Elektromagnetische Felder - Wirkung auf den menschlichen Körper

In einigen Teilen der Öffentlichkeit und auch bei Entscheidungsträgern besteht teilweise eine gewisse Verunsicherung über die gesundheitlichen Risiken, die möglicherweise von elektromagnetischen Feldern (EMF) ausgehen können. Dabei ist seltener die physikalische, eher die biologische Wirkung, die häufig auch als „Elektrosmog“ bezeichnet wird, ein oft diskutiertes Thema.

Typische Störquellen können sein:

  • Sendeanlagen (z. B. UKW-Sender)

  • Mobilfunktelefone / Smartphones / Smartwatch / Mobilfunksender

  • Elektromotoren und Leistungselektronik (z.B. Bahnverkehr)

  • Zündanlagen, Schaltkontakte, Leuchtstofflampen

  • Portable Electronic Devices (z. B. Laptop-Computer)

  • Entladungen statischer Elektrizität, z. B. aufgeladener Personen oder Gewitter-Blitze.

Hinsichtlich der Wechselwirkungen von elektromagnetischen Feldern und biologischen Organismen muss zwischen niederfrequenten (0 bis 100 kHz) und hochfrequenten (100 kHz bis 300 GHz) Feldern unterschieden werden. Im niederfrequenten Bereich können elektrische und magnetische Felder als entkoppelte Felder behandelt werden. Im hochfrequenten Bereich lassen sich die elektrische und die magnetische Komponente des EMF nicht mehr getrennt betrachten. Sie sind physikalisch bedingt eng miteinander verknüpft.

Für den Bereich des Arbeitsschutzes hat der europäische Gesetzgeber mit der EU-Richtlinie 2004/40/EG vom 29.4.2004 Mindestvorschriften zum Schutz von Sicherheit und Gesundheit der Arbeitnehmer vor der Gefährdung durch physikalische Einwirkungen (elektromagnetische Felder, 18. Einzelrichtlinie im Sinne des Artikels 16 Absatz 1 der Richtlinie 89/391/EWG) festgelegt. Sie betreffen den Schutz der Arbeitnehmer gegen tatsächliche oder mögliche Gefährdungen ihrer Gesundheit und Sicherheit durch Einwirkung von elektromagnetischen Feldern (0 Hz - 300 GHz) während ihrer Arbeit, insbesondere durch bekannte schädliche Kurzzeitwirkungen im menschlichen Körper. Ursache können induzierte Ströme, Energieabsorption oder Kontaktströme sein.

Niederfrequente EMF

Niederfrequente elektrische und magnetische Felder treten überall dort auf, wo elektrische Energie erzeugt, transportiert oder angewendet wird. Im Alltag sind dies hauptsächlich die elektrischen und magnetischen Felder, die durch die Stromversorgung (50 Hz) und elektrifizierten Verkehrssysteme entstehen. Aufgrund physikalischer Eigenschaften können im niederfrequenten Bereich die Wirkungen der elektrischen und magnetischen Felder getrennt betrachtet werden.

Das elektrische Feld entsteht durch eine elektrische Spannung zwischen zwei Leitern. Gemessen wird das  elektrische Feld in V/m (Volt pro Meter). Am bekanntesten ist das elektrische Feld eines Kondensators.

Elektrische Felder lassen sich leicht abschirmen, z. B. durch Auskleidung mit leitfähiger und geerdeter Tapete (Faradayscher Käfig). Sie dringen wegen einer Restfeuchte (Leitfähigkeit) von Mauern und Putz kaum von außen in Häuser ein, ebenso aufgrund der relativ guten Leitfähigkeit der menschlichen Haut praktisch auch nicht in den Körper ein und verursachen daher im wesentlichen nur Oberflächeneffekte.

Als Reaktion auf die Aufladung der Körperoberfläche richten sich z. B. die Körperhaare auf und vibrieren mit der Frequenz des verursachenden Feldes. Die meisten Menschen bemerken diesen Effekt ab einer Feldstärke von 1 kV/m. Erhöht man die Feldstärke auf noch höhere Werte, vernehmen manche Personen zusätzlich ein unangenehmes, aber ebenfalls harmloses Hautkribbeln. Reizwirkungen aufgrund innerer Körperströme können prinzipiell ausgeschlossen werden.

In Deutschland sind niederfrequente EMF durch die „Verordnung über elektromagnetische Felder - 26. BImSchV” in der Fassung vom 14.8.2013 erfasst. Diese Verordnung bezieht sich auf die wichtigsten Anlagentypen, wie Hochspannungsleitungen, Erdkabel, Transformatoren sowie Bahn- und Stromversorgungsanlagen. Darin sind Grenzwerte festgelegt, die auch in Tabelle und Tabelle enthalten sind.

Tabelle 3.152: Beispiele für die Exposition niederfrequenter elektrischer Felder (Effektivwerte)

Tabelle 3.153: Beispiele für die Exposition niederfrequenter magnetischer Felder (Effektivwerte)

Das Magnetfeld entsteht ringförmig um stromdurchflossene Leiter und nimmt mit steigendem Abstand ab. Man kann Magnetfelder nur mittels magnetisch leitender Materialien um den zu schützenden Bereich herumführen (abschirmen) und diesen damit schützen.

Gemessen wird das magnetische Feld H in der Maßeinheit A/m (Ampere pro Meter); es hat sich jedoch weitgehend stattdessen die magnetische Induktion B mit der Maßeinheit T (Tesla) durchgesetzt. In Luft gilt: 1 A/m = 4 · π · 10−7 T = 1,2566 μT.

Niederfrequente magnetische Felder durchdringen den menschlichen Körper und induzieren darin Wirbelströme, die Nerven- oder Muskelzellreizungen sowie optische Flimmererscheinungen zur Folge haben können. Die typische Reizschwelle für solche Phänomene liegt bei 50 Hz-Feldern und den empfindlichsten Testpersonen in der Größenordnung von 2 mT, wobei selbst bei längerer Belastung im Bereich von 1 mT bis 20 mT keine Spätfolgen bekannt geworden sind.

Zum Vergleich (siehe auch Tabelle): Der Maximalwert netzfrequenter magnetischer Felder am Patientenplatz zur störungsfreien Registrierung von EKG (Elektrokardiogramme) darf 4 x 10−7= 0,4 μT nicht überschreiten. Diese Grenzwerte werden im Allgemeinen in einem Abstand von 6 m von Transformatoren und Motoren bis 3 kW Leistung eingehalten (siehe auch Kapitel 6.8 „Medizinisch genutzte Räume”). Beleuchtungsanlagen halten den Wert im Abstand von ca. 1 m ein. Im Aufenthaltsbereich der Patienten beträgt die Induktion weniger als 0,1 μT. Bei elektronischen Vorschaltgeräten ist der Wert noch geringer. Ein Kernspintomoghraph (Magnetresonanzgerät) erzeugt ein magnetisches Feld von bis zu 3 Tesla.

Die Grenzwerte für die störungsfreie Aufzeichnung von EEG-(Elektroenzephalogramm) und EMG-(Elektromyogramm) Signalen liegen nach DIN VDE 0100-710 bzw. nach EN ISO 11197 (betreffend  Medizinische Versorgungseinheiten) bei 0,2 μT bzw. bei 0,1 μT.

Unter dem Einfluss schwacher Magnetfelder wurde eine Verringerung der Ausschüttung des Schlafhormons Melatonin und damit einhergehend Schlafstörungen und psychische Beeinträchtigungen (Depressionen) festgestellt.

In epidemiologischen Studien, die den Zusammenhang zwischen der Kranken- bzw. Todesstatistik und der den Menschen belastenden Größe untersuchen, konnte z. B. keine signifikante Schädigung durch  Hochspannungsleitungen, insbesondere hinsichtlich eines erhöhten Krebsrisikos (Leukämie, Gehirntumor) durch magnetische Felder festgestellt werden.

Hochfrequente EMF

Hochfrequente elektromagnetische Felder (EMF) kommen bei der drahtlosen Informationsübertragung, wie Rundfunk, Fernsehen und Mobilfunk, vor.

Die Wirkung hochfrequenter EMF hängt entscheidend von der Frequenz ab. Man unterscheidet aufgrund der Frequenz bzw. der Wellenlänge (Abbildung) in:

  • Nicht-ionisierende Strahlung, das sind EMF mit Wellenlängen von 1 km bis 1 m (Rundfunkwellen),die EMF mit Wellenlängen von 1 m bis 1 mm (Mikrowellen) sowie die infrarote, sichtbare und ultraviolette Strahlung mit Wellenlängen bis 100 nm (Frequenzbereich bis 300 GHz).

  • Anschließend folgt die ionisierende Strahlung, das sind die Röntgen- und Gammastrahlung mit Frequenzen bis 750 THz (Tera Hertz). Diese Strahlung zeigt extreme Wirkungen und muss wegen großer Gefahren, z. B. Veränderung des Erbguts, gemieden werden. Solche hochfrequenten Felder unterliegen wegen ihrer  schädlichen Wirkung speziellen Sicherheitsmaßnahmen.

Abbildung 3.198:

Spektrum elektromagnetischer Strahlung

Bei der nicht-ionisierenden Strahlung ab 100 nm und höher muss hinsichtlich der biologischen Wirkungen zwischen thermischen und athermischen Wirkungen unterschieden werden. Bei den thermischen Wirkungen wird die Strahlungsenergie vom Körper absorbiert und in Wärme umgewandelt. Es entstehen durch die EMF  Wirbelströme, welche das elektrisch leitfähige Körpergewebe erwärmen und das Eindringen des Feldes behindern (Skin-Effekt). Die sogenannte Eindringtiefe ist der Wert, bei dem das Feld auf 1/e = 37 % abgefallen ist. Bei einer Frequenz von 1 GHz beträgt sie je nach Art des Körpergewebes zwischen 1,8 cm (Muskeln) und 18 cm (Knochen). Die Grenzwertbeurteilung beruht darauf, dass im Körper keine thermisch bedingten Schädigungen auftreten dürfen. Die absorbierte Energie wird als SAR-Wert (Specific Absorption Rate) bezeichnet und ist stark frequenzabhängig. Ebenso sind die maximal zulässigen Grenzwerte stark frequenzabhängig. Besonders betroffen sind Organe mit niedriger Wärmeleitfähigkeit und schlechter Durchblutung (z. B. Augenlinse) sowie temperatursensible Organe.

Die EU-Richtlinie 2004/40/EG vom 29.4.2004 enthält Expositionsgrenzwerte und SAR-Werte für elektromagnetische Felder in Abhängigkeit von der Frequenz, und zwar

  • Expositionsgrenzwerte für die Stromdichte (in mA/m2)für zeitlich veränderliche Felder bis 1 Hz, um Auswirkungenauf das kardiovaskuläre und das Zentralnervensystem vorzubeugen

  • Expositionsgrenzwerte für die Stromdichte für den Frequenzbereich zwischen 1 Hz und 10 MHz, um Auswirkungen auf die Funktionen des Zentralnervensystems vorzubeugen

  • Expositionsgrenzwerte und SAR-Werte für Felder zwischen 100 kHz und 10 GHz, um die Wärmebelastung des ganzen Körpers und eine übermäßige lokale Gewebeerwärmung zu vermeiden

  • Expositionsgrenzwerte sowohl für die Stromdichte als auch für den SAR-Wert für Felder im Bereich von 100 kHz bis 10 MHz, um eine übermäßige Gewebeerwärmung an oder nahe der Körperoberfläche zu vermeiden

  • Expositionsgrenzwert für die Leistungsdichte (in mA/m2) für Felder zwischen 10 GHz und 300 GHz, um eine übermäßige Gewebeerwärmung an oder nahe der Körperoberfläche zu vermeiden.

Die Auswirkungen thermischer Effekte sind in der Wissenschaft unstrittig und reichen von einer erhöhten Krebswahrscheinlichkeit bis zu starken Missbildungen bei der Nachkommenschaft im Tierversuch. Bekannt sind ferner Störungen von Stoffwechsel, Drüsenfunktionen, Blut- /Immun- und Nervensystem, Grauer Star, Unfruchtbarkeit bis hin zu inneren Verbrennungen und Herzinfarkt bei extrem hohen Feldstärken. Athermische Wirkungen sind Effekte, die unterhalb der thermischen Wirkungsschwelle auftreten. Ihre Existenz ist inzwischen weitgehend wissenschaftlich anerkannt. Strittig ist nur, ob diese zu gesundheitlichen Auswirkungen führen können, da körpereigene Regel- und Kontrollmechanismen dem entgegen wirken können. Die Wirkungen treten oft nur innerhalb schmaler Amplituden- und Frequenzbereiche auf. Eine Studie des Instituts für Sozial- und Präventivmedizin der Universität Bern/Schweiz deutet darauf hin, dass verschiedene Beschwerden wie Schlafstörungen, Nervosität und Schwächegefühle bei Menschen, die durch einen 3 x 150 kW Rundfunk-Kurzwellensender in weniger als 2 km Entfernung einer Dauerbelastung ausgesetzt waren, signifikant häufiger auftreten als bei Menschen aus weiter entfernten Wohnungen.

Zusammenfassung

Die vorstehenden Ausführungen und weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass bei den heute verwendeten Beleuchtungseinrichtungen und den dadurch erzeugten elektromagnetischen Feldern keine gesundheitlichen Beeinflussungen oder gar Schädigungen zu befürchten sind.

In normalen Netzen (Niederfrequenz 50 Hz, siehe Tabelle und Tabelle) sind die elektrischen Felder z. B. von  Stegleitungen in Wänden und von Beleuchtungsanlagen mit etwa 0,1 kV/m etwa um den Faktor 200 geringer als  der gesetzliche Grenzwert von 20 kV/m.  Magnetische Felder im Abstand von 1 m von Beleuchtungsanlagen sind mit etwa 0,4 μT um etwa den Faktor 10.000 geringer als der in Deutschland am Arbeitsplatz zulässige  Grenzwert von 5.000 μT (= 5 mT).

Im hochfrequenten Bereich der EMF sind Beleuchtungsanlagen mit EVG und weiteren elektronischen Regelgeräten nicht zu berücksichtigen, weil sowohl deren Leistung als auch deren Frequenzen (bis ca. 120 kHz) nicht in diesen Bereich fallen. Demzufolge sind keine Auswirkungen auf den Menschen anzunehmen.