtlichen Grenzwerte (max. 10.000.000 µW/m²) im „Normalfall“ nur zu einem geringen Prozentsatz (unter 0,1%) aus. Daher wird WLAN-Anwendungen im Klassenraum in der Regel „grünes Licht“ gegeben. Die Annahme der gesundheitlichen Unbedenklichkeit unterhalb der Grenzwerte ist mit den derzeit vorhandenen wissenschaftlichen Erkenntnissen nicht mehr vereinbar, die Bewertung der Strahlenexposition von Kindern und Jugendlichen durch WLAN im Klassenraum muss differenzierter ausfallen (Kapitel 2.5 und 2.6). Sie ist keinesfalls durch Verweis auf die geringe Grenzwertausschöpfung ausreichend begründet:

Bereits 2008 wurden vom Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland (BUND) wurden folgende Richtwerte gefordert: ein Mindest-Vorsorgewert von 1 µW/m² bei Dauerbelastung und maximal 100 µW/m² als einklagbarer Schutzstandard [38]. 2012 schlug die Bioinitiative Working Group einen Vorsorgewert von 3 – 6 µW/m² vor, da Studien biologische Effekte von Mobilfunkstrahlung bis hinunter zu 30 – 60 µW/m² gefunden hatten [39]. Im „Leitfaden Senderbau“ [40], der 2014 von der österreichischen Ärztekammer, der Wiener Arbeiterkammer, der Wirtschaftskammer u. a. erarbeitet wurde, wird nach sorgfältiger Analyse der Studienlage ein Planungszielwert (Vorsorgewert) von maximal 1.000 µW/m² für dauerhafte Exposition gefordert.

Auch wenn die zumutbare Dauerbelastung aufgrund der vorhandenen Studienlage verschieden eingeschätzt wird, belegen die begründeten Empfehlungen (Vorsorgewerte) eindringlich, dass die in Tabelle 1 und 2 dokumentierten Belastungen nicht mehr bedenkenlos und ohne Vorsorgemaßnahmen hingenommen werden können.