Niet-ioniserende elektromagnetische straling bij GSM-zendantennes Bart van den Broek Bart van den Broek is sinds 1 mei 1999 werkzaam als veiligheidskundige bij de Arbodienst Koninklijke Marine. Daarvoor heeft hij 6 jaar gewerkt als senior adviseur en veiligheidskundige bij TNO Arbeid Met enige regelmaat verschijnen in de media berichten over mogelijke gezondheidseffecten van elektromagnetische straling en velden. Meestal zijn deze berichten gebaseerd op onderzoeken waarin een verband wordt gelegd tussen allerlei klachten en blootstelling aan elektrische en magnetische velden. De veronderstelde klachten zijn divers van aard: variërend van lusteloosheid en hoofdpijn tot duizeligheid. Maar ook het voorkomen van leukemie wordt in verband gebracht met dergelijke straling en/of velden. Dit artikel beoogt inzicht te geven in het fenomeen elektromagnetische niet-ioniserende straling, in het bijzonder in relatie tot GSM-zendantennes. Daarnaast wordt aandacht gevestigd op risico’s en aandachtspunten die gelden bij het werken met of in de buurt van GSM-zendantennes. Tot slot wordt een aanzet gegeven tot discussie over (het vaak ontbreken van) informatie die ons als veiligheidskundigen verder kan helpen bij ons advieswerk. In dit artikel wordt niet nader ingegaan op stralingsperikelen met betrekking tot de GSMzaktelefoons op zich. Er wordt ook niet ingegaan op de (parasitaire) ioniserende straling zoals dat voor kan komen bij hoog vermogen zenders. Elektromagnetische straling We worden dagelijks blootgesteld aan verschillende soorten en niveaus elektromagnetische straling, variërend van de radiogolven om onze draagbare transistor om Radio 2 te ontvangen tot kosmische achtergrondruis. Er is een belangrijk onderscheid te maken in de elektromagnetische straling: de niet-ioniserende straling en de ioniserende straling. Niet-ioniserende straling is elektromagnetisch straling waarvan de energie niet groot genoeg is om materie te ioniseren. In het elektromagnetisch spectrum hebben we het dan over frequenties lager dan die van UV-straling (<1015 Hz). Ioniserende straling komen we tegen in zowel industriële als medische toepassingen, de bekendste daarvan is ongetwijfeld de röntgenstraling voor het maken van röntgenfoto’s in het ziekenhuis. We zullen in dit artikel niet nader ingaan op de ioniserende straling maar ons beperken tot de nietioniserende straling in het frequentiegebied van de GSM. Mobiele telecommunicatie maakt gebruik van het frequentiegebied van 900 MHz (GSM) en 1800 MHz (DCS, het nieuwe systeem). Ten behoeve van de eenvoud zal in algemene zin worden gesproken over GSM waarbij ook DCS wordt bedoeld. Het eerste mobiele net (NMT) wordt eind 1999 buiten bedrijf gesteld en wordt daarom ook niet in de beschouwing meegenomen. Zoals het begrip al aangeeft bestaat elektromagnetische straling uit een elektrische en een magnetische component. De elektrische veldsterkte (E) wordt uitgedrukt in [V/m], de magnetische veldsterkte (H) wordt uitgedrukt in [A/m] of ook wel als de magnetische fluxdichtheid (B) met als eenheid Tesla [T]. Gezondheidskundige aspecten van niet-ioniserende straling De toepassing van niet-ioniserende straling is niet geheel zonder risico voor de gezondheid van mens en dier. De mate waarin schadelijke effecten optreden is afhankelijk van zowel de frequentie als de intensiteit van de uitgezonden straling.
Effecten kunnen worden onderverdeeld in drie groepen: - Niet thermische effecten - Thermische effecten - Indirecte effecten Niet thermische effecten Bij lage frequenties (voornamelijk < 100 kHz) komen zogenaamde inductieverschijnselen voor. In het lichaam worden als gevolg van blootstelling aan een extern EM-veld kleine stroompjes geïnduceerd. Deze stroompjes kunnen biologische systemen in het lichaam beïnvloeden. Afhankelijk van de sterkte en de duur van de stroomdichtheid kan spierverkramping en spierschade ontstaan. Thermische effecten Met toenemende frequentie van de elektromagnetische straling vindt een geleidelijke verschuiving plaats van de inductie van elektrische stromen naar de afgifte van energie. In het frequentiegebied van 100 kHz tot 10 MHz dient zowel het inductie effect als het warmte-effect te worden beschouwd. Boven de 10 MHz is eigenlijk alleen het warmte-effect relevant. Hierbij treedt opwarming van het gehele lichaam plaats voor zover blootgesteld. Normen worden gebaseerd op het voorkomen van ongewenste thermische effecten. Als basis voor alle normen wordt de zogenaamde SAR (Specific Absorption Rate) – het geabsorbeerde vermogen per massa-eenheid van weefsel uitgedrukt in watt per kilogram [W/kg] - gebruikt. Helaas blijkt het in de praktijk nagenoeg onmogelijk om de SAR in een menselijk lichaam te meten. Daarom zijn alle normwaarden voor de sterkte van elektrische en magnetische velden via computermodellen afgeleid van deze SAR norm. Hiermee zal ook in het vervolg van dit artikel rekening worden gehouden. Bij zeer hoge frequenties (>10 GHz) vindt energieopname in toenemende mate plaats aan de oppervlakte van het lichaam. Hierbij wordt dan alleen de huid nog opgewarmd en treden er geen lichaamseffecten meer op. Over het algemeen kunnen mensen dit warmte-effect goed verdragen, het lichaam heeft immers vaker te maken met temperatuurstijging, denk maar eens aan intensief sporten. Er zijn echter enkele organen die een plaatselijke temperatuurstijging niet goed kunnen verwerken omdat de aangevoerde warmte niet of slecht kan worden afgevoerd. Het gaat hierbij om de ogen en de testes. Bij blootstelling aan hoge energieniveaus kan in het oog cataract optreden: gedeeltelijk stollen van eiwitten in het oog, of kunnen mannelijke zaadcellen worden gedood. Indirecte effecten Hierbij kan worden gedacht aan het feit dat metalen delen als antenne kunnen gaan werken. Daardoor bestaat er gevaar bij aanraking door personeel waarbij brandwonden kunnen ontstaan of schokeffecten kunnen optreden. Ook ten aanzien van ingebrachte voorwerpen zoals pacemakers of metalen prothesen (bijvoorbeeld pennen die worden ingebracht om het genezen van bepaalde gecompliceerde botbreuken te ondersteunen) kunnen klachten ontstaan. Of en zo ja in welke mate deze klachten zullen optreden is vaak van geval tot geval verschillend. Daarnaast kunnen ook subjectieve klachten zoals hoofdpijn of vermoeidheid voorkomen waarvan het echter moeilijk is een directe relatie met blootstelling aan hoge energieniveaus vast te stellen. Er is ook onderzoek gedaan naar effecten die niet met warmte te maken hebben zoals naar erfelijke veranderingen of misvormingen (geboorteafwijkingen), naar kankervorming, naar effecten
op bloedcellen en op het centrale zenuwstelsel. In het algemeen blijken effecten die niet door warmte afgifte zijn opgeroepen, niet herhaalbaar aantoonbaar. Dit laatste is voor velen reden om bij gezondheidseffecten bij blootstelling aan elektromagnetische straling in het GSM-spectrum alleen uit te gaan van de warmte-effecten.
Normen Er zijn intussen al door diverse instanties onderzoeken gedaan naar normen die moeten gelden voor blootstelling aan elektromagnetische straling. Zo zijn er normen van de ICNIRP/IRPA - vallend onder de WHO, ANSI - van oorsprong uit de US, STANAG - vallend onder NATO. In Nederland heeft de Gezondheidsraad een publicatie geschreven Radiofrequente elektromagnetische velden (300Hz300GHz), rapport nr 1997/01 waarin op basis van onderzoeken en eerdere publicaties van de genoemde instanties normwaarden zijn vastgelegd. Deze normen worden in Nederland als algemeen geldend en conform de stand van de techniek aangehouden. Ook in deze publicatie wordt aan de hand van het rapport van de Gezondheidsraad verder gewerkt. We beperken ons dan tot het gebruik van de elektrische veldsterkte omdat er nagenoeg geen gegevens bekend zijn bij GSM-zendantennes over de magnetische veldsterkte. De normwaarden zijn berekend op een blootstelling gedurende 8 uur per dag, 7 dagen in de week. In de literatuur is soms sprake van een tijdseffect (de 6 minuten grens). Hierbij wordt gezegd dat voor kortdurende blootstelling de waarden hoger mogen zijn dan de normwaarden uit de tabel, mits het gemiddelde over een periode van 6 minuten maar niet boven deze normwaarde uitkomt. In de praktijk leidt dit tot een onwerkbare situatie, voor het uitvoeren van werkzaamheden is 6 minuten in het algemeen veel te kort. We houden daarom aan dat het tijdseffect niet in berekeningen en beschouwingen wordt meegenomen. In het algemeen wordt onderscheid gemaakt tussen blootstellingslimieten voor mensen die beroepsmatig aan EM straling worden blootgesteld en passanten. Grofweg is de limiet voor beroepsmatige werkers twee maal zo hoog. In het rapport van de Gezondheidsraad is sprake van een limiet van 49,13 V/m bij 900 MHz en 80,92 V/m bij 1800 MHz voor het algemene publiek. Argumentatie voor het verschil tussen beroepsmatige blootstelling en de algemene bevolking is dat mensen die beroepsmatig worden blootgesteld beter op de hoogte zijn van de risico’s en ook beter in staat zijn om zichzelf te beschermen. Ik vind deze stelling niet sterk - het menselijk lichaam en
de daarbij behorende eigenschappen zijn voor beide groepen gelijk - en ik wil er dan ook voor pleiten om de blootstellingslimieten voor de algemene bevolking in het vervolg aan te houden. Bij het berekenen van veilige gebieden in een volgende paragraaf zal worden uitgegaan van de limieten voor de algemene bevolking. GSM zendantennes Het land wordt langzaam volgebouwd. Iedereen kan ze nagenoeg vanuit elk kantoor wel zien: masten met antennes ten behoeve van de mobiele telefonie, de GSM-zendmasten. Soms zie je een mast met drie 'dozen', soms één met wel tien. Steeds vaker worden zendmasten geplaatst op gebouwen, vooral in stedelijke gebieden.
foto 1
foto 2
Op de foto’s zijn enkele veel voorkomende vormen van zendantennes afgebeeld. De langwerpige 'doos' is in werkelijkheid een samengestelde antenne van over het algemeen 10 dipolen. De ronde antenne onder op de mast op foto 2 is een speciale antenne die wordt gebruikt voor het onderhouden van een straalverbinding met een ander basisstation. Met deze antenne moet in het bijzonder rekening worden gehouden als het gaat om het vaststellen van veilige afstanden. Over het algemeen worden tegenwoordig zogenaamde sectorantennes gebruikt. Deze zenden in een bepaalde hoek in het horizontale vlak uit. Met drie of vier antennes op één mast wordt zo een totaal veld van 3600 bestreken. Antennes zenden niet al hun vermogen naar alle kanten op dezelfde wijze uit. Het stralingspatroon van een zendantenne is te vergelijken met een pannenkoek die zich in het horizontale vlak bevindt. In figuur 1 zijn antennestralingsdiagrammen weergegeven. Wat opvalt is dat de antenne blijkbaar zo is gebouwd dat het merendeel van de energie aan de voorzijde wordt uitgestraald en dat er aan de achterkant en aan de zijkanten een nagenoeg verwaarloosbare hoeveelheid energie wordt uitgezonden (een voor-achter verhouding van meer dan een factor 100). Om deze reden is het ook veilig aan de achterzijde van een antenne. Ook aan de onderzijde van de antenne is de uitgestraalde energie te verwaarlozen.
figuur 1
Berekening van veldsterkten Hierboven is reeds uitgebreid ingegaan op normen. Hoe stel je nu vast hoe hoog het uitgezonden vermogen is en of dit dan ook schadelijk is. In het meest eenvoudige geval zendt een antenne zijn vermogen P [W/m2] in gelijke mate naar alle richtingen uit. We spreken dan van een puntbron. We hebben echter hierboven al gezien dat het stralingsdiagram van een antenne geen mooie cirkel is maar dat de antenne in een voorkeursrichting meer energie uitzendt dan in andere richtingen. De mate waarin in deze richting meer energie wordt uitgezonden wordt de versterkingsfactor ofwel Gain van een antenne genoemd. Om een veilige afstand tot een antenne te kunnen berekenen zijn twee gegevens van groot belang: 1. 2.
De veldsterkte Het antennediagram
De veldsterkte (E) wordt berekend aan de hand van het uitgezonden vermogen (P), de gain (G) van de antenne en enkele constanten die de voortplanting in de atmosfeer weergeven. Pd = (P*G)/4p r2 [W/m2]
E2 = Pd * 120p [V/m] {120p is de impedantie van het vrije veld} Het bleek bij navraag bij enkele operators van mobiele telefonie netten zeer moeilijk te zijn om opgave te krijgen van de vermogens en versterkingsfactoren van de zendantennes. Uiteindelijk bleek dat het maximaal effectief uitgestraalde vermogen, de zogenaamde ERP ( effective radiated power = vermogen (P) maal versterkingsfactor (G)) ongeveer 27 Watt ERP per kanaal is. Gaan we uit van 10 kanalen per antenne dan komen we op een uitgezonden vermogen van 270 Watt ERP. Bij de vervolgberekeningen is met deze waarde rekening gehouden. Ik houd mij aanbevolen voor meer accurate gegevens. Daarover aan het einde van dit artikel meer. Als we nu op basis van de normen die door de Gezondheidsraad zijn gegeven voor de categorie Algemeen publiek een rekensom maken dan zien we dat een veilige afstand tot de zendantenne als volgt kan worden vastgesteld: Emax = 53 * 0,90,72 = 49,13 V/m (bij 900 MHz) Þ Pd, max = 6,40 W/m2 r = Ö {(P*G)/4p Pd} Þ r = Ö {270/80,42} = 1,83 m Dit betekent dus dat op een afstand van meer dan 1,83 meter bij de gegeven zendvermogens de limieten niet worden overschreden. Als we dezelfde berekening uitvoeren voor het nieuwe DCS netwerk (1800 MHZ) dan komen we op een minimale afstand van 1,11 meter. Deze afstanden zijn bepaald in het midden van de bundel. Zoals te zien is aan de stralingsdiagrammen, is buiten de bundel nagenoeg geen blootstelling te verwachten. Nog even aandacht voor de paraboolantenne - de kleine ronde antenne voor het onderhouden van een straalverbinding - die soms op een zendmast is aangebracht. Deze straalverbindingen worden onderhouden in een ander frequentiegebied dan de reguliere GSM-verbinding. Een typische frequentie voor het onderhouden van straalverbindingen kan zijn 3 GHz. Uit de tabel 1 blijkt dan ook een andere norm. Een bijzonder aspect van een paraboolantenne is - naast het werken in een ander frequentiegebied - dat de versterkingsfactor voor zo’n antenne vaak veel groter is dan die voor de dipolen in de 'dozen' (bijvoorbeeld 316 maal voor de parabool ten opzichte van 10 maal voor de dipool). Dit betekent dan ook dat de veilige afstand die bij een paraboolantenne in acht moet worden genomen groter is dan voor een GSM-zendantenne. Het antennediagram voor een paraboolantenne is ook anders dan voor een dipool. De bundel wordt nog sterker gericht en men kan er van uitgaan dat alleen in een rechte lijn voor de antenne energie wordt uitgezonden. Als we hier een rekenvoorbeeld uitwerken voor een paraboolantenne met een vermogen van 6 W voor de zender, een Gain van 316 maal voor de antenne en een zendfrequentie van 3 GHz dan komen we met behulp van de bovenstaande formules op een veilige afstand van 5,6 meter. Dat betekent dus dat je niet zomaar mag uitgaan van een veilig gebied van ongeveer 2 meter rondom de zendmast, maar dat je heel goed rekening moet houden met die kant van de zendmast waarheen de paraboolantenne staat gericht. Discussie Op zich weten we al best wel veel over gezondheidseffecten van elektromagnetische straling, maar over effecten op lange termijn bij langdurige blootstelling zijn nog weinig goed onderbouwde gegevens voorhanden, simpelweg omdat we ons pas enkele tientallen jaren rekenschap geven van mogelijke negatieve effecten van elektromagnetische straling op de gezondheid.
De laatste tijd zijn er steeds meer signalen dat blootstelling aan EM-straling kan leiden tot (vormen van) kanker. Via de FNV-website (www.xs4all.nl/~jan99) krijgt men toegang tot diverse websites waarin over dit soort resultaten van onderzoek wordt gesproken. In Nederland is de algemene teneur nog dat er geen onomstotelijk en wetenschappelijk bewijs is en dat daarom deze risico’s niet worden meegenomen. Daarnaast is het de vraag of we er zonder meer vanuit mogen gaan dat bij frequenties boven de 10MHz het inductie-effect geen rol meer speelt, dit vooral gezien effecten op metalen implantaten die steeds vaker worden gebruikt. Voor veiligheidskundigen moet deze onduidelijke discussie ertoe leiden dat zij zeer voorzichtig omgaan met het doen van uitspraken over schadelijke effecten en dat vermijden van blootstelling voorop dient te staan. Ik wil er dan hierbij ook voor pleiten dat providers van mobiele netwerken zo open mogelijk, duidelijke gegevens verstrekken over de zendantennes die zij exploiteren. Hierbij gaat het om de uitgestraalde (maximale) vermogens en de antennestralingsdiagrammen zodat we zo goed mogelijk in staat zijn om - op basis van de huidige normen - veilige gebieden uit te rekenen. Werkgevers moeten het zekere voor het onzekere nemen als zij hun medewerkers in de buurt van zendantennes werkzaamheden willen laten verrichten. In ieder geval moeten onveilige zones worden gemarkeerd, zo mogelijk moeten bij werkzaamheden zendantennes worden uitgeschakeld. Alleen op die manier weten we zeker dat geen blootstelling zal optreden. Ik houd mij aanbevolen voor een voortzetting van discussie over dit onderwerp. Wellicht dat wij gezamenlijk komen tot goede beheersing van de risico’s en daarbij tot goede voorlichting over het werken met en in de buurt van GSM-zendantennes of andere bronnen voor niet-ioniserende straling. Literatuur Radiofrequente Elektromagnetische velden (300Hz-300GHz), Gezondheidsraad rapport 1997/01 Veilig werken met niet-ioniserende straling en velden, Uitgave ministerie SZW, brochure B233 november 1997 Informatie over antenne-installaties voor mobiele telecommunicatie, Gezondheidsraad brochure B164, augustus 1999 Praktijkgids Arbeidsveiligheid 1998, Samsom 1998. H.A. Klok, Stralingsgevaar en –regelgeving bij de Koninklijke Marine, in Marineblad oktober 1998 p. 294-302. F.R. Connor, Antennas, Edward Arnold (Publishers) Ltd, London 1972 (c) 1999, NVVK Alle rechten voorbehouden. Niets van deze tekst mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, of enige andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.
