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Zusammenfassung
Bei der Wechselwirkung von Mikrowellenstrahlung und Menschen wird die Haut traditionell nur als eine mit Wasser gefüllte, absorbierende Schwammschicht betrachtet. In früheren Arbeiten haben wir gezeigt, dass diese Sichtweise falsch ist, als wir demonstrierten, dass der gewundene Teil des Schweißkanals in der oberen Hautschicht als eine spiralförmige Antenne im Sub-THz-Bereich angesehen wird.
Experimentell haben wir gezeigt, dass das Reflexionsvermögen der menschlichen Haut im Sub-THz-Bereich von der Schweißintensität, d. h. der Leitfähigkeit des Schweißkanals, abhängt und mit dem Grad des menschlichen Stresses (physisch, mental und emotional) korreliert. Später entdeckten wir Zirkulardichroismus in der Reflexion der Haut, ein Merkmal der axialen Mode einer Helixantenne.
Die volle Tragweite dieser Ergebnisse für den Menschen ist noch unklar. Wir haben auch eine Korrelation zwischen den Parametern der Elektrokardiographie (EKG) und dem Sub-THz-Reflexionskoeffizienten der menschlichen Haut festgestellt. In einer neueren Arbeit haben wir ein einzigartiges Simulationswerkzeug für die menschliche Haut entwickelt, das die mehrschichtige Struktur der Haut zusammen mit dem darin eingebetteten spiralförmigen Segment des Schweißkanals berücksichtigt.
Das Vorhandensein des Schweißkanals führte zu einer hohen spezifischen Absorptionsrate (SAR) der Haut im extrem hohen Frequenzbereich.
In diesem Beitrag fassen wir die physikalischen Beweise für dieses Phänomen zusammen und betrachten seine Auswirkungen auf die zukünftige Nutzung des elektromagnetischen Spektrums durch die drahtlose Kommunikation.
Im Juli 2016 hat die US-amerikanische Federal Communications Commission (FCC) neue Vorschriften für den drahtlosen Breitbandbetrieb über 24 GHz (5 G) erlassen. Dieser Trend der Nutzung wird sich voraussichtlich auf höhere Frequenzen im Sub-THz-Bereich ausweiten.
Es ist zu bedenken, dass der Mensch in den elektromagnetischen Lärm eintaucht, der von Geräten verursacht wird, die auf denselben Frequenzen arbeiten, auf die der Schweißkanal (als Spiralantenne) am stärksten abgestimmt ist. Wir warnen vor dem uneingeschränkten Einsatz von Sub-THz-Technologien für die Kommunikation, bevor die möglichen Folgen für die öffentliche Gesundheit erforscht sind.
Einführung
Die Welt galoppiert einer strahlenden neuen Zukunft entgegen, zumindest möchte die Industrie uns dies glauben machen. Das Aufkommen von 5 G verspricht ungeahnte Konnektivität und eine beispiellose Integration mit der virtuellen Welt (Agiwal et al., 2016). Die Technologie wird mit fast jedem Aspekt unseres täglichen Lebens interagieren (Boccardi et al., 2014) und uns mit reichhaltigen und vielfältigen Datenströmen auf unseren Mobilfunk- und Wi-Fi-Geräten konfrontieren.
All dies mag zwar richtig sein, hat aber seinen Preis. Um sich einen derartig hohen Datenverkehr leisten zu können, müssen wir eine Erweiterung der Datenkanäle in Kauf nehmen (Ben Ishai et al., 2016), was in den derzeit genutzten Frequenzkanälen nicht möglich ist, sowie eine damit einhergehende Explosion der Basisstationen (Ge et al., 2016). Dies ist der Grund für den Übergang zu 5 G, einem FCC-Standard, der bei 28 GHz beginnt (FCC-Bericht 16-89), bald Frequenzen bis 60 GHz nutzen wird und schließlich den Sub-Terahertz-Bereich erreichen könnte (FCC 50-50-Bericht).
Die Industrie geht davon aus, dass dieser Fortschritt keine gesundheitlichen Risiken mit sich bringt (T. Wu et al., 2015a, Wu et al., 2015b) und stützt sich daher bei ihren Planungen auf die Empfehlungen der Internationalen Kommission zum Schutz vor nichtionisierender Strahlung (ICNIRP), die 1998 veröffentlicht wurden (Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic, and electromagnetic fields (up to 300 GHz). Internationale Kommission zum Schutz vor nichtionisierender Strahlung“, 1998).
Diese Empfehlung begrenzt die Exposition im 5-G-Bereich auf eine Leistungsdichte von 10 W/m2 für die allgemeine Öffentlichkeit und auf 50 W/m2 für die berufliche Exposition („Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic, and electromagnetic fields (up to 300 GHz). Internationale Kommission zum Schutz vor nichtionisierender Strahlung“, 1998).
In den letzten Jahren sind jedoch Bedenken hinsichtlich möglicher nicht-thermischer biologischer Wirkungen und daraus resultierender gesundheitlicher Probleme aufgetaucht, die durch zelluläre elektromagnetische Strahlung entstehen (Adams et al., 2014, Blank und Goodman, 2009, Darbandi et al., 2017, Hardell und Sage, 2008, Liu et al., 2013, Panagopoulos, 2017, Sage und Carpenter, 2009, Terzi et al., 2016).
Dies sollte ein Warnsignal für die Umsetzung des 5-G-Standards sein. Ein Grund dafür ist, dass sich die Modalität unserer Interaktion mit EM-Wellen von der direkten Absorption zu einer komplexeren Form ändert. Dies liegt daran, dass sich die beteiligten Wellenlängen den Dimensionen der Hautstrukturen annähern, was zu stehenden Welleneffekten zwischen den Schichten führt.
Darüber hinaus haben wir im Jahr 2008 die Hypothese aufgestellt, dass die Schweißkanäle in der menschlichen Haut aufgrund ihrer gewundenen Beschaffenheit bei Sub-THz-Frequenzen als eine Reihe von spiralförmigen Antennen mit niedrigem Q-Wert fungieren könnten (Feldman et al., 2008, Feldman et al., 2009).
Mit anderen Worten, es gäbe eine Reihe von Frequenzen, die ideal für die Absorption durch unsere Haut geeignet sind. Beunruhigenderweise gibt es einige Hinweise auf nichtthermische biologische Wirkungen in diesem Frequenzbereich (Zhadobov et al., 2011, Le Dréan et al., 2013, Habauzit et al., 2014, Mahamoud et al., 2016).
In dieser Arbeit werden wir den grundlegenden wissenschaftlichen Hintergrund für dieses Konzept und die physikalischen Beweise zur Bestätigung des Phänomens darlegen. Dann werden wir die Auswirkungen auf die Simulation der EM-Wechselwirkung mit der Haut untersuchen und ein realistisches Hautmodell vorstellen. Schließlich berechnen wir die erwartete spezifische Absorptionsrate (SAR) der Haut in dem Frequenzbereich, der von der 5G-Norm abgedeckt wird.
Abschnitt Schnipsel
Wissenschaftlicher Hintergrund
Untersuchungen der Morphologie der Haut mittels optischer Kohärenztomographie (OCT) haben ergeben, dass die Spitzen der Schweißkanäle, die den Schweiß aus der Drüse in die Pore an der Hautoberfläche leiten, eine spiralförmige Struktur aufweisen (siehe Abb. 1) (Serup und Trier-Mork, 2007). Dies und die Tatsache, dass die Dielektrizitätskonstante der Dermis höher ist als die der Epidermis (Gabriel et al., 1996), legt die Vermutung nahe, dass die Schweißkanäle als elektromagnetische Einheiten betrachtet werden könnten.
Experimentelle Methoden
Die Ergebnisse der Simulationen wurden in einer Reihe von In-vivo-Experimenten mit einer Reihe von Probanden im W-Band (75-110 GHz) überprüft. Es wurde gezeigt, dass der Reflexionskoeffizient der Haut stark von der physiologischen Belastung der Testperson abhängt (Feldman et al., 2009, Feldman et al., 2008). Bei den Experimenten wurde die Handfläche von einem Stativ gehalten, das in festem Abstand von der Hornantenne platziert wurde, die an den Eingang des Vector Network Analyzers (VNA) angeschlossen war. Die
Rechnerischer Ansatz
In naher Zukunft werden Anwendungen in Betrieb gehen, die eine Datenübertragung mit ultrahohen Raten von 100 Gbit pro Sekunde und mehr erfordern. In der Tat sind die Planungen für neue Industrievorschriften für die Nutzung des Sub-THz-Bandes unter der Schirmherrschaft der IEEE 802.15 THz Interest Group weit fortgeschritten (Kürner und Priebe, 2014), und am 14. Juli 2016 hat die US Federal Communications Commission (FCC) neue Regeln für den drahtlosen Breitbandbetrieb über 24 GHz verabschiedet (Kürner und Priebe, 2014). In diesen
Das Modell
Das Modell ist eine Einheitszelle, bestehend aus zwei Hauptschichten: Dermis und Epidermis, wobei letztere in drei Unterschichten unterteilt ist: die innere Epidermis (IE), die mittlere Epidermis (ME) und das Stratum Corneum (SC) (siehe Abb. 7). Der spiralförmige Schweißkanal wurde in die Epidermisschicht eingebettet, da erste Studien (Hayut et al., 2013) zeigen, dass die THz-Strahlung nicht über die typische Tiefe der Epidermisschicht, d. h. einige hundert Mikrometer, hinausgeht und die Unterhaut daher keine Rolle spielt.
Ergebnisse
Abb. 11 zeigt die SAR-Verteilungsmuster über das Modell, das bei einer Frequenz von 440 GHz berechnet wurde. Die ac-Leitfähigkeit des Kanals wurde auf 10.000 S/m gesetzt, (a) für das dünne Hautmodell (Abb. 10), (b) dasselbe Modell mit einem Querschnitt, der den Schweißkanal zeigt, (c) für das dünne Hautmodell ohne eingebetteten Schweißkanal und (d) der Querschnitt desselben kanallosen Modells. Schwarz steht für einen hohen SAR-Wert (über 1,76 W/kg in dB) und weiß für einen niedrigen SAR-Wert. Die Simulation zeigt, dass die wichtigsten
Schlussfolgerungen
Der Bedarf an hohen Datenübertragungsraten in Verbindung mit Fortschritten in der Halbleitertechnologie drängt die Kommunikationsbranche in den Sub-THz-Bereich. Auch wenn die Verheißungen einer glorreichen Zukunft mit nahezu unbegrenztem Datenstrom verlockend sein mögen, hat dieser Luxus seinen Preis. Unsere Städte, Arbeitsplätze und Wohnungen werden mit 5-G-Basisstationen überschwemmt sein, und wir werden in einem noch nie dagewesenen EM-Smog leben. Die Vorteile einer derartigen Vernetzung für unsere Gesellschaft