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Forschungsgemeinschaft Funk

Wirkung hochfrequenterelektromagnetischer Felderauf DNA, Proteine undDNA-Protein-Komplexe Von V. Hansen, W. Rüger und

Umweltagentur Bochum

Forschungsgemeinschaft Funk e.V. · G 14515 · Ausgabe Nr. 8 · Juni 1996

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2 Newsletter Edition Wissenschaft Nr. 8 Juni 1996

Editorial/Inhalt

Editorial

Liebe Leserinnen und Leser,

Können HF-Felder biologi-sche Systeme beeinflussen?Hinter dieser, auch in der Öf-fentlichkeit häufig diskutier-ten Frage steht die Besorgnisum eine mögliche krebsför-dernde oder -auslösende Wir-kung auf die menschliche Er-bstubstanz (DNA) durch dendigitalen Mobilfunk.

Dieser Frage hatte sich dieArbeitsgruppe „MolekulareGenetik“ am Lehrstuhl fürBiologie der Mikroorganis-men der Ruhr-UniversitätBochum unter Leitung vonProf. Dr. Rüger angenom-men. Ziel der Untersuchungwar es, vermutete Effekteauf biologisch aktive Mole-küle (DNA, Proteine) undeinfache Organismen (Viren,Bakterien) nachzuweisenoder gegebenfalls auszu-schließen.

Die experimentelle Ausle-gung des Hochfrequenzbe-reiches und die Feldberech-nungen erfolgten durchProf. Dr. Hansen am Lehr-stuhl für Theoretische Elek-trotechnik der Universität-GH Wuppertal. Das Projekt-management lag bei derUmweltagentur in Bochum.

Gerd Friedrich

Inhalt

Studie: Wirkung hochfrequenter elektromagnetischer Felder auf DNA, Proteine und DNA-Protein-Komplexe 3

Einleitung 3

Teil Eins: Biologische Experimente 41. Wirkungsmodelle 42. Auslegung der Experimente 7

2.1 HF-Auslegung des Experimentes 82.2 Biologische Untersuchungen, Material und Methoden 8

3. Untersuchungsmethoden und Versuchsprogramm 103.1 Untersuchungsmethoden 103.2 Untersuchungsprogramm 12

4. Experimentelle Ergebnisse 134.1 Allgemeines 134.2 HF-Technik 144.3 Ergebnisse der biologischen Experimente 14

5. Diskussion der biologischen Ergebnisse 21

Teil Zwei: HF-Expositionssystem 221. Einleitung 222. Auswahl der HF-Meßanordnung 22

2.1 Liste der Auswahlkriterien 222.2 Feldverteilung vor Einbringen des Meßobjekts 222.3 Größe des Meßvolumens 222.4 Auswahl der Signalform 222.5 Bestimmbarkeit der Feldverteilung im Meßobjekt 232.6 Schirmung 232.7 Besondere meßtechnische Anforderungen 242.8 Biologische / physiologische Erfordernisse 24

3. Meßaufbau 243.1 Komponenten des Meßaufbaus 243.2 Hohlleitungsbauteile für das D-Netz 253.3 Hohlleitungsbauteile für das E-Netz 26

4. Analyse der Meßzelle mit Probe 264.1 D-Netz 264.2 E-Netz 30

5. Bestimmung der Feldstärke in der Probe 325.1 D-Netz 325.2 E-Netz 34

6. Photometrische Untersuchungen 346.1 Meßaufbau 346.2 Aufbau des Meßplatzes 356.3 Abschätzung der Expositionsfeldstärke 36

7. Resümee 36

Literatur 37

Summary: DNA and Protein Exposed to Modulated RF Fields 38

Einleitung

Die Wirkung hochfrequenterelektromagnetischer (em) Wel-lenfelder auf lebende Organis-men ist ein komplexes, erst inden letzten Jahren verstärkt un-tersuchtes Forschungsfeld. Bishernicht erklärbare Effekte bzw. be-hauptete Wirkungen lassen einewissenschaftliche Klärung desSachverhaltes dringend notwen-dig erscheinen. Insbesondere derAuf- und Ausbau des europäi-schen GSM-Netzes und andererKommunikationsnetze bedingeneine rasche Klärung von Hypo-thesen und zum Teil wider-sprüchlichen experimentellenErgebnissen.

Als problematisch für das Stu-dium und die Interpretationmöglicher Effekte stellen sichdabei die im Mobilfunkbereichverwendeten Wellenfelderheraus. Hochfrequente Wellen,niederfrequent getastet und mitdigitalen Informationen beauf-

schlagt, liefern ein komplexesWellenfeld im GHz-Bereich.

Untersuchungen im Bereich derWirkung von em-Wellenfeldernkonzentrieren sich auf die folgen-den drei Bereiche:

• Biophysikalische Studien aufzellulärer oder molekularerEbene;

• Makroskopische Effekte wieräumliche Feldverteilung undEnergieabsorption;

• Biomedizinische Experimente.

Eine Abdeckung aller denkbarenUntersuchungsfelder in diesemkomplexen Arbeitsfeld ist in-nerhalb des Projektes allerdingsweder möglich noch beabsich-tigt.

Ziel des Projektes war es, einge-schränkt auf die Ebene biologischaktiver Moleküle (DNA, Proteine)bzw. einfacher Organismen(Viren, Bakterien), Effekte nach-

zuweisen bzw. auszuschließen.Wir konzentrierten uns daher aufmögliche biophysikalische Effekteelektromagnetischer Wellen-felder.

Das Projekt gliederte sich dabei indie folgenden Arbeitspakete:

1. In einer Datenbankrecherchewurden anhand einer Analyseder relevanten Publikationender Stand des Wissens erho-ben und mögliche Wirkungs-modelle identifiziert. DieseInformationen sind bedeut-sam für die Auslegung undDurchführung der folgendenExperimente, insbesonderefür die Variation der Wellen-felder bei der Suche nachmöglichen Fenstereffekten.

2. Besondere Sorgfalt wurde beider Auslegung der biologi-schen Experimente auf denHochfrequenzbereich gelegt.Hier liegt ein besonderer Kri-tikpunkt bei vielen experimen-tellen Untersuchungen.

3Newsletter Edition Wissenschaft Nr. 8 Juni 1996

Einleitung

Wirkung hochfrequenter elektro-magnetischer Felder auf DNA, Proteine und DNA-Protein-Komplexe

UMWELTAGENTUR GmbH, Beratungs-, Forschungs- und Entwicklungsgesellschaft mbH,

Universitätsstr. 150, 44780 Bochum

Prof. Dr. W. Rüger, Ruhr-Universität Bochum, Fakultät für Biologie, AG Molekulare Genetik (Teil Eins)

Prof. Dr.-Ing. V. Hansen, Universität-GHS-Wuppertal, Lehrstuhl für Theoretische Elektrotechnik (Teil Zwei)

1. Wirkungsmodelle

Die Wirkung elektromagneti-scher Wellenfelder auf biologi-sche Systeme ist in den letztenJahren in den Blickpunkt des öf-fentlichen Interesses gerückt.Damit zusammenhängend ist zudieser Thematik sowohl die Zahlexperimenteller Arbeiten alsauch theoretischer Modelle zuWirkungszusammenhängen starkangestiegen. Das Spektrum derArbeiten erstreckt sich dabeivom niederfrequenten Netzfre-quenzbereich bis in den Mikro-wellenbereich. Allerdings tragendie zum Teil recht widersprüchli-chen experimentellen Ergebnisseund die Vielfalt der diskutiertenModelle nicht unbedingt zurKlärung des Sachverhaltes bei.

Im hier interessierenden Bereichmöglicher Wirkungen von gepul-sten elektromagnetischen Feldernexistieren bisher erst einige Mo-dellvorstellungen und noch wenigexperimentelle Arbeiten. Alseventuell problematisch erweistsich dabei die komplexe Strukturder Wellenfelder in Verbindungmit nichtlinearen Eigenschaftenbiologischer Systeme.

Aus diesem Grund haben wir imRahmen einer Datenbankrecher-che mögliche Wirkungsmodellegesucht und deren Relevanz fürdie Auslegung der experimentel-len Arbeiten bewertet. Soweitverfügbar wurden die Original-arbeiten ausgewertet. Die Ergeb-

Für die Interpretation derErgebnisse ist die Kenntnisder Feldstärken und des Feld-verlaufes in den Proben not-wendig. Hierzu wurden nu-merische Berechnungen desFeldverlaufes im Hohlleiterund in den Proben durchge-führt.

3. In experimentellen Untersu-chungen wurde der Einflußvon GSM/DCS1800-Wellen-feldern auf Strukturen undAktivitäten biologisch be-deutsamer Moleküle (DNA,Protein etc.) untersucht. DerNachweis einer direkten Pro-tein- bzw. DNA-Schädigungim hochfrequenten Wellen-feld würde die Klärung derWirkmechanismen vereinfa-chen. Schädigungen von le-benden Organismen ließensich dann auf molekularerEbene weiter untersuchenund diskutieren.

In Erweiterung der Untersu-chungen wurden auch aneinfachen biologischen Or-ganismen (Bakterien, Viren)mögliche Effekte einerDNA/Proteinschädigung stu-diert. Dazu gehörten insbe-sondere Mutationsunter-suchungen an Bakterien undViren, die zu Veränderungendes physiologischen Verhal-tens (Wachstum, Infektiösitätetc.) dieser Organismen füh-ren. Ergebnisse sollten durchentsprechende Untersu-chungsreihen statistisch ab-gesichert werden.

Um auch mögliche sehr kleineEffekte nachzuweisen, warenzusätzlich Langzeituntersu-chungen im Meßprogrammvorgesehen.

nisse wurden bei der Auslegungder Versuche berücksichtigt, indenen die Feldparameter variiertwurden.

Es wurden die folgenden Daten-banken genutzt:

EMF-DBUS-Datenbank zur speziellen EMF-Problematik. Die Datenbank laguns einschließlich der 94er Up-dates vor. Quellen: Zeitschriften, For-schungsberichte, Konferenzbe-richte etc.Verfügbarer Inhalt: ca. 17.280 Ab-stracts

BIOSISBibliographische Datenbank, die den Bereich der Biowissen-schaften und der Medizin ab-deckt.Quellen: > 9000 Zeitschriften, US-Patente, Bücher, Konferenz-beiträge etc.Inhalt: ca. 7,9 Mio. Zitate

LIFESCIDatenbank, die alle Bereiche derLebenswissenschaften abdeckt;u.a. Biochemie, Genetik, Mikro-biologie, Toxikologie etc.Quellen: > 5000 Zeitschriften,Bücher, Konferenzberichte etc.Inhalt: 0,4 Mio. Zitate

NTISDer „National Technical Informati-on Service“ ist eine multidisziplinä-re bibliographische Datenbank. DieInhalte entsprechen der Zeitschrift„Government Reports Announce-


Wirkungsmodelle

TEIL EINS:

Biologische Experimente

ments & Index“. Themengebietesind u.a. Gesundheitswesen, Medi-zin, Biologie und Umweltschutz.Quellen: Forschungsberichte USA& andere Länder, US-Patente, US-Datenbanken von Regierungs-stellenInhalt: ca. 1,6 Mio. Zitate

Es wurden Suchbegriffe aus denBereichen der Biologie (gene,DNA, protein, cell, cancer etc.)und der Mobilfunktechnik (highfrequency, resonance, GSM etc.)verwendet.

Die Datenbankrecherche zeigte,daß es eine sehr große Zahl anPublikationen gibt, die sich mitder Wirkung elektromagnetischerFelder auf biologische Systemebefassen. Diese Arbeiten deckendabei ein breites Spektrum an Un-tersuchungsobjekten und Feldfre-quenzen ab. Ganze Organismen,aber auch Tier-, Pflanzen- undBakterienzellen wurden expo-niert. Systematische Untersuchun-gen an einfachen und überschau-baren Systemen waren dagegeneher selten.

Aufgrund der großen Zahl an Pu-blikationen in den DatenbankenBIOSIS, LIFESCI und NTIS wurdeder Recherchezeitraum auf dieJahre 1993 - 1994 eingeschränkt.Als Ergebnis wurden insgesamt517 Publikationen auf ihre Pro-jektrelevanz geprüft. Die Auswer-tung der vorliegenden EMF-DBumfaßte einen Zeitraum von An-fang der 80er Jahre bis 1994.

In einigen Bereichen sind die Ar-beiten von den Ergebnissen herwidersprüchlich oder nicht ein-deutig. Auch scheinen die ver-wendeten Methoden nicht immergeeignet, die gesuchten Effektenachzuweisen.

Die Auswertung der Datenbank-recherche, insbesondere der EMF-Datenbank, ergab eine Vielzahlvon Verweisen auf Arbeiten mitBezug zu den uns interessieren-den Fragestellungen. Eine Bewer-tung und Einschätzung der Arbei-ten erfolgte nach Sichtung undBewertung der Originalpublika-tionen.

Es ließen sich in den Arbeiten zahl-reiche Verweise auf mögliche Wir-kungsmodelle finden. Die Publika-tionen beschreiben sowohl theore-tische Wirkungsmodelle als auchexperimentelle Arbeiten, die sol-che Modelle zur Interpretation derErgebnisse nutzen. Einige der Mo-delle bauen dabei unter zusätzli-chen Annahmen auf anderenTheorien auf und führen zu neuenbzw. anderen Schlußfolgerungen.

Eine Auflistung möglicher Wir-kungsmodelle ergibt das folgendeBild:

• Geometrische Resonanzen vonBiomolekülen

Das Modell beschreibt die Anre-gung akustischer Schwingungender DNA oder anderer Biomole-küle, wenn die Molekülabmessun-gen in der Größenordnung derangeregten akustischen Wellen-längen liegen. Erweiterungen desModells gehen in Richtung Solito-nenanregung, Beeinflussung vonTranskriptionsprozessen etc. (Mo-delle: Belyaev [1,2], Davydov [3],Polozow [4], Experimente: Belyaev[2], Polunin [5]). Relevante Fre-quenzen liegen im GHz-Bereich.

• Anregung von Eigenschwin-gungen von Biomolekülen

Die Anregung von Rotations- undSchwingungszuständen von Bio-molekülen im kHz- bis GHz-Bereichist ein mögliches Wirkungsmodell.

Die Absorption von Feldenergieüber eine Anregung von Rota-tionszuständen führt im allgemei-nen nicht zu strukturellen Mole-küländerungen. Die Moleküle ro-tieren starr, und die aufgenomme-ne Energie wird über Stoßprozessethermalisiert. Andere Anregungs-moden (Vibrationsanregungen)können auch strukturelle Ände-rungen der Molekülstruktur bewir-ken (Modell: Elder & Cahill [6]).

• Ion Cyclotron Resonance / IonParametric Resonance

Gegenstand dieses Modells ist dieresonante Anregung charakteri-stischer Cyclotronfrequenzen vonIonen im geomagnetischen Felddurch niederfrequente Wellenfel-der. Relevante Frequenzen liegenim Bereich von ca. 16 - 800 Hz fürKa+, Ca++ bzw H+-Ionen (Experi-mente: Blackman [7], Mc Leod [8],Davies [9]). Beeinflußt werdenmöglicherweise der Ca-Fluß oderDNA-Aktivitäten. Eine Erweite-rungen des Modells erfolgtedurch Polk [10].

• Jacobson ResonanceDas Modell beschreibt die Wech-selwirkung zwischen schwachenMagnetfeldern und Phononen inbiologischen Systemen. Im Rah-men eines Massen-Geometrie-Modells werden für kritischeMoleküle biologische Effektevorhergesagt bzw. eine Vielzahlexperimenteller Ergebnisse er-klärt (Modell: Jacobson [11]).

• Zeeman-Stark ModellBeschreibung des Verhaltens ge-bundener Ionen im statischen(geomagnetischen) Feld und inzusätzlichem Wellenfeld im Be-reich der Cyclotronresonanzen.Komplexe Modellrechnungen ineinem Quantenmodell lassenauch bei niedrigen Feldstärken


Wirkungsmodelle

elektroakustischer Schwingungender Zellmembran und zur Anre-gung von Molekülschwingungen(Modell: Shaslow [22]; Experi-ment: Golant [23]).

• Nichtlineare Dynamik zellulä-rer Systeme

Ein zelluläres System wird alsnichtlinearer Oszillator fernab desthermodynamischen Gleichge-wichtes beschrieben. Nichtthermi-sche Wirkungen schwacher elek-

biologische Effekte als möglicherscheinen. Diese Effekte basie-ren auf dem Zeeman- (magneti-sche Feldwirkungen) bzw. Stark-Effekt (elektrische Feldwirkun-gen) (Modell: Chiabrera [12]).Relevante Frequenzen liegen imBereich < 1000 Hz.

• Magneto ChemistryDas Modell beschreibt den Einflußstatischer oder veränderlicher ma-gnetischer Felder auf Molekülemit einem oder mehreren unge-paarten Elektronen. Diese reak-tionsfreudigen Moleküle, freie Ra-dikale bzw. Triplet-Moleküle sindvielfach als Tumorpromotoren be-kannt. So erhöht die Verringerungder Rekombinationsrate freierRadikale die Wahrscheinlichkeiteiner Zellschädigung (Modelle:Adey [13], Scaiano [14], Experi-ment: Grundler [15], Harkins [16]).Das Modell beschreibt sowohlnichtresonante niederfrequenteEffekte als auch hochfrequenteResonanzeffekte im Bereich bis zueinigen 100 GHz.

• Zellmembran Der Einfluß elektromagnetischerWellen auf die Zellmembran unddamit die Beeinflussung zellulärerAbläufe ist eines der am intensiv-sten diskutierten und untersuch-ten Modelle. UnterschiedlicheWirkungsmechanismen werdendiskutiert. Niederfrequente Anre-gung führt danach zu einer Ver-änderung des Zellstoffwechselsüber die Beeinflussung von Formund Funktion der Rezeptormo-leküle bzw. zur Beeinflussung derSignalwege, über die die Zellenkommunizieren (Modelle: Lednev[17], Adey [18], Experimente:Blackman [19], Bawin [20], Shep-pard [21] etc.). HochfrequenteAnregungen im Bereich einiger 10 GHz führen zur Anregung

tromagnetischer Felder ergebensich durch Beeinflussung bioche-mischer Prozesse in der Zellmem-bran. Damit verbunden sollenschwache em-Felder durch dieseProzesse soweit verstärkt und indie Zelle eingekoppelt werden,daß zelluläre Effekte auftreten.Kopplungsmechanismen könneneine Beeinflussung der Aktivie-rung von G-Proteinen durch sti-mulierte Rezeptoren oder eineVeränderung der Reaktionskine-


Wirkungsmodelle

Abbildung 1: Chromosomenstruktur und menschlicher Chromosomensatz (aus: „A guidedtour of the living cell“ by de Duve. Copyright (c) 1984 by the de Duve Trust. Used with per-mission of W.H. Freeman and Company)

tik von Radikal-Paar-Reaktionenin den Zellen sein (Modell: Eich-wald & Kaiser [24], Experiment:Grundler [25]).

• Magnetomechanische EffekteIn einigen Zellen bzw. Gewebensind Magnetitpartikel biologi-schen Ursprungs eingebunden.Auf diese ferrimagnetischen Teil-chen üben magnetische FelderKräfte aus, die zelluläre Effektezur Folge haben können (Modell:Kirschvink [26]).

• Hydratation von ProteinenÄnderungen der Hydratation vonProteinen durch hochfrequenteWellenfelder im GHz-Bereich wer-den als ein weiterer Wirkungs-mechanismus diskutiert. Dadurchbedingt sollen sich Aktivitätsän-derungen im Zellstoffwechsel er-geben (Modell: van Zandt [27]).

Weitere Modelle prognostizierenu.a. synergistische Effekte bei derExposition von Zellen im elektro-magnetischen Wellenfeld in Ver-bindung mit potentiellen Tumor-promotoren.

Die fachliche Bewertung derVielzahl an Modellen war nichtGegenstand unserer Arbeit. Wirhalten es jedoch für sinnvoll, imRahmen eines Forschungsauf-trages diese zum Teil komplexenModellvorstellungen aus bio-physikalischer Sicht bewerten zulassen.

Im hier interessierenden Bereichder GSM/DCS1800-Signale und un-ter Berücksichtigung eventuellernichtlinearer Effekte hielten wirfolgende Hypothesen für die ge-planten experimentellen Untersu-chungen für relevant:• Geometrische Resonanzen von

Biomolekülen;

• Anregung von Eigenschwin-gungen von Biomolekülen;

• Hydratation von Proteinen.

2. Auslegung derExperimente

Die Desoxyribonukleinsäure dermenschlichen Zellen tritt in ver-schiedenen Zustandsformen auf.Zum Zeitpunkt der Zellteilungsind die Chromosomen z.B. kon-densiert, sie sind in der Metapha-se als 46 deutlich getrennte Chro-matidpaare sichtbar (Abb. 1). Indieser Konfiguration sind dieChromosomen auf etwa 1/8000ihrer normalen Länge kompri-miert. Zu beachten ist auch, daßdie einzelnen Chromosomen un-terschiedlich groß sind. Nach derZellteilung (Mitose) entfaltet sichdie DNA wieder. Die genetischeInformation kann nun abgelesenwerden, die Zelle kann ihre phy-siologischen Aktivitäten ent-wickeln. Führt dies wiederum zueiner Zellteilung, dann durchläuftdie DNA einen neuen Replika-tionszyklus mit einzelsträngigenZwischenstadien, die sich nachund nach zu einem komplettenDoppelstrang ergänzen, bis siesich nach Abschluß der Verdopp-lung wiederum kondensieren, umauf die Tochterzellen verteilt zuwerden.

Zur Untersuchung der Muta-genität pysikalischer und chemi-scher Agenzien werden bekann-termaßen Mikroorganismen her-angezogen. Der Grund für dieseVorgehensweise liegt in den kur-zen Generationszeiten dieser Zel-len, ihrer hohen Vermehrungs-rate und der Existenz selektiverSysteme, die auch das Erkennensehr seltener Mutationsereignisse

ermöglichen. Außerdem ist dasGenom von Mikroorganismenhaploid, d.h. jedes Chromosomliegt, im Gegensatz zu den Ver-hältnissen bei den höher ent-wickelten diploiden Organismen,in nur einer Kopie vor. MutativeVeränderungen können daherviel schneller erkannt werden, alsdas bei höher entwickelten Orga-nismen der Fall ist. Hinzu kommt,daß der Stoffwechsel und die andiesen Mechanismen mitwirken-den Enzyme bei Prokaryontenviel besser untersucht sind als beiEukaryonten. Biochemisch gese-hen ist das Erbmaterial in allenOrganismen aus identischen Bau-steinen aufgebaut. Unterschiedebestehen in den Größen der Nu-kleinsäuremoleküle und in ihrerOrganisation.

Im Rahmen eines ersten Projektesder UMWELTAGENTUR wurdenvon den beteiligten Arbeitsgrup-pen Untersuchungen zu Wirkun-gen elektromagnetischer Wellen-felder auf einfache biologischeStrukturen und Organismen be-reits im Jahre 1993 durchgeführt.Die dabei gewonnenen Erkennt-nisse bedurften zum einen einerweiteren wissenschaftlichen Absi-cherung, zum anderen sollten sieausgebaut werden. Sollten Effek-te nachweisbar sein, so wärendurch weitere Untersuchungendie Wirkungsmechanismen zuklären.

Unseren Untersuchungen lag dieHypothese zugrunde, daß em-Fel-der über physikalische Wirkungs-mechanismen entweder DNA oderandere biologisch aktive Mole-küle, z.B. Proteine schädigenkönnten. Damit verbunden wäreauch eine Wirkung auf physiolo-gische Prozesse in Organismenwie Viren, Bakterien etc.


Experimente

2.2 Biologische Unter-suchungen, Materialund Methoden

Die biologischen Experimentewurden entweder im Wellenfeldeines Hohlleiters oder dem einerBandleitungsmeßzelle durchge-führt.

Folgende experimentelle Rahmen-bedingungen lagen bei den Hohl-leiterexperimenten vor:

• Es wurde eine hinreichendgroße Anzahl von Proben inden Hohlleiter eingebracht unddem EM-Feld ausgesetzt (Lang-zeitversuche: max. 30 Probenbeim D-Netz-Hohlleiter).

• Parallel liefen Kontrollmessun-gen an Proben ohne Feldexpo-sition in einer Metallbox mitgleichen Querschnittsabmes-sungen wie beim verwendetenRechteckhohlleiter.

• Das Untersuchungsmaterialwurde, jeweils in Voluminavon 0,1 ml, in kleine Glasam-pullen gefüllt, die zugeschmol-zen wurden.

• Es wurde jeweils eine Ampullenach dem Ende einer Exposi-tionsperiode entnommen undder Gesamtinhalt analysiert.

Dadurch bedingt waren exakteexperimentelle Rahmenbedingun-gen und Kontrollmöglichkeitengegeben.

Der Hohlleiter befand sich ineiner Wärmekammer, die durcheine Temperaturregelung aufkonstant 37 °C gehalten wurde.Die Bandleitungsmeßzelle wurdein einem Photometer mit einer ty-

2.1 HF-Auslegung desExperimentes

Bei der technischen Auslegungdes Experimentes war insbesonde-re dem Hochfrequenzbereich be-sondere Aufmerksamkeit zu wid-men. Die Experimente wurden imWellenfeld eines Hohlleiters (H10-Welle) bzw. im Wellenfeld einerBandleitungsmeßzelle bei 900MHz durchgeführt.

Dabei wurde das HF-Signal in-nerhalb der Untersuchungsrei-hen variiert, um mögliche Fen-stereffekte nachzuweisen. Umauch den Bereich des E-Netzesabzudecken, wurden zusätzlicheMessungen bei 1,75 GHz durch-geführt.

Dabei wurden, um thermische Ef-fekte auszuschließen, die Unter-suchungen im Hohlleiter bei HF-Leistungen P ≤ 8 Watt (D-Netz)bzw. P ≤ 1 Watt (E-Netz) durchge-führt.

Die HF-Auslegung des Experimen-tes umfaßt die folgenden Punkte:

• Auslegung der Meßanordnun-gen,

• Auslegung und Optimierungdes Hohlleiters / der Bandlei-tungsmeßzelle,

• Analyse der Meßzellen mitProben,

• Bestimmung der Feldstärkeund des Feldverlaufes in denProben.

Eine ausführliche Beschreibungder HF-Auslegung des Experi-mentes mit Feldberechnungenim Hohlleiter bzw. der Band-leitungsmeßzelle und in denProben finden sich in Teil 2 desBerichtes.

pischen Temperatur im Geräte-inneren von ca. 29 °C eingesetzt.

Zu Kontrollzwecken wurden so-wohl die Temperatur in der Wär-mekammer aufgezeichnet alsauch die relative Leistung desSenders gemessen.

Um thermische Effekte in den Pro-ben bei den verwendeten Leistun-gen (<P> = 1 Watt) ausschließenzu können, wurde die Temperaturin der Probe direkt nach einer ca.10-minütigen Feldexposition ge-messen und mit der Temperaturder unbestrahlten Probe vergli-chen. Eine Aufheizung der Probendurch das Wellenfeld im Hohllei-ter war nicht nachweisbar.

Bei den Messungen in der Band-leitungsmeßzelle mußte die Aus-gangsleistung des Verstärkersauf Werte P < 1 Watt zurückge-fahren werden, um eine Aufhei-zung der Probe zu verhindern.

2.2.1 Untersuchungs-materialien

Als Untersuchungsmaterialienwurden DNA, Enzyme, Viren undBakterien verwendet. DNA liegtbei 37 °C im nativen Zustand vor.Enterobakterien und die dazu-gehörigen Bakteriophagenhaben ihr Wuchsoptimum bei 37 °C. Entsprechend zeigen auchdaraus isolierte Enzyme bei die-ser Temperatur ihr Reaktions-optimum.

Freie DNA

Ein Ergebnis der Datenbankre-cherche war u.a. die Hypothese,daß DNA durch resonante Prozes-se, angeregt durch elektroma-gnetische Felder, zerstört wird.


Experimente

Experimentelle Untersuchungenergaben zum Teil Viskositätsab-nahmen der DNA nach einer ent-sprechenden Feldexposition.

Messungen erfolgten daher u.a.an freier DNA, um die Frage zuklären, ob aufgefaltete DNA-Mo-leküle durch elektromagnetischeWellenfelder geschädigt würden.Ein Bruch der DNA läßt sich elek-trophoretisch sichtbar machen.

Ergänzt wurden diese Untersu-chungen durch Phagenexperimen-te, bei denen die DNA in einemviralen Kapsid dicht gepackt vor-liegt. Dies könnte mögliche Effek-te reduzieren. Ein DNA-Molekülin Lösung könnte in geometri-scher Hinsicht ungleich sensiblergegen Feldeinwirkungen sein alsdas gleiche Molekül eng gepacktin einem viralen Kapsid.

Enzyme

Die Datenbankrecherche hatte alseinen möglichen Wirkungsmecha-nismus eine Änderung des Hydra-

tationsmuster von Enzymen alsFolge einer Feldexposition erge-ben, was zu einer Veränderungder Enzymreaktionen führenwürde.

Es wurden daher Versuche mitfreien und gereinigten Enzymenim em-Wellenfeld durchgeführt.Dabei wurde ein Enzym ausge-wählt, in dessen Reaktionsver-lauf Wassermoleküle aktiviertwerden. Sollte das angelegteFeld mit den Wassermolekülen inWechselwirkung treten, wäreunter Umständen zu erwarten,daß Enzymreaktionen im Einflußdes Wellenfeldes mit veränderterKinetik ablaufen. Die Enzymkine-tik kann photometrisch erfaßtwerden.

Außerdem liegen die potentiellzu aktivierenden Wassermolekülesehr häufig im Innern einesglobulären Proteins. Einmal durchden Einfluß elektromagnetischerWellen aus ihrer Position und derchemischen Bindung gerissen,könnten diese Moleküle vielleicht

nicht so schnell ersetzt oder posi-tioniert werden.

Sollte sich ein solcher nichtther-mischer Effekt nachweisen lassen,wäre dies ein wichtiger Hinweisauf biologische Wirkungen vonelektromagnetischen Wellenfel-dern. Dies hätte weitreichendeFolgen für die Reaktionsmustervon Enzymen, den zellulärenStoffwechsel und schließlich auchfür das gesamte System.

Viren

Untersuchungsobjekt war einBakterienvirus (Abb 2, Bakterio-phage T4), der in hoher Konzen-tration (10

11Phagen/ml) zur Ver-

fügung steht und zu 50 % ausDNA und zu 50 % aus einerProteinhülle besteht. Eine Schädi-gung der Nukleinsäure oder derHüllproteine müßte gegenüberKontrollen außerhalb des em-Fel-des zu einer Abnahme der Überle-bensfähigkeit führen. Beispiels-weise läßt sich eine schädigendeWirkung von Röntgenstrahlenoder UV-Licht sehr schnell an die-sem System nachweisen.

Vorteil des Systems war außer-dem, daß die Phagenzahl mittelsreparaturdefekter Bakterienstäm-me bestimmt wurde. Eventuellefeldinduzierte DNA-Schäden wer-den dann wahrscheinlich nichtdurch bakterielle Reparaturenzy-me korrigiert.

Bakterien

Einige der in der Datenbankre-cherche gefundenen Arbeiten be-richteten von einer erhöhten Mu-tationsauslösung bei Bakterien. InBakterienkulturen wird währenddes Wachstumsprozesses dieNukleinsäure repliziert. Für man-


Experimente

Abbildung 2:Modell desPhagen T4 (aus: Bacterio-phage T4, Ame-rican Society forMicrobiology)

Bereich des D-Netzes. Ergänzendkamen Experimente im Bereich desE-Netzes hinzu.

3.1 Untersuchungs-methoden

Gegenstand der Untersuchungenwaren unterschiedliche biologi-sche Materialien und Methoden.Im einzelnen wurden die folgen-den Methoden angewandt.

3.1.1 Überlebensfähigkeitvon Viren

Als erstes wurde das Überlebenvon Bakteriophagen im elektro-magnetischen Feld bei Langzeit-exposition untersucht (3 MonateExpositionszeit). Bakteriophagensind Viren mit dicht gepackter,doppelsträngiger DNA, die sich inBakterienzellen vermehren. EineAbnahme ihrer Zahl hätte bedeu-tet, daß entweder die Nukleinsäu-re selbst oder die Proteinhüllebzw. der proteingesteuerte Infek-tionsmechanismus geschädigt

che Schädigungsarten ist replizie-rende DNA ein sensibleres Sub-strat als nicht replizierende DNA,verpackt in einem viralen Kapsidoder als ein in Wasser gelöstes„statisches“ Molekül. Daher wäreeine physikalische Wirkung vonem-Feldern hier u.U. einfachernachweisbar.

Aus diesem Grund wurden auchsolche Untersuchungen in unse-rem System durchgeführt. Insbe-sondere interessierte, ob sich deroben genannte Befund unter un-seren Feldbedingungen und mitdazu besonders ausgesuchtensensiblen Bakterienstämmen re-produzieren ließe. Ausgewähltwurden zwei Bakterienstämme,die von der Deutschen Sammlungvon Mikroorganismen (DSM,Braunschweig) für Mutagenitäts-tests empfohlen werden. Es sinddies die Stämme E. coli WP2 undWP2uvrA, die beide die Amino-säure Tryptophan nicht syntheti-sieren können. Mutationsauslö-sung würde diesen Defekt behe-ben, was experimentell leichtnachweisbar wäre. Gleichzeitigwaren diese Versuche eine Ergän-zung der zuvor beschriebenen Ex-perimente.

3. Untersuchungs-methoden undVersuchsprogramm

Im Rahmen des Projektes war einumfangreiches Arbeitsprogrammabzuwickeln mit dem Ziel, eventu-elle Wirkungen von GSM/ DCS1800-Wellenfeldern auf biologische Ma-terialien bzw. biochemische Pro-zesse nachzuweisen. Der Schwer-punkt der Untersuchungen lag im

worden wäre. In weiterführendenUntersuchungen ließe sich dannnachweisen, welche der beidenKomponenten durch den Schadenbetroffen wäre.

Um auszuschließen, daß natürli-che Reparaturmechanismen, wiesie in allen Organismen bei DNA-Schädigungen wirksam werden,auch in diesem Experiment eineninduzierten DNA-Schaden wiederrückgängig machen, wurden feld-exponierte Phagen und Kontroll-phagen auf vier unterschiedlichenreparatur-negativen Bakterien-stämmen vermehrt.

Beschreibung des Versuchs-ansatzes:0,1 ml einer Phagenlösung in ei-nem Phosphatpuffer mit gerin-gem Kochsalzzusatz wurde in 1,5ml Glasampullen pipettiert. DieGlasampullen wurden durchGummistopfen verschlossen, dermit Parafilm abgedeckt war. DerParafilm wurde in der Bunsen-brennerflamme angeschmolzen,dies führte zu einem wachsarti-gen Verschluß der Versuchsam-pulle. Zu Beginn des Versuches


Methoden

Abbildung 3: DNA-Faltungsmodelle (aus: Voeth & Voeth, Biochemistry, Verlag ChemieWeinheim)

wurden 30 Ampullen in Reihenvon 3 mal 10 mittig in den Hohl-leiter gestellt. Nach jeweils einerWoche Expositionszeit wurden 2Ampullen ersatzlos entnommenund mit 0,9 ml sterilem Pufferversetzt. Wie in der Bakteriolo-gie üblich, wurden dann die ent-sprechenden Verdünnungsreihenangefertigt und mit reparaturde-fekten Indikatorbakterien aus-plattiert. Nach Bebrütung wur-den die Plaques ausgezählt, undüber die Rückrechnung der je-weils angewendeten Verdün-nung wurde auf die Zahl derüberlebenden Viren geschlossen.Dabei erfolgte eine Doppelbe-stimmung mittels der vier ver-schiedenen reparatur-negativenBakterienstämme.

3.1.2 Schädigung von DNA

In einer viralen Hülle ist die Nu-kleinsäure sehr dicht gepackt(Abb. 3). Diese dichte Packungdes Erbmaterials kann in Abhän-gigkeit von der Art des schädi-genden Einflusses dazu führen,daß dicht gepackte DNA wenigeroder anders geschädigt wird alsgelöste, freibewegliche DNA. Ausdieser Überlegung heraus wurdeein zweiter, geänderter Ver-suchsansatz gewählt.

Plasmid-DNA, die kovalent ge-schlossen in Supercoilkonforma-tion vorliegt und ca. 2.9 Kilo-basenpaare lang ist, wurde inwässriger Lösung in das Wellen-feld gebracht. Dabei war dieKonzentration der DNA so be-rechnet, daß die Lösung wieauch schon vorher die Bakterio-phagen als 0,1 ml Proben in denAmpullen exponiert werdenkonnten. Sollte das elektroma-gnetische Feld die Wirkung ha-

ben, daß das DNA-Molekül me-chanisch geschädigt wird, dannsollten Einzel- bzw. Doppel-strangbrüche in dem Molekülauftreten. Diese Schädigungenwürden zu Konformations-änderungen im DNA-Molekülführen. So ist bekannt, daß Ein-zelstrangbrüche zu einem rela-xierten zirkulären DNA-Molekülführen, während Doppelstrang-brüche das Molekül linearisierenund nach längerer Expositionauch Molekülverkürzungen erge-ben. Der Übergang vom zirkulä-ren Supercoil in den relaxiertenbzw. linearisierten Zustand undzunehmend verkürzte Molekülesind am unterschiedlichen Lauf-verhalten in der Agarose-Gel-elektrophorese zu erkennen.

Beschreibung des Versuchs-ansatzes: Plasmid-DNA (pBluescript, Strata-gene, 2961 bp) wurde in Tris-EDTA-Puffer gelöst und 0,1 mlAliquots auf die Probenröhrchenverteilt. Die Endkonzentrationder DNA war auf ca. 1 µg/0,1 mleingestellt. Die Probenröhrchenwurden hermetisch verschlossen.Nach jeweils einer Woche wur-den je eine exponierte Probeund eine Kontrollprobe elektro-phoretisch aufgetrennt, dieDNA-Banden mit Ethidiumbro-mid gefärbt und die jeweiligenLaufstrecken sowie die Schärfeder Banden verglichen.

3.1.3 Mutationsuntersu-chungen an Bakterien

Mit einer dritten Untersuchungs-methodik wurde sich teilendeDNA untersucht. Bei der natürli-chen Verdopplung der DNAwährend der Zellteilung kommtdie DNA stellenweise in einzel-

strängiger Konformation vor.Solche einzelsträngige und sichreplizierende DNA könnte wie-derum eine besondere Zielschei-be für Wellenfeld-induzierteDNA-Schädigung sein. Eingesetztwurden zwei Bakterienstämme(E. coli WP2 & WP2uvrA), die bei-de die Aminosäure Tryptophannicht synthetisieren können. BeiMutagenität des angewendetenAgenz gewinnen die Bakterienper Mutation die Tryptophansyn-thesefähigkeit zurück. Währendder Exposition wachsen die Bak-terien auf einem Komplettmedi-um, das auch den Wuchs der Mu-tanten erlaubt. Nach der Exposi-tion werden die Bakterien aufMinimal-medium ausplattiert.Hier wachsen nur die Rückmu-tanten. Der Vergleich von Rück-mutantenhäufigkeit, beobachtetan den nicht-exponierten Kon-trollbakterien und denen der ex-ponierten Stämme, sollte eineeventuell vorhandene Muta-genität des Wellenfeldes erken-nen lassen. Keine der Proben ließerkennen, daß die exponiertenProben signifikant höhere Rück-mutationshäufigkeiten aufwie-sen als die nicht-exponiertenKontrollen.

Beschreibung des Versuchs-ansatzes:Die Bakterien einer über Nachtgewachsenen Kultur (etwa 3x10

9

Zellen pro ml) wurden in Ali-quots von je 100 µl auf Petrischa-len mit Komplettagar ausgespa-telt, daß sich ein geschlossenerBakterienrasen bildete. Nach 24Stunden Expositionszeit wurdevon exponierten Bakterien undvon den nicht exponierten Kon-trollen je eine Impföse voll (Ab-strich über den gesamten Plat-tendurchmesser hinweg) in 1 mlPhosphatpuffer suspendiert und


Methoden

meßzelle eingebracht. Die Küvet-te enthielt eine DNA-Lösung vonungefähr 50 µg T4 DNA/ml. Ände-rungen in der Struktur des Dop-pelstranges sollten sich durch eineverstärkte UV-Absorption be-merkbar machen. In einer Ver-suchsserie haben wir jeweils übereinen Zeitraum von ca. 10 Minu-ten eine feldexponierte DNA-Pro-be, eine feldfreie DNA-Probe undeine feldfreie Wasserprobe in ei-nem Photometer (Wellenlänge260 nm) ausgemessen. Würde dieDNA durch die em-Feld-Expositiongeschädigt, dann sollte sich das ineiner zunehmenden Denaturie-rung der DNA und somit in einerZunahme der optischen Dichtebemerkbar machen.

3.1.5 Ablauf enzymatischerReaktionen

Gleichermaßen wurde die Re-aktion der ß-Galactosidase beider Spaltung von Ortho-Nitro-phenyl-Galactopyranosid beob-achtet. Die Meßzeiträume er-streckten sich jeweils über 10 Mi-nuten pro Feldeinstellung. DieReaktion der ß-Galactosidase er-folgt dadurch, daß innerhalb desEnzymmoleküls ein speziell an-geordnetes Wassermolekül akti-viert wird und zur Spaltung desOrtho-Nitro-Phenols und der Ga-lactose-Komponente führt.Störungen des Reaktionsablaufesdurch das em-Feld hätten wahr-scheinlich zur Folge, daß die En-zymreaktion einen anderen zeit-lichen Verlauf hätte als in derKontrolle.

Beschreibung des Versuchs-ansatzes:Eine Kultur von E. coli (W575, lac-Repressor negativ, R

–) wird bis zur

Zelldichte 5x108/ml wachsen ge-

100 µl-Aliquote dieser Verdün-nung abermals ausgespatelt undfür weitere 24 Stunden expo-niert. Nach 5 Übertragungen inder oben beschriebenen Art, alsoetwa 5 x 24 Stunden Exposition,wurde die Bakteriensuspensionauf Minimal- und Komplettagar-platten hinsichtlich ihrer Rück-mutationshäufigkeit untersucht.Dazu wurden die in 1 ml Phos-phatpuffer suspendierten Bakte-rien (s. oben) verdünnt und je-weils 0,1 ml der verschiedenenVerdünnungsstufen auf Minimal-bzw. Komplettagarplatten aus-gespatelt. Die Platten mit zähl-baren Mengen an Kolonien wur-den ausgezählt (100 - 300 Kolo-nien pro Platte) und einandergegenübergestellt. Bei chemi-schen Mutagenen werden Rück-mutanten in derartigen Versu-chen zwischen 10 bis zu 1000mal häufiger beobachtet als aufden nicht exponierten Kontrol-len. Gleichzeitig sinkt das Über-leben der Bakterien.

3.1.4 DNA-Untersuchungen

In verschiedenen Arbeiten wirdauch über die Möglichkeit der An-regung von Schwingungen vonDNA-Molekülen im Wellenfeldberichtet. Ziel eines weiteren Ex-perimentes war es zu untersu-chen, ob Nukleinsäuren und spe-ziell ihre Doppelstrangstruktur imelektromagnetischen Feld beein-flußt werden.

Beschreibung des Versuchs-ansatzes:Zur Untersuchung eines direktenEinflusses des em-Feldes wurdeeine DNA-Lösung (isoliert aus T4-Phagen durch Phenolisieren) ineiner Quarzküvette von 1 cm

2

Grundfläche in eine Bandleitungs-

lassen. Die Zellen werden durchZugabe von 1-2 Tropfen Toluolpermeabilisiert. Aus dieser Sus-pension werden 0,5 ml in den ß-Gal-Test gegeben.

Der Testansatz besteht aus 4 mlPhosphatpuffer (20 mM, pH 7,0),0,5 ml Ortho-Nitrophenyl-Galcto-pyranosid-Lösung (5 mg/ml) und0,5 ml Toluol-behandelter Zell-suspension.

Der Ansatz wird durchmischt unddie Reaktion durch Zugabe derZellsuspension ausgelöst. Danachwird der Ansatz in zwei Meßküvet-ten (exponierte Probe und Kon-trollprobe) gefüllt. Während desExperimentes wird in Minutenab-ständen die optische Dichte in bei-den Küvetten bei 420 nm, dem Ab-sorptionsmaximum von Orthonitro-phenol gemessen. Das freigesetzteOrthonitrophenol ist ein Maß fürdie Enzymaktivität. Unterschiedli-che Reaktionsgeschwindigkeiten inder exponierten Probe und derKontrollprobe zeigen sich in unter-schiedlichen Steigungen der aufge-nommenen Kurven optische Dichteo.D. über der Zeit t.

3.2 Untersuchungs-programm

Das Untersuchungsprogrammsetzte sich aus den fünf verschie-denen Experimenten zusammen.

3.2.1 Langzeituntersuchun-gen an Phagen und DNA(D-Netz)

Ziel dieser Untersuchungen warder Nachweis von Schäden an ein-fachen Systemen durch Bestim-mung der Überlebensfähigkeit


Methoden

von Viren bzw. Nachweis einerDNA-Schädigung im Wellenfeldeines Hohlleiters.

Versuchsaufbau:• Meßzelle: D-Netz-Hohlleiter• Signalquelle: D-Netz-GSM-

Gerät / Leistung ca. 8 Watt• Glasampullen: T4-Phagen /

Meßdauer ca. 100 Tage• Glasampullen: DNA-Lösung /

Meßdauer ca. 30 Tage

3.2.2 Mutationsunter-suchungen an Bakterien /Schädigung von Phagen (D-Netz)

Das Experiment hatte zum Ziel,Mutationen an sich replizierenderDNA nachzuweisen. Dies geschahdurch Mutationsuntersuchungenan speziellen Bakterienstämmen.Gleichzeitig wurden die Phagen-experimente fortgesetzt. Dabeiwurden insbesondere die Feldpa-rameter variiert, um eventuelleFenstereffekte zu finden.

Versuchsaufbau:• Meßzelle: D-Netz-Hohlleiter• Signalquelle: Rohde & Schwarz

Signalgenerator SME 03 • D-Netz-Verstärker: SSB - PA

910 / 30 dB Verstärkung• Glasampullen: T4-Phagen• Petrischalen: E-coli WP2 /

WP2uvrA• Variation: Feldstärke, Modula-

tionsfrequenz• Versuchsdauer: 1 Woche /

Experiment

3.2.3 Untersuchungen anPhagen und Bakterien (E-Netz)

Ziel der Untersuchungen war derNachweis möglicher Schäden im

Bereich höherer Frequenzen (E-Netz). Die Experimentebeinhalteten die Bestimmungder Überlebensfähigkeit vonViren im Wellenfeld und Muta-tionsuntersuchungen an Bak-terien.

Versuchsaufbau:• Meßzelle: E-Netz-Hohlleiter• Signalquelle: E-Netz-Gerät /

Leistung ca. 1 Watt• Glasampullen: T4-Phagen• Petrischalen: E-coli WP2 /

WP2uvrA• Versuchsdauer: 1 Woche /

Experiment

3.2.4 DNA-Unter-suchungen (D-Netz / E-Netz)

Die Untersuchungen hatten zum Ziel, einen möglichen Ein-fluß des Wellenfeldes auf dieDNA-Struktur zu messen. DieExperimente fanden im Wellen-feld eines Bandleiters statt, indem eine Quarzküvette mit derDNA-Lösung placiert wurde.Untersucht wurde das Verhalteneiner DNA-Lösung im Wellenfeldder Bandleitungsmeßzelle beiFrequenzen von 900 MHz / 1750MHz.

Versuchsaufbau:• Meßzelle: Bandleitungsmeß-

zelle• Signalquelle: Rohde & Schwarz

Signalgenerator SME 03• D-Netz-Verstärker: SSB - PA

910 / 30 dB Verstärkung• E-Netz-Verstärker: SSB - PA

1810 / 30 dB Verstärkung• Photometer:

Philips PU 8735-50• Quarzküvette: DNA-Lösung• Variation: Frequenz, Modula-

tionsfrequenz, Leistung

3.2.5 Ablauf enzymati-scher Reaktionen (D-Netz /E-Netz)

Die Untersuchungen fanden imWellenfeld eines Bandleitersstatt, in dem eine Küvette mitder Enzymprobe placiert wurde.Untersucht wurde der Ablauf en-zymatischer Reaktionen im Wel-lenfeld der Bandleitungsmeßzel-le bei Frequenzen von 900 MHz /1750 MHz.

Versuchsaufbau:• Meßzelle: Bandleitungsmeß-

zelle• Signalquelle: Rohde & Schwarz

Signalgenerator SME 03• D-Netz-Verstärker: SSB - PA

910 / 30 dB Verstärkung• E-Netz-Verstärker: SSB - PA

1810 / 30 dB Verstärkung• Photometer:

Philips PU 8735-50• Quarzküvette: ß-Galactosida-

se-Lösung• Variation: Frequenz, Modula-

tionsfrequenz

4. ExperimentelleErgebnisse

4.1 Allgemeines

Die experimentellen Arbeiten er-streckten sich von Ende Oktober1994 bis Ende Mai 1995.

Die Hohlleiterexperimente wur-den in einer Wärmekammer beieiner Temperatur von 37 °Cdurchgeführt. Die Messungender Temperatur in der Wärme-kammer ergaben über den Un-


Ergebnisse

stieg auf Werte bis ca. 34 °C zumEnde der Meßreihe. Damit war dieTemperatur immer noch in einemphysiologisch unkritischen Bereich.

4.2 HF-Technik

Bei den Untersuchungen kamendie folgenden GSM/DCS1800-Geräte bzw. Signalgeneratorenzum Einsatz: • D-Netz-Gerät (NOKIA Typ

6050)• E-Netz-Gerät (NOKIA Typ

2140)• Signalgenerator Rohde &

Schwarz SME 03 & D-Netz-Verstärker SSB PA 910 / 30 dB

tersuchungszeitraum eine Kon-stanz besser als 0,5 °C.

Messungen des Temperaturanstie-ges in den exponierten Proben imHohlleiter bei max. Leistungenvon P = 8 Watt (D-Netz) mit ei-nem Temperaturmesser ergabenkeine merkliche Probenerwär-mung (T < 1 °C).

Bei den Messungen in der Band-leitungsmeßzelle mußte zur Ver-meidung einer übermäßigen Pro-benerwärmung die eingekoppelteLeistung auf Werte P < 1 Watt ein-gestellt werden. Der Temperatur-anstieg in der feldexponiertenKüvette betrug bei den photome-trischen Messungen ca. 5 °C und

• Signalgenerator Rohde &Schwarz SME 03 & E-Netz-Ver-stärker SSB PA 1810 / 30 dB

4.3 Ergebnisse der bio-logischen Experimente

4.3.1 Langzeituntersuchun-gen an Phagen und DNA(D-Netz)

Die Untersuchungen wurden miteinem handelsüblichen D-Netz-GSM-Gerät durchgeführt.

D-Netz-GSM-Gerät• Leistungsstufe 2: P = 8 Watt im

Burst


Ergebnisse

Abbildung 4: Langzeituntersuchungen an Phagen: Phagentiter für unterschiedliche Indikatorstämme

• Mittlere Leistung < P > = 1,00Watt

• Elektrische Feldstärke am Ortder Proben: uEyou = 729 V/m

Versuchsreihen mit Expositionszei-ten bis zu 100 Tagen führten mitunterschiedlichen Indikatorstäm-men zu dem Ergebnis, daß zwi-schen den exponierten und nicht-exponierten Proben keine signifi-kanten Unterschiede zu findensind (Abb. 4). Bei keiner der unter-suchten Proben ließ sich eine durchdas elektromagnetische Feld verur-sachte Abnahme der Phagenzahlerkennen. Kontrollen und expo-nierte Proben zeigten über einenZeitraum von ca. 2.5 Monaten ei-nen gleichen Inaktivierungsverlauf.

Die beobachtete leichte Inaktivie-rung auch der Kontrollprobenüber einen Zeitraum von dreiMonaten ist eine bekannte Er-scheinung, die auf die hohe Um-gebungstemperatur von 37 °Czurückzuführen ist.

Nach einer Expositionszeit von 3 Monaten machte sich sogar einestärkere Reduzierung der Phagen-zahl in den Kontrollprobengegenüber den exponierten Pro-ben bemerkbar. Die Untersu-chung des Phänomens ergab, daß

in der Wärmekammer im Bereichder Kontrollproben durch Luft-strömungen bedingt ein Tempera-turgradient existierte, der zu ei-ner Temperaturdifferenz zwi-schen Boden und oberem Bereichder Glasampullen führte. Am Bo-den der Ampullen verdunsteteWasser und schlug sich an denWänden nieder. Die Bakteriopha-gen trockneten nach 2.5 MonatenStandzeit am Grunde der Ampul-len allmählich ein, obwohl dieAmpullen hermetisch verschlossenwaren. Da die im Versuch einge-setzten Bakteriophagen nicht indie Klasse trockenresistenter Vi-ren gehören, führte das Eintrock-nen zur Abnahme der Phagen-zahl.

Bei den Langzeituntersuchungen

von DNA-Proben ergab sich dasfolgende Bild. Die DNA-Probenwurden bis zu vier Wochen demWellenfeld ausgesetzt und Einzel-proben in Wochenabständen ent-nommen und mit den entspre-chenden Kontrollen analysiert,d.h. elektrophoretisch aufge-trennt. Zwar wurden die beschrie-benen Übergänge vom Supercoilzu relaxierten Molekülen (Einzel-strangbruch) beobachtet, aberdiese Übergänge traten auch beiden Kontrollen auf (Abb. 5a - 5b).Die daraus erkennbare DNA-Schä-digung ist wahrscheinlich auf dielangen Verweilzeiten bei 37 °Czurückzuführen. Kontrollen, dieüber den gleichen Zeitraum bei 4 °C aufbewahrt wurden, zeigtendiese Übergänge nicht.

4.3.2 Mutationsunter-suchungen an Bakterien /Schädigung von Phagen (D-Netz)

Diese Untersuchungen wurden mitdem SME 03-Signalgenerator vonRohde & Schwarz durchgeführt.Variiert wurde die Modulationsfre-quenz und zusätzlich die HF-Lei-stung. Als Frequenzen wurden dieMobilfunk-typischen Modulations-frequenzen 2 Hz / 8,3 Hz & 217 Hzgewählt. Als weitere Einstellung


Ergebnisse

Abbildung 5b: Langzeituntersuchungen an DNA: elektrophoretische Auftrennung Feld-exponierte Probe (a), nicht exponierte Probe (b), 4°C-Probe (c)

Abbildung 5a: Langzeituntersuchungen an DNA: natürliches Plasmid (a), Plasmid mit Einzelstrangbruch (b), Plasmid mit Doppelstrangbruch (c)

kam die Ionencyclotronfrequenzdes Wasserstoffions im Erdmagnet-feld (B = 0.4804 G) mit 730,2 Hzhinzu. Die Messungen für dieseFrequenzen wurden mit zwei un-terschiedlichen Feldstärken durch-geführt. Folgende HF-Einstellun-gen wurden vorgenommen:

Signalgenerator Rohde & SchwarzSME 03 & D-Netz-Verstärker SSBPA 910 / 30 dB• Frequenz: 900 MHz• Modulationsfrequenz: 2 Hz,

8,3 Hz, 217 Hz, 730,2 Hz• Tastverhältnis: 1:867, 1:209,

1:8, 1:2,37

• Ansteuerleistung 9,3 dBm: P = 8 Watt im Burst

• Elektrische Feldstärke am Ortder Proben: uEyou = 729 V/m

• Ansteuerleistung 2,4 dBm: P = 2 Watt im Burst

• Elektrische Feldstärke am Ortder Proben: uEyou = 364.5 V/m

Bestimmt wurde die Rückmuta-tionsrate ausgewählter Bakterien-stämme und Phagentiter für ex-ponierte Proben und Kontrollpro-ben bei insgesamt 8 Frequenz-/Leistungseinstellungen. Bei denMutationsuntersuchungen gab esdabei teilweise Probleme mitKontaminationen auf den Platten.Daher mußten einige der Messun-gen wiederholt werden.

Die Ergebnisse der Mutationsun-tersuchungen sind in den Tabellen1a - 1b dargestellt. Im Rahmen derexperimentellen Schwankungenwurden keine Effekte gemessen.Signifikante Effekte würden hierAbweichungen der Rückmutations-rate Test / Kontrolle um einen Fak-tor 10 oder größer bedeuten.

Auch die Bestimmung der Pha-


Ergebnisse

Tabelle 1b: Mutationsuntersuchungen an Bakterien: Rückmutationsrate von E. coli für verschiedene Feldparameter

Tabelle 1a: Mutationsuntersuchungen an Bakterien: Rückmutationsrate von E. coli für verschiedene Feldparameter

Frequenz: Vollmedium Minimalmedium Rückmutationshäufigkeit2,0 Hz/2 W [Minimalmed./Vollmed.]

WP2 Kontrolle 2,90E+09 190 6,55E-08WP2 Test 4,20E+09 100 2,38E-08

WP2 uvra Kontrolle 2,50E+09 100 4,00E-08WP2 uvra Test 3,90E+09 90 2,31E-08




Frequenz: Vollmedium Minimalmedium Rückmutationshäufigkeit217 Hz/2 W [Minimalmed./Vollmed.]


















Kontrollproben zeigte keinerleiauffällige Werte (Tab. 2).

Nach Abschluß dieses Teils der Ex-perimente können wir festhalten,

daß sich bei den durchgeführtenTests keine signifikanten Effektebei den exponierten Proben fin-den ließen. Fenstereffekte, wiesie zum Teil prognostiziert wer-

den, waren in unseren Experi-menten bei den verwendetenUntersuchungsmaterialien undFeldeinstellungen im Rahmen derMeßgenauigkeit nicht nachweis-bar. Es gab bei den Untersuchun-gen keinerlei Effekte, die auf einemutagene Feldwirkung hindeu-teten.


Ergebnisse

Tabelle 2: Schädigung von Phagen: Pha-gentiter für verschiedene Feldparameter

Tabelle 3: E-Netz-Untersuchungen: Rückmutationsrate von E. coli

Frequenz Kontrolle Test Kontrolle Test Kontrolle Test Kontrolle Test

2 Hz/2 W 3,60E+09 4,90E+09 3,40E+09 5,20E+09 2,60E+09 2,30E+09 3,40E+09 3,50E+098,3 Hz/2 W 4,00E+09 9,40E+08 3,00E+09 7,80E+08 1,80E+09 9,40E+08 4,00E+09 1,20E+09217 Hz/ 2W 3,40E+09 4,30E+09 2,80E+09 2,50E+09 1,70E+09 2,40E+09 4,90E+09 3,50E+09

730,2 Hz/2 W 7,40E+09 6,20E+09 5,40E+09 4,80E+09 2,80E+09 2,10E+09 3,40E+09 3,40E+092 Hz/8 W 1,70E+09 1,68E+09 2,40E+09 3,25E+09 2,70E+09 2,40E+09 3,10E+09 2,65E+09

8,3 Hz/8 W 3,70E+09 4,70E+09 3,10E+09 3,60E+09 2,10E+09 3,30E+09 4,10E+09 3,10E+09217 Hz/8 W 1,90E+09 1,66E+09 2,90E+09 3,00E+09 2,20E+09 2,00E+09 2,90E+09 1,50E+09

730,2 Hz/8 W 3,50E+09 2,40E+09 3,00E+09 3,30E+09 2,30E+09 2,20E+09 3,50E+09 3,00E+09

Teststamm: 234 Teststamm: 136 Teststamm: 629 Teststamm: 824

Ausgangstiter 3,10E+09 2,50E+09 2,00E+09 2,40E+09

Vollmedium Minimalmedium Rückmutationshäufigkeit[Minimalmed./Vollmed.]



Abbildung 6: E-Netz-Untersuchungen: Phagentiter für verschiedene Indikatorstämme

E-Netz-Gerät• Leistungsstufe 0: P = 1 Watt im

Burst• Tastverhältnis: 1:8• Elektrische Feldstärke am Ort

der Proben: uEyou = 484,5 V/m

Bestimmt wurde die Rückmuta-tionsrate ausgewählter Bakte-rienstämme und Phagentiter für

4.3.3 Untersuchungen an Phagen und Bakterien (E-Netz)

Die Experimente wurden miteinem handelsüblichen E-Netz-Gerät (DCS1800 / Handy) durchge-führt. Die Messungen erfolgtenmit der höchsten Leistungsstufe(P = 1 Watt).

exponierte Proben und Kontroll-proben bei einer Frequenzein-stellung.

Die Ergebnisse der Muta-tionsuntersuchungen sind inTabelle 3 dargestellt. Im Rahmender versuchsbedingten Ab-weichungen fanden sich keineEffekte.


Ergebnisse

Tabelle 4c: DNA-Untersuchungen in Bandleitungsmeßzelle (D-Netz / E-Netz): Optische Dichte für unterschiedliche HF-Leistungen (fMod = 8,3 Hz)

Tabelle 4a: DNA-Untersuchungen in Bandleitungsmeßzelle (D-Netz): Optische Dichte für unterschiedliche Modulationsfrequenzen (P = 0 dBm)

fMod = 2 HZ T/min0 1 2

Wasser OD 0 0 0DNA ohne HF OD 1,128 1,128 1,128DNA mit HF OD 1,131 1,131 1,131

fMod = 8,3 HZ T/min0 1 2




fMod = 730,2 HZ T/min0 1 2


f = 900 MHz f = 1750 MHz

Tabelle 4b: DNA-Untersuchungen in Bandleitungsmeßzelle (E-Netz): Optische Dichte für unterschiedliche Modulationsfrequenzen (P = 0 dBm)



fMod = 8,3 HZ T/min0 1 2




fMod = 730,2 HZ T/min0 1 2


P = 3 dBm T/min0 1 2












Auch die Bestimmung der Pha-gentiter bei exponierten undKontrollproben zeigte keinerleiauffällige Werte (Abb. 6).

Nach Abschluß der E-Netz-Unter-suchungen können wir feststellen,daß sich bei den durchgeführtenTests keinerlei Effekte bei den ex-ponierten Proben finden ließen.

4.3.4 DNA-Untersuchungen(D-Netz / E-Netz)

Die Untersuchungen wurden ineiner Bandleitungsmeßzelle ineinem Photometer durchgeführt.Signalquelle war der SME 03-Signalgenerator von Rohde &Schwarz. Variiert wurden dieFrequenz, die Modulationsfre-quenzen und zusätzlich die HF-Leistung.

Als Frequenzeinstellungen wur-den 900 MHz für die D-Netz-Messungen bzw. 1750 MHz fürdie E-Netz-Messungen gewählt.Die Ansteuerleistung lag bei 0 dBm, was einer Ausgangslei-stung von ca. 0,75 Watt (D-Netz)bzw. 0,88 Watt (E-Netz) ent-sprach. Als Modulationsfrequen-zen wurden wieder 2 Hz / 8.3 Hz/ 217 Hz & 730,2 Hz eingestellt.Folgende HF-Einstellungen wur-den gewählt:

Signalgenerator Rohde & SchwarzSME 03 & D-Netz-Verstärker SSBPA 910 / 30 dB• Frequenz: 900 MHz• Modulationsfrequenzen: 2 Hz,


1:8, 1:2,37• Ansteuerleistung 0 dBm:

P = 0,75 Watt im Burst• Elektrische Feldstärke in der

Meßzelle: uEyou = 577 V/m


Ergebnisse

Abbildung 7a: Ablauf enzymatischer Reaktionen für verschiedene Feldparameter (D-Netz)

Signalgenerator Rohde & SchwarzSME 03 & E-Netz-Verstärker SSBPA 1810 / 30 dB • Frequenz: 1750 MHz• Modulationsfrequenzen: 2 Hz,





Gemessen wurde die optischeDichte einer DNA-Lösung in einerBandleitungsmeßzelle über einenZeitraum von ca. 3 Minuten. Ver-gleichsmessungen mit einer nichtexponierten Probe und einer Was-serprobe erfolgten parallel. Die Er-gebnisse der Untersuchungen sindin den Tabellen 4a (D-Netz) und 4b(E-Netz) dargestellt. Abweichun-gen in der optischen Dichte zwi-schen den exponierten und nichtexponierten Proben traten nichtauf.

Zum Abschluß der Untersuchungenwurden noch die Ansteuerleistun-gen des Signalgenerators variiert(P = 3 dBm / 6 dBm / 9 dBm), ent-sprechend einer max. Ausgangslei-stung von ca. 8 Watt (bei 9 dBm).Die Modulationsfrequenz lag bei8,3 Hz. Auch hier gab es keinerleiHinweise auf mögliche feldstär-keabhängige Absorptionsmecha-nismen, die zu einer Schädigungder DNA führten (Tab. 4c).

4.3.5 Ablauf enzymati-scher Reaktionen (D-Netz /E-Netz)

Die Untersuchungen wurdenwieder in einer Bandleitungsmeß-zelle in einem Photometer durch-geführt. Signalquelle war derSME03-Signalgenerator von


Ergebnisse

Abbildung 7b: Ablauf enzymatischer Reaktionen für verschiedene Feldparameter (E-Netz)

Rohde & Schwarz. Variiert wur-den die Frequenz und die Modu-lationsfrequenzen.

Als Frequenzeinstellungen wur-den 900 MHz für die D-Netz-Mes-sungen bzw. 1750 MHz für die E-Netz-Messungen gewählt. DieAnsteuerleistung lag bei 0 dBm,was einer Ausgangsleistung vonca. 0,75 Watt (D-Netz) bzw. 0,88Watt (E-Netz) entsprach. Als Mo-dulationsfrequenzen wurden wie-der 2 Hz / 8,3 Hz / 217 Hz & 730,2Hz eingestellt. Folgende HF-Ein-stellungen wurden gewählt:

Signalgenerator Rohde & SchwarzSME 03 & D-Netz-Verstärker SSBPA 910 / 30 dB• Frequenz: 900 MHz• Modulationsfrequenzen: 2 Hz,





Signalgenerator Rohde & SchwarzSME 03 & E-Netz-Verstärker SSBPA 1810 / 30 dB• Frequenz: 1750 MHz• Modulationsfrequenzen: 2 Hz,





Die Ergebnisse der Untersuchun-gen sind in den Abbildungen 7a(D-Netz) und 7b (E-Netz) darge-stellt. Der zeitliche Verlauf derReaktion zeigt keinerlei signifi-kante Abweichungen zwischenexponierten Proben und nichtexponierten Proben.

5. Diskussion derbiologischenErgebnisse

Unsere Untersuchungen zur Wir-kung hochfrequenter gepulsterelektromagnetischer Felder aufbiologische Systeme (DNA, Enzy-me, Phagen und Bakterien) zeigtentrotz unterschiedlichster Versuchs-ansätze bei den verwendeten Ma-terialien und Versuchsparameternkeine nachweisbaren und gegebe-nenfalls reproduzierbaren Effekte.

Exponierte Proben und Kontroll-proben zeigten im Rahmen derMeßgenauigkeit gleiches Verhal-ten. Dies bedeutet, daß im Rahmenunserer Versuchs- und Meßbedin-gungen weder in vitro noch in vivoEffekte an Nukleinsäuren oderProteinen durch das elektromagne-tische Feld zu erkennen waren.

Allerdings wurden im Bereich desE-Netzes aus zeitlichen Gründennur in sehr eingeschränktem Um-fang Untersuchungen durchge-führt. Eine Ausdehnung der Experi-mente auf andere Feldparameterhalten wir für sinnvoll.

Die Versuchsbedingungen warendurchweg so gewählt, daß Effektehätten erkennbar sein müssen. Den-noch lassen sich kleine Effekte, dieunter Umständen erst über langeZeiträume zu meßbaren Schädigun-gen führen, mit unseren Meßan-ordnungen nicht unbedingt erken-nen. Von daher sollte bei der Aus-legung künftiger Experimente dieErfassung derartig geringer Effekteein wesentlicher Schwerpunkt sein.

Ansatzpunkte könnten hier sein:• Auslegung von hochselektiven

Experimenten ähnlich dem

Ames-Test, die auch die Erfas-sung geringster Effekte er-möglichen;

• Auslegung von DNA-Experi-menten mit dem Ziel, zu län-geren Expositionszeiten zukommen.

Als Ergebnis der Datenbankrecher-che erhielten wir eine Vielzahl un-terschiedlicher Wirkungsmodelle,die noch aus biophysikalischer Sichtbewertet werden sollten. Ein inter-essanter Ansatz ist beispielsweisedie Beeinflussung enzymatischerReaktionen an der DNA durch elek-tromagnetische Felder (Regulation,Transkription). Experimente in die-sem Bereich existieren bisher kaum.Auch hier sehen wir ein Feld fürweitere Forschungsarbeiten.

Ein Fazit unserer Untersuchungenist die Aussage, daß sich im Rah-men der durchgeführten Experi-mente mit den eingesetzten Un-tersuchungsmethoden und -mate-rialien keine meßbaren und re-produzierbaren Hinweise aufmögliche Schädigungen fanden.Auch ließen sich bei unseren Ex-perimenten keinerlei Hinweiseauf Effekte finden, wie sie vonunterschiedlichen Wirkungsmo-dellen vorhergesagt wurden. Diesbetrifft sowohl die Anregunggeometrischer Resonanzen bzw.von Eigenschwingungen bei bio-logisch aktiven Molekülen alsauch die Hydratation von Prote-inen im hochfrequenten em-Feld.

Gleichzeitig sehen wir jedoch dieNotwendigkeit weiterer For-schungsanstrengungen in unter-schiedlichsten Gebieten. Dies giltinsbesondere auch für den Be-reich möglicher Wirkungen gepul-ster elektromagnetischer Felderauf molekularer und zellulärerEbene.


Diskussion

• Bestimmbarkeit der Feldvertei-lung im Meßobjekt,

• Schirmung,• besondere meßtechnische An-

forderungen,• biologisch/physiologische Er-

fordernisse.

2.2 Feldverteilung vorEinbringen des Meß-objekts

In bisher veröffentlichten Unter-suchungen werden verschiedeneFeldtypen, z.B. fortschreitendeoder stehende Welle, Nahfeld,Feldtypen nur mit E- oder H-Feld-anteil, eingesetzt. Dabei gibt eszur Zeit keine Erkenntnis, daß beieinem bestimmten Feldtyp Wir-kungen wahrscheinlicher sind alsbei anderen. Auch ist die in derPraxis vorgegebene Exposition –z.B. Exposition von Nervenzellenin bestimmten Bereichen desmenschlichen Hirns bei Nutzungeines Mobilfunktelefons – vonden genannten Standardfällendurchaus verschieden. Die Aus-wahl des Feldtyps kann deshalb sovorgenommen werden, daß dieEindeutigkeit und Reproduzier-barkeit der Feldverteilung mög-lichst gut gewährleistet ist.

2.3 Größe des Meß-volumens

Die Größe des benötigten Meßvo-lumens ist zunächst durch das Vo-

1. Einleitung

Das Konzept für den Meßaufbaumuß gewährleisten, daß zum ei-nen das Versuchsziel Aufdeckungoder Ausschluß von möglichenWechselwirkungen erreicht wird,und daß zum anderen die Versu-che eindeutig reproduzierbar sindund dadurch jederzeit an einemanderen Ort durch andere Wis-senschaftler wiederholt werdenkönnen. Dabei ist zu berücksichti-gen, daß sich der Nachweis einesAusschlusses von Wirkungen im-mer nur auf eine konkrete Ver-suchskonfiguration mit heute ver-fügbaren Meß- und Auswertungs-methoden beziehen kann.

Die nachfolgenden Abschnitte be-schränken sich ausschließlich aufdie Darstellung der hochfre-quenztechnischen Aspekte desVersuchsaufbaus.

2. Auswahl der HF-Meßanordnung

2.1 Liste der Auswahl-kriterien

Um eine systematische Auswahlder Meßanordnung zu ermögli-chen, werden folgende einzelneGesichtspunkte diskutiert:• Auswahl der Feldverteilung vor

Einbringen des Meßobjekts,• Größe des Meßvolumens,• Auswahl der Signalform,

lumen der Lösung VL mit den Bak-terien, Viren oder biologisch akti-ven Molekülen und durch das Ge-fäß gegeben. Bei der Festlegungvon VL ist zu beachten, daß dieEindringtiefe von elektromagne-tischen Feldern in physiologischeLösungen besonders im oberenFrequenzbereich sehr gering ist.Damit ergibt sich in großen Volu-mina eine stark inhomogeneFeldverteilung. Die Feldexpositi-on der in der Lösung frei beweg-lichen Bakterien oder Viren istdamit je nach Aufenthaltsort un-terschiedlich. Hinsichtlich derhochfrequenztechnischen Seiteergibt sich daraus, daß die Volu-mina für die einzelnen Probenmöglichst klein gewählt werdensollten. Es werden hier Ampullenmit einer maximal möglichen Fül-lung von 1 cm

3verwendet. Zur

Beschleunigung der Experimenteist es sinnvoll, mehrere Probenauf einmal in der Meßanordnungzu untersuchen, wodurch sich dasbenötigte Meßvolumen drastischerhöht.

2.4 Auswahl derSignalform

Die im D- und E-Netz verwende-ten Signale sind sehr komplexaufgebaut, eine Reduktion aufeinfache Signalformen ist folglichimmer sehr willkürlich. Es wirddeshalb zunächst mit einem han-delsüblichen Gerät, das in einemTestmodus „Senden“ betreibbarist, gearbeitet. Es muß jedoch be-tont werden, daß man damit nureinen speziellen Betriebszustandrealisiert.

Die Frequenzen und erforderli-chen Bandbreiten für das D- undE-Netz sind:


Einleitung

TEIL ZWEI:

HF-Expositionssystem

D-Netz:• Verbindung BS → MS:

935 MHz - 960 MHz• Verbindung MS → BS:

890 MHz - 915 MHz• 124 Kanäle im Abstand von

200 kHz• Modulationsverfahren GMSK

(Gaussian Minimum Shift Key)

E-Netz:• Verbindung FuFst → Mobil:

1805 MHz - 1880 MHz• Verbindung Mobil → FuFst:

1710 MHz - 1785 MHz• 374 Kanäle im Abstand von

200 kHz• Modulationsverfahren GMSK

Experimente, die mit diesenSignalformen durchgeführt wer-den sollen, erfordern also keinenbesonderen Aufwand hinsichtlichder Bandbreite!

Signale nach dem GSM-Standardsind vor allem durch drei Parame-ter gekennzeichnet:• Frequenz des Trägers,• Länge der Bursts von 0,577 ms,• Abstand zwischen zwei Bursts

von 4,6 ms bis 0,5 s je nach Ge-sprächsmodus.

Um Auswirkungen von Modifika-tionen der Signalform nach demGSM-Standard zu untersuchen,werden zusätzlich amplitudenmo-dulierte Signale mit den Träger-frequenzen 900 MHz und 1750MHz eingesetzt. Das Modulations-

signal ist eine Rechteckfunktion(Modulationsgrad 1) mit einerPulsbreite von 0,577 ms und einerFrequenz von 2 Hz, 8,3 Hz, 217 Hzund 730,2 Hz. Die ersten drei Fre-quenzen ergeben sich aus demGSM-Standard (2 Hz SID, 8,3 HzMeasurement, 217 Hz Talk-Mo-dus). Die letzte Frequenz ist dieZyklotronresonanzfrequenz oderLarmorfrequenz des Wasserstoff-ions im Erdmagnetfeld.

2.5 Bestimmbarkeit der Feldverteilung im Meßobjekt

Um bei begrenzten Rechnerkapa-zitäten eine möglichst realistischeModellierung der Anordnungdurchführen zu können, sollte dieGeometrie so einfach wie möglichgewählt werden. Es bietet sichdeshalb der Einsatz einer Recht-eckhohlleitung mit einer fort-schreitenden H10-Welle an, wobeisich die Querschnittsabmessungenaus den Frequenzen des D- und E-Netzes ergeben. Die erforderli-chen Längsabmessungen resultie-ren aus der Größe des benötigtenMeßvolumens, d.h. vor allem ausder Anzahl der Proben, die gleich-zeitig dem Feld ausgesetzt wer-den sollen. Selbstverständlichkommt die Wahl einer im Grund-modus betriebenen Rechteckhohl-leitung auch der eingangs gestell-

ten Forderung nach Eindeutigkeitder Feldverteilung entgegen.

Um das Feld in einem erstenSchritt qualitativ numerisch ana-lysieren zu können, werden dieWände der Gefäße zunächst ver-nachlässigt. Die Bereiche mit denLösungen sind entsprechend derForderung

∆V = (∆i)3, i = x,y,z, mit ∆i ≤ λeff

10

zu diskretisieren. Zur Verdeutli-chung sei folgendes Beispiel ge-geben:

D-Netz: ƒ = 900 MHz → λ0 = 333 mmHohlleitung: R9 247,65 x 123,80 mm

2

Länge der Meßzelle: 900 mmVolumen einer Probe: 4000 mm

3

Zur Diskretisierung dieser Meßzel-le mit 15 Proben auf der Mittel-achse benötigt man ca. 700.000Gitterpunkte. Für die Diskretisie-rung des Übergangs Koaxialkabel-Rechteckhohlleitung sind zusätz-lich ca. 200.000 Gitterpunkte er-forderlich. Damit ist das Problemauf einer Workstation mit 128 MBRAM noch rechenbar. Rechener-gebnisse werden im Abschnitt 4vorgestellt. Die numerische Analy-se einer Hohlleitermeßanordnungwird durch sehr genau ausführba-re Streuparametermessungen ab-gesichert.

2.6 Schirmung

Die Hohlleitermeßzelle kann fürhochfrequente Felder vollständigabgeschirmt ausgeführt werden.Eine Schirmwirkung hinsichtlichniederfrequenter Magnetfelderist technisch nur sehr aufwendigerreichbar.


Meßanordnung

Abbildung 1: Versuchsaufbau

Lösung: εr = 73,9 – j6,6 900 MHzεr = 73,4 – j8,1 1800 MHz6 37°CKomplettagar: εr = 76,4 – j32,0 900 MHzεr = 73,9 – j21,7 1800 MHz

Ansonsten sind die Experimenteso konzipiert, daß keine besonde-ren biologischen / physiologischenErfordernisse wie z.B. Belüftungnotwendig sind.

2.7 Besondere meßtech-nische Anforderungen

Da der Versuchsaufbau sehr ein-fach und damit sehr genau defi-niert ist, sind hinsichtlich derhochfrequenztechnischen Aspektekeine besonderen meßtechni-schen Anforderungen zu stellen.Vor allem kann auf eine meßtech-nisch aufwendige und kritischeAbtastung des Feldes in der Hohl-leitung durch Sensoren usw. ver-zichtet werden.

2.8 Biologische / physio-logische Erfordernisse

Die Untersuchungsobjekte befin-den sich entweder in Ampullenmit einer Nährlösung (10 mM Tris7,4, 1 mM MgCl2, 0,1% NaCl) oderin einer Petrischale auf Komplett-agar. Die Dielektrizitätskonstan-ten beider Substanzen wurdenmeßtechnisch (HP Netzwerkanaly-sator mit Dielectric Probe KitHP85070B) bestimmt zu:

3. Meßaufbau

3.1 Komponenten desMeßaufbaus

In diesem Abschnitt werden alleKomponenten des Meßaufbausaufgeführt. In den folgendenAbschnitten 3.2 und 3.3 werdenzusätzlich die selbsterstelltenBauteile erläutert.


Meßaufbau

Abbildung 3.1: Streuparameter der leeren Hohlleitung mitÜbergängen (D-Netz, S11 (————), S21 (- - - - - -))

Abbildung 2: KonstruktionszeichnungÜbergang Koaxialkabel-Hohlleitung (D-Netz)

Abbildung 3.2: Streuparameter der leeren Hohlleitung mitÜbergängen (E-Netz, S11 (————), S21 (- - - - - -))

Der Meßaufbau besteht aus fol-genden Komponenten (Abb. 1):• Handelsübliches GSM- oder

DCS 1800-Telefon (D- oder E-Netz) als Sender mit koaxia-lem Ausgang (50 Ω)

• Signalgenerator, Typ Rohde &Schwarz SME 03

• Endverstärker, D-Netz: TypSSB-Elektronik PA 910, E-Netz:Typ PA 1810

• Richtkoppler in koaxialer Tech-nik, D-Netz: 20 dB, Typ NardaMicrowave 3001-20, E-Netz: 10 dB, Typ 3002-10

• Leistungsmesser, Typ HP 436A• Übergang Koaxialkabel-H10-

Rechteckhohlleitung (Eigenbau)• Meßzelle (Eigenbau)• Übergang H10-Rechteckhohl-

leitung-Koaxialkabel (Eigen-bau)

• Leistungsdämpfungsglied inkoaxialer Technik, Typ RLC-

Electronics A-201-20N• Crystal-Detector, Typ HP 420 A• 50 Ω Abschluß in koaxialer

Technik, Typ HP 908 A

Mit Hilfe des Leistungsmessers läßtsich kontrollieren, ob der Sendereinwandfrei arbeitet. Durch dieVerwendung des rechten zweitenÜbergangs Rechteckhohlleiter-Koaxialkabel mit Leistungsdämp-fungsglied und Abschluß in koaxia-ler Technik wurde der Einsatz einesLeistungsabsorbers in Hohlleiter-technik, der deutlich höhereBaulängen besitzt, vermieden.

3.2 Hohlleitungsbautei-le für das D-Netz

Es bietet sich die Hohlleitung R9mit den Querschnittsabmessun-

gen (Innenmaße) 247,65 x 123,80mm

2an. Der nutzbare Frequenz-

bereich ist 760 MHz bis 1150MHz, wobei die Bandgrenzedurch 1,25 fc und 1,9 fc mit fc

gleich der Grenzfrequenz derH10-Welle definiert ist. Offen-sichtlich ist die Bandbreite fürdas GSM-Signal bereits ausrei-chend. Die Länge der Meßzellevon 900 mm wurde so gewählt,daß zum einen die gesamteMeßanordnung in einer Klima-kammer untergebracht werdenkann, und andererseits ein mög-lichst großes Meßvolumen zurVerfügung steht.

Als Material für den Übergangund die Meßzelle wurde Messingverwendet. Die Konstruktion desÜbergangs Rechteckhohlleitung-Koaxialkabel ist aus Abbildung 2ersichtlich.


Meßaufbau

Abbildung 4.1: Betrag der elektrischen Feld-stärke, Probenreihe auf derHohlleitungsachse (D-Netz, 30Proben, Probenvolumen 1 cm3)

Abbildung 4.2: Betrag der elektrischen Feld-stärke, Probenreihe quer zurHohlleitungsachse (D-Netz, 30Proben, Probenvolumen 1 cm3)

Zur Kontrolle des Übergangs undder leeren Meßzelle wurden dieStreuparameter S11 und S21 gemes-sen (Abb. 3.1). In dem interessie-renden Bereich ist uS11u kleiner als -20 dB und uS21u ungefähr gleich 1im Rahmen der Meßgenauigkeit.Damit ist die Anordnung für diegewünschten Messungen deutlichbesser als erforderlich. Die nume-rische Analyse zeigt, wie zu er-warten, den glatten Verlauf derH10-Welle.

3.3 Hohlleitungsbau-teile für das E-Netz

Es bietet sich die Hohlleitung R18mit den Querabmessungen (Innen-maße) 129,54 x 64,77 mm

2mit dem

nutzbaren Frequenzbereich 1450MHz bis 2200 MHz an. Die Längeder Meßzelle wurde zu 995 mm ge-wählt. Die Abmessungen des Über-gangs Koaxialkabel-Hohlleitung er-hält man aus denen des D-Netzesdurch einfache Skalierung.

Abbildung 3.2 zeigt die Meßwer-te der uS11u und uS21u · uS11u liegt iminteressierenden Frequenzbereichunter -15 dB, uS21u über -0,3 dB,was ausreichend ist. Deutlich bes-sere Werte sowohl für das D-Netzwie für das E-Netz kann man er-zielen, wenn man • statt der preiswerten Kabel

und Anschlüsse in N-Technikaufwendige Präzisionsbauteileverwendet und

• Abstimmelemente anbringt.

Dieser zusätzliche Aufwand ist hierjedoch nicht angebracht, da dieAusgangsimpedanz des Mobilfunk-gerätes nur mit 50 Ω ± 2 Ω angege-ben wird und durch das Einbringendes Meßobjektes ebenfalls Störun-gen erfolgen (siehe Abschnitt 4).


Analyse

Abbildung 4.3: Numerierungder Proben

Tabelle 1.1: Feldstärke [V/m] in den Proben (D-Netz, Volumen 1,0 cm3), Feldstärke der anregenden H10-Welle auf der Hohlleitungsachse 181,6 V/m.

Max. Abweichung: uEPr 1,5u = 0,828uEPr 2,1u

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

3 19,72 18,14 17,34 16,79 16,47 16,47 16,70 17,11 17,79 19,71 2 19,88 18,18 17,32 16,83 16,52 16,52 16,74 17,15 17,83 19,34 1 19,72 18,14 17,34 16,79 16,47 16,47 16,70 17,11 17,79 19,71

Tabelle 1.3: Feldstärke [V/m] in den Proben (D-Netz, Volumen 0,1 cm3) Feldstärke der anregenden H10-Welle auf der Hohlleitungsachse 181,6 V/m.


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

3 17,82 17,04 16,68 16,37 16,24 16,19 16,23 16,36 16,65 17,432 18,14 17,26 16,89 16,58 16,45 16,41 16,45 16,58 16,88 17,771 17,82 17,04 16,68 16,37 16,24 16,19 16,23 16,36 16,65 17,43

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

3 4,26 4,22 4,17 4,14 4,12 4,12 4,14 4,12 4,19 4,232 4,40 4,33 4,28 4,25 4,23 4,23 4,24 4,27 4,30 4,351 4,26 4,22 4,17 4,14 4,12 4,12 4,14 4,12 4,19 4,23

Tabelle 1.2: Feldstärke [V/m] in den Proben (D-Netz, Volumen 0,5 cm3), Feldstärke der anregenden H10-Welle auf der Hohlleitungsachse 181,6 V/m.


4. Analyse der Meß-zelle mit Probe

4.1 D-Netz

Die Gefäße mit den Probenwerden innerhalb der Hohllei-tung in einen Styroporblock ge-stellt. Vorabmessungen des lee-ren Blockes bestätigen, daß die-ser keinen meßbaren Einfluß aufdie Ausbreitung der H10-Wellehat.

Ziel der durchgeführten numeri-schen Analyse ist es zu gewähr-leisten, daß das Feld in den Pro-ben eindeutig bestimmt und re-produziert werden kann. DiesesZiel ist besonders einfach er-reichbar, wenn die Proben nureine lokale Störung des H10-Fel-des darstellen. Rechnungen mitnur einer Probe mit bis zu 5 cm

3

Volumen zeigten unmittelbar,daß diese Bedingung erfüllt ist.Wünschenswert ist jedoch, daßzur Beschleunigung der Experi-mente möglichst viele Proben


Analyse

Abbildung 4.4: Betrag der elektrischen Feld-stärke, Probenreihe auf derHohlleitungsachse (D-Netz, 30 Proben, Probenvolumen 0,5 cm3)

Abbildung 4.5: Betrag der elektrischen Feld-stärke, Probenreihe quer zurHohlleitungsachse (D-Netz, 30Proben, Probenvolumen 0,5 cm3)

Abbildung 4.6: Betrag der elektrischen Feld-stärke, Probenreihe auf derHohlleitungsachse (D-Netz, 30 Proben, Probenvolumen 0,1 cm3)

Abbildung 4.7: Betrag der elektrischen Feld-stärke, Probenreihe quer zurHohlleitungsachse (D-Netz, 30 Proben, Probenvolumen 0,1 cm3)

unterschiedlichen Positionen derProben zueinander, sind dieFeldverteilungen in den Probenleicht unterschiedlich. Für einequantitative Diskussion werdendie Proben entsprechend Abbil-dung 4.3 durchnumeriert. Tabel-

auf einmal untersucht werdenkönnen. Dazu wurden verschie-dene Anordnungen untersucht.Für die Rechenergebnisse in denAbbildungen 4.1 und 4.2 wurden30 Proben von je 1 cm3 in dreiReihen mit einem Abstand von20 mm in der Hohlleitung ange-nommen. In Abbildung 4.1 istdie Pegelverteilung des elektri-schen Feldes im Längsschnittdurch die mittlere, auf der Hohl-leitungsachse befindliche Pro-benreihe dargestellt. Man er-kennt, daß der Pegel im Bereichder Probe nahezu konstant ist.Insbesondere erfährt die H10-Welle keine merkliche Dämp-fung. Abbildung 4.2 zeigt einenSchnitt quer zur Hohlleitungs-achse. Wegen des kosinusförmi-gen Abfalls der elektrischenFeldstärke der H10-Welle zumRand hin, aber auch wegen der

le 1.1 gibt die elektrische Feld-stärke in V/m jeweils in der Pro-benmitte an.

Für zwei weitere Rechnungenwurden Volumina von 0,5 cm

3

und 0,1 cm3

gewählt. In den


Analyse

Abbildung 5.2: Betrag der elektrischen Feld-stärke in der Petrischale querzur Hohlleitungachse (D-Netz, ø 8 cm, Probenvolumen 25 cm3)

Abbildung 5.1: Betrag der elektrischen Feld-stärke in der Petrischale auf der Hohlleitungachse (D-Netz, ø 8 cm, Probenvolumen 25 cm3)

Abbildung 4.8:Streuparameterder Hohlleitungmit Übergängen(D-Netz), 30 Pro-ben, Probenvo-lumen 1 cm3, (S11 (————),S21 (- - - - - -))

Abbildungen 4.4 bis 4.7 sind wie-der die Pegellinien für den Längs-schnitt durch die Hohlleitungs-achse und für einen Schnitt querzur Achse dargestellt. Anhand derFarbkodierung erkennt man, daßsich die Feldverteilungen in deneinzelnen Proben mit Abnahme

des Probevolumens deutlich we-niger unterscheiden. Dieses wirddurch die Tabellen 1.2 und 1.3bestätigt.

Die Frage, welche Abweichun-gen für die Feldstärke in denProben im Rahmen der hier

durchzuführenden Experimentetolerierbar sind, ist mit dem jet-zigen Kenntnisstand nicht ein-deutig klärbar. Eine geringe Ab-weichung erhält man offensicht-lich mit weniger Proben pro Ex-periment, allerdings ist dannauch die Anzahl der auswertba-ren Proben geringer, wodurchdie Basis für die statistische Aus-wertung schmaler wird. Da essich hier um Experimente zumAuffinden von möglichen Effek-ten handelt, wurde die höhereProbenzahl als wichtigeres Krite-rium eingestuft.

Das numerisch ermittelte Ergebnisder geringen Rückwirkung derProben auf die H10-Welle läßt sichmeßtechnisch bestätigen. Dazuwurden die Streuparameter S11

und S21 an Probenvolumina von 1 cm

3gemessen (Abb. 4.8). Der

Vergleich mit Abbildung 3.1


Analyse

Abbildung 6.2: Betrag der elektrischen Feld-stärke, Probenreihe quer zurHohlleitungsachse (E-Netz, 30Proben, Probenvolumen 1 cm3)

Abbildung 6.1: Betrag der elektrischen Feld-stärke, Probenreihe auf derHohlleitungsachse (E-Netz, 30Proben, Probenvolumen 1 cm3)

Abbildung 5.3:Streuparameter der Hohlleitung mit Übergängen

(D-Netz), Petrischale,

ø 8 cm, Proben-volumen 25 ml,(S11 (————),

S21 (- - - - - -))

zeigt, daß bereits für diese relativgroßen Proben gegenüber derleeren Hohlleitung nur unwesent-liche Änderungen eingetretensind.

Die Abbildungen 5.1 und 5.2zeigen die berechnete Feldstärke-verteilung für eine Petrischalevon 8 cm Durchmesser, die mit 25 ml der Lösung gefüllt ist. ImVergleich zu den 30 Ampullen mitje 1,0 cm

3Probenvolumen ist die

Rückwirkung nur unwesentlichhöher.

Es wurden auch Streuparameter-messungen an der Hohlleitungs-meßzelle, die mit einer Petrischa-le (Inhalt 25 ml) belastet ist,durchgeführt (Abb. 5.3). Auch indiesem Fall zeigt sich kaum eineRückwirkung auf uS11u und uS21u. Esmuß jedoch festgehalten werden,daß erst die ausführliche, detail-lierte numerische Analyse konkre-te Aussagen ermöglicht.

4.2 E-Netz

Die zum vorherigen Abschnittanalogen Rechnungen für das E-Netz an Volumina von 1 cm

3

werden in den Abbildungen 6.1und 6.2 dargestellt. Da der Quo-tient Probenvolumen/(Wellenlän-ge)

3um den Faktor 8 größer als

beim D-Netz ist, ist die Rückwir-kung beim E-Netz wesentlichgrößer. Die Anordnung von 30Proben führt zu einer deutlichenFehlanpassung und Dämpfungder H10-Welle, was besonders ausAbbildung 6.3 ersichtlich ist. DieFehlanpassung äußert sich inForm einer stehenden Welle imBereich vor den Proben, dieDämpfung in Form einer Amplitu-denabsenkung hinter den Proben.


Analyse

Tabelle 2.1: Feldstärke [V/m] in den Proben (E-Netz, Volumen 1,0 cm3), Feldstärke der anregenden H10-Welle auf der Hohlleitungsachse 363,7 V/m.

Tabelle 2.2: Feldstärke [V/m] in den Proben (E-Netz, Volumen 0,1 cm3), Feldstärke der anregenden H10-Welle auf der Hohlleitungsachse 363,7 V/m.


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

3 35,54 38,00 36,76 32,18 33,75 38,44 37,00 31,17 31,52 40,042 54,45 61,86 58,13 51,58 53,81 61,99 59,06 50,22 50,74 60,221 35,54 38,00 36,76 32,18 33,75 38,44 37,00 31,17 31,52 40,04

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

2 10,87 10,76 10,83 10,96 11,04 10,99 10,87 10,78 10,76 10,861 10,87 10,76 10,83 10,96 11,04 10,99 10,87 10,78 10,76 10,86

Abbildung 6.4:Streuparameterder Hohlleitungmit Übergängen(E-Netz), 20 Pro-ben, Probenvo-lumen 1 cm3, (S11 (————),S21 (- - - - - -))

Abbildung 6.3:Betrag der elek-trischen Feldstär-ke, Probenreiheauf der Hohl-leitungsachse (E-Netz, 30 Pro-ben, Probenvo-lumen 1 cm3)

Auch im Bereich der Probenkommt es zu großen Feldstärke-unterschieden, wie aus Tabelle2.1 ersichtlich.

Für die Streuparametermessungenwurde deshalb die Zahl der Pro-

ben auf 20 herabgesetzt. Abbil-dung 6.4 zeigt, daß uS21u noch über-0,1 dB und uS11u unter -15 dB liegt.Es ist jedoch festzustellen, daßsich der Kurvenverlauf von uS11ugegenüber dem der leeren Hohl-leitung geändert hat.

Erst die Verringerung des Pro-benvolumens auf 0,1 cm

3bei 20

Proben in zwei symmetrisch zurHohlleitungsachse angeordnetenReihen im Abstand von 40 mmbrachte die gewünschte Reduzie-rung der Rückwirkung (Abb. 6.5bis 6.7). Aus Tabelle 2.2 ist er-sichtlich, daß sich jetzt auch dieFeldstärkewerte in den einzel-nen Proben nur geringfügig un-terscheiden.

Es soll jedoch betont werden,daß eine definierte und repro-duzierbare Feldverteilung auchbei hoher Dämpfung erreichtwerden kann. Man muß dann je-doch zusätzlich beachten, daßbei mehreren Proben in derHohlleitung das Feld vom Ortder Probe in der Probenhalte-rung abhängt und daß bei einergrößeren Probe die Feldvertei-lung in der Probe stark inhomo-gen sein kann.


Analyse

Abbildung 6.5: Betrag der elektrischen Feld-stärke, Probenreihe bei x = -0,02 m parallel zur Hohl-leitungsachse (E-Netz, 20 Pro-ben, Probenvolumen 0,1 cm3)

Abbildung 6.6: Betrag der elektrischen Feld-stärke, Probenreihe bei z = 0,255 m quer zur Hohl-leitungsachse (E-Netz, 20 Pro-ben, Probenvolumen 0,1 cm3)

Abbildung 6.7:Betrag der elek-

trischen Feld-stärke in einem

Längsschnittdurch eine Pro-

benreihe (E-Netz,20 Proben,

Probenvolumen0,1 cm3)

Welle berechnen sich aus denGleichungen

Hz = H0 cos (kxx)e–jkzz

Ey = –jωµ0 H0 sin (kxx)e–jkzz

kx

Hx = j kz H0 sin (kxx)e–jkzz

,kx

mit kx = π/a und kz = Ïω2ε0µ0 – kx2

und die transportierte Leistungaus der Gleichung

ãP = 1 ab kz ωµ0H02

.4 kx

2

Damit ergibt sich der Betrag uEy0uder Feldstärke in der Mitte der

5. Bestimmung derFeldstärke in derProbe

5.1 D-Netz

5.1.1 Feldstärke der unge-störten H10-Welle

Als Sender wird – wie bereits ge-sagt – entweder ein Mobiltelefon(D-Netz) oder ein Signalgeneratorverwendet. Das Mobiltelefon wirdmit Hilfe eines PCs auf den TestModus „Senden“-Dauerbetriebeingestellt. Die Sendefrequenz ist900 MHz, die Sendeleistung desMobiltelefons läßt sich in 15 Stu-fen einstellen. Die Versuche wer-den ausschließlich mit der Lei-stungstufe 2, d.h. mit ãP = 8 W ge-fahren. Dabei bezieht sich die Lei-stungsangabe auf die zeitlich ge-mittelte Sendeleistung währendeines Pulses ãP. Der Zusammen-hang zwischen ãP und der mittle-ren Sendeleistung ist genähert:

Pmittel = T1 – T0 · ãP T2 – T0

= 0,577 ms · 8 W = 1 W4,614 ms

Da es sich nicht um ideale Recht-eckimpulse handelt, liegt diemittlere abgegebene Leistung et-wa 25 - 35 % niedriger. Dies wirddurch die Anzeige des Leistungs-meßgeräts von 6,7 mW (mit 20dB-Koppler) bestätigt. Da der Re-flexionsfaktor unter 20 dB liegt,kann die reflektierte Leistung ver-nachlässigt werden.

Beim Einsatz des Signalgeneratorswurde mit ãP = 8 W und ãP = 2 WSendeleistung gearbeitet.

Die Feldkomponenten der H10-

Hohlleitung, bezogen auf dieWurzel der transportierten Lei-stung, zu

uEy0u = Ï ωµ0 (1)ÏãP 4

1abkz

Als zugeschnittene Größenglei-chung ergibt sich für ƒ = 900 MHz

uEy0u2

= 6,651 · 10-2 Ω

ãP mm2

oderuEy0u = 258ÏãP[W] V . (2)

m

Für ãP ist hier die zeitlich gemittel-te Leistung während eines Impul-ses einzusetzen.


Feldstärke

Abbildung 7.1:Betrag der elek-trischen Feld-stärke in derHohlleitung aufeiner Linie, diesenkrecht durchdie Probe (2,5)führt (D-Netz,30 Proben,Probenvolumen1 cm3)

Abbildung 7.2:Betrag der elek-trischen Feld-stärke in derHohlleitung aufeiner Linie, diesenkrecht durchdie Probe (2,5)führt (D-Netz,30 Proben,Probenvolumen0,1 cm3)

5.1.2 Feldstärke undspezifische Absorptionsrate(SAR) in den Proben

Die Abbildungen 7.1 und 7.2 zei-gen die Beträge der elektrischenFeldstärke entlang der Mittelachseder Probe (2,5) für 1,0 cm

3und 0,1

cm3

Probenvolumen. Zur Verdeutli-chung der auftretenden Effektesind die einzelnen Abschnitte derKurven mit Hilfe von Ziffern derGeometrie zugeordnet. Anhanddieser Ergebnisse läßt sich einezunächst widersprüchlich erschei-nende Aussage der Tabellen 1.1 bis1.3 deuten: Aufgrund der hohenDämpfung der Flüssigkeit würdeman vermuten, daß die Feldstärkeim Inneren des 0,1 cm

3Volumens

größer ist als die im 1,0 cm3

Volu-men. Da jedoch mit der Reduzie-rung der Höhe des zylindrischenMeßvolumens auch der Anteil derOberfläche parallel zu dem anre-genden Feld abnimmt, verringertsich auch die Höhe des eingekop-pelten Feldes.

Die Berechnung der SAR-Werte inden Proben wird für den geome-trischen Probenmittelpunktdurchgeführt. Aus Gleichung 2ergibt sich bei ãP = 8 W Sendelei-stung während eines Bursts fürdie Feldstärke auf der Mittelachseder Hohlleitung

uEy0u = 729 V .m

Die numerischen Untersuchun-gen wurden für uEy0u = 181,6 V/mdurchgeführt, so daß sich ein Um-rechnungsfaktor von

FD = 4,01

ergibt. In der Mitte der Probe (2,5)mit 0,1 cm

3Volumen tritt folglich

bei ãP = 8 W während eines Burstseine Feldstärke von 16,96 V/m auf.Die spezifische AbsorptionsrateSAR berechnet sich aus

SAR = 1 κ uWEu22 ρ

mit κ = 0,33 1/Ωm und WE gleichder elektrischen Feldstärke in

dem betrachteten Aufpunkt. Manerhält für SAR während einesBursts von 8 W

SAR (8W) = 0,047 W .kg

Für die Materialdichte ρ wird1000 kg/m

3angesetzt.

Bei einer Sendeleistung von 2 Watt ist die Feldstärke mit demFaktor 0,5 und der SAR-Wert mitdem Faktor 0,25 zu multipli-zieren.

Zur Berechnung des zeitlichgemittelten SAR-Wertes beiGesprächsmodus ist anstelle derLeistung ãP die gemittelte Sen-deleistung Pmittel einzusetzen.Man erhält dort für die Probenmit 0,1 cm

3Volumen

SAR (8W)mittel = 5,93 mW .kg

Die Feldverteilung in der Petri-schale (25 cm

3Komplettagar hat

eine Höhe von 5 mm) ist aus den


Feldstärke

Abbildung 8.1: Betrag der elektrischen Feldstärke in der Hohllei-tung mit Petrischale in der Ebene z = 0,265 m quer zur Hohllei-tungsachse (D-Netz, ø 8 cm, Probenvolumen 25 cm3)

Abbildung 8.2: Betrag der elektrischen Feldstärke in der Hohllei-tung mit Petrischale in der Ebene y = -0,057 m parallel zur Hohllei-tungsachse (D-Netz, ø 8 cm, Probenvolumen 25 cm3, Abstand vomBoden der Schale 3,5 mm)

in der vom Hersteller angegebe-nen Toleranz. Aus Gleichung 1ergibt sich mit den Abmessungender E-Netz Meßzelle für f = 1800MHz

uEy0u = 484,5 · ÏãP[W] V .m

5.2.2 Feldstärke undspezifische Absorptionsrate(SAR) in den Proben

Die Abbildungen 9.1 und 9.2 zei-gen die Beträge der elektrischenFeldstärke entlang der Mittelach-se der Probe (1,5) bei der zweirei-higen Anordnung für 1,0 cm

3und

0,1 cm3. Auch bei 1,8 GHz erhält

man eine Verringerung der Feld-stärke im Probenvolumen bei des-sen Reduzierung.

Nach Gleichung 2 erhält man fürdie Feldstärke auf der Mittelachsewährend eines Bursts bei ãP = 1 W

uEy0u = 484,5 V .m

Die numerischen Untersuchun-gen wurden für uEy0u = 363,7 V/mdurchgeführt, so daß sich ein Um-rechnungsfaktor von

FD = 1,33

ergibt. In der Mitte der Probe(1,5) mit 0,1 cm

3Volumen tritt

folglich bei ãP = 1 W währendeines Bursts eine Feldstärke von14,68 V/m auf. Für SAR erhältman mit κ = 0,81 1/Ωm

SAR (1W) = 0,087 W .kg

Abbildungen 8.1 und 8.2 und derTabelle 3 ersichtlich.

Dabei ist zu beachten, daß in Ab-bildung 8.2 der Wert uWEu = 0 ober-halb der Darstellung liegt, damitbei der perspektivischen Darstel-lung der Feldstärkeverlauf in derProbe nicht durch den Verlaufaußerhalb der Probe verdecktwird. Die Feldstärke hat am Randund am Boden der Petrischale ih-re niedrigsten Werte. In der Pro-benmitte ist die numerisch ermit-telte Feldstärke 8,23 V/m. Im Ver-such ergibt sich damit eine Feld-stärke von 4,01·8,23 V/m = 33,00V/m (ãP = 8 W) und eine spezifischeAbsorptionsrate (κ = 1,6 1/Ωm)

SAR (8W) = 0,871 Wkg

undSAR (8W)mittel = 109 mW .

kg

5.2 E-Netz

5.2.1 Feldstärke der unge-störten H10-Welle

Als Sender wird nun ein Mobil-telefon (E-Netz, 1,8 GHz) im Test-betrieb eingesetzt. Die Sende-leistung während eines Burstsbeträgt

ãP = 1 W

Damit ergibt sich Pmittel = 0,125W. Die vom Leistungsmeßgerätangezeigte Leistung von 9,7 mW(mit 10 dB-Koppler) liegt damit

Der zeitlich gemittelte SAR-Wertbei Gesprächsmodus ist damit

SAR (1W)mittel = 10,91 mW .kg

6. PhotometrischeUntersuchungen

6.1 Meßaufbau

Die photometrische Untersuchungder Absorption von Licht bei be-stimmten Wellenlängen ist einesehr effektive Untersuchungsme-thode im Rahmen der Molekular-biologie. Hierbei handelt es sichum ein sehr empfindliches Meß-verfahren, das insbesonderegegenüber unerwünschtem Licht-einfall geschützt sein muß. DieDurchführung solcher Untersu-chungen erfolgt üblicherweise mitkommerziellen Meßgeräten. BeiExperimenten zur Beeinflussungvon biologischen Proben durchhochfrequente elektromagnetischeWellenfelder muß die Probewährend des Experiments einemdefinierten Feld ausgesetzt wer-den, wobei die besondere Proble-matik darin besteht, daß das vor-wiegend metallische Photometernicht insgesamt dem Feld ausge-setzt werden kann und auch dereigentliche metallische Probenhal-ter die Probe fast komplett um-schließt. Aus diesem Grund wurdeeine Feldexpositionseinrichtungentworfen, die die biologische Pro-be in einer quaderförmigen Kunst-stoff- oder Quarzglasküvette di-rekt umschließt und zusammen mitder Küvette in den Probenhaltereingeführt wird. Die Expositions-einrichtung auf der Grundlage ei-ner Bandleitung wurde so dimen-sioniert und optimiert, daß bei ge-


Untersuchungen

Tabelle 3: Feldstärke [V/m] auf der Mittelachse der Petrischale (D-Netz, Volumen 25 cm3),Feldstärke der anregenden H10-Welle auf der Hohlleitungsachse 181,6 V/m.

Höhe in Probe 0,5 mm 1,5 mm 2,5 mm 3,5 mm 4,5 mm

uEWu in V/m 4,40 6,67 8,23 9,80 11,04

gebener zugeführter Leistung miteiner wasserähnlichen Probe einmöglichst geringer Anteil der Lei-stung reflektiert wird.

6.2 Aufbau des Meß-platzes

In Abbildung 10.1 ist der Proben-halter des verwendeten Photo-meters zu sehen. Die Kunststoff-oder Quarzglasküvetten werdenjeweils in einen rechteckigen me-tallischen Hohlraum mit einemDurchsichtfenster für den Licht-

strahl eingeführt. Um eine mög-lichst homogene Feldverteilung inder Probenflüssigkeit und einemöglichst geringe Beeinflussungdes Feldes durch die metallischen

Wände des Probenhalters zu er-reichen, wurde die Feldexposi-tionseinrichtung auf der Grundla-ge einer Bandleitung entworfen.Um möglichst geringe Reflexio-nen des HF-Signals, das mit einer50-Ω-Koaxialleitung zugeführtwird, zu erhalten, muß die Band-leitung so dimensioniert werden,daß ihr Wellenwiderstand bei Fül-lung mit einer wäßrigen Flüssig-keit und Vorhandensein des me-tallischen Probenhalters 50 Ω be-trägt. Bei Annahme eines verlust-freien Dielektrikums ergibt sichder Leitungswellenwiderstandeiner idealen Bandleitung (ohneStreufelder) zu

ZL = Z0

1 a,

Ïεr b

wobei Z0 der Feldwellenwider-stand des freien Raums ist (Def.von a,b siehe Abb. 10.1). Auf-grund der hohen Dielektrizitäts-konstante einer wäßrigen Probeist die Annahme, daß das Feldsehr stark zwischen den beidenLeitern konzentriert ist, sehr guterfüllt. a ist durch die Abmessun-gen der Küvetten zu a = 13 mmvorgegeben. Mit einem ε r = 80ergibt sich b = 11 mm. Die metal-lische Umhüllung durch den Pro-benhalter führt zu einer Verringe-rung des Feldwellenwiderstands,weshalb eine Breite b = 7 mm ge-wählt wurde. Die Metallisierun-gen der Bandleitung wurden auf


Untersuchungen

Abbildung 10.1: Probenhalter mitBandleitungsmeßzelle

Abbildung 9.1:Betrag der elek-trischen Feld-stärke in derHohlleitung aufeiner Linie, diesenkrecht durchdie Probe (1,5)führt (E-Netz,20 Proben,Probenvolumen1 cm3)

Abbildung 9.2:Betrag der elek-trischen Feld-stärke in derHohlleitung aufeiner Linie, diesenkrecht durchdie Probe (1,5)führt (E-Netz,20 Proben,Probenvolumen0,1 cm3)

durch die Bandleitung trans-portierte Leistung ist damit

PBL = 0,75 · P0 .

Demzufolge ist die Amplitude derSpannung der Bandleitungswelle

uUu = ÏP0 · 0,75 · 2 · 50Ω

und die elektrische Feldstärke inder Probe

uEu = ÏP0 · 75Ω .

a

Somit ergibt sich für P0 = 1 W unda = 13 mm eine elektrische Feld-stärke von etwa uEu = 666 V/m.

7. Resümee

Es wurde eine Meßanordnung zurUntersuchung der Wirkung hoch-frequenter elektromagnetischerWellenfelder auf biologische Sy-steme unter besonderer Berück-sichtigung der hochfrequenztech-nischen Aspekte konzipiert undrealisiert, die als Hauptkompo-

einem Epoxidharzträgermaterialmit einer Dicke von ca. 1,5 mmgeätzt (siehe Abb. 10.2). In demBereich, wo die Bandleitung diemetallische Umhüllung des Pro-benhalters verläßt, vergrößertsich die Breite der Metallisierun-gen auf b = 10 mm. Das Ende derBandleitung ist mit zwei parallelgeschalteten 100-Ω-Widerständen(entsprechend 50 Ω) abgeschlos-sen. Ein Blockschaltbild des ge-samten Versuchsaufbaus ist inAbbildung 10.3 zu sehen. Nebender Bandleitungsmeßzelle wurdenals Sender, Verstärker, Richtkopp-ler und Leistungsmesser die glei-chen Komponenten verwendet,wie sie in Abschnitt 3 aufgeführtsind.

6.3 Abschätzung derExpositionsfeldstärke

Bei der Berechnung der elektri-schen Feldstärke in der Probewird davon ausgegangen, daß dieFeldstärkeverteilung zwischenden beiden Metallisierungsbän-dern homogen ist (ideale Bandlei-tung, Vernachlässigung desKüvettengehäuses). Der Leitungs-wellenwiderstand wird zu 50 Ωangenommen. Eine Messung desReflexionsfaktors der Bandlei-tungsmeßzelle ergab bis zu Fre-quenzen von ca. 2 GHz Werte vonetwa r = -6 dB, was bedeutet,daß 25 % der zugeführten Lei-stung P0 reflektiert werden. Die


Untersuchungen

Abbildung 10.3: Meßplatz-

aufbau

nente eine Hohlleitungsmeßzelleenthält.

Die durchgeführten Testrechnun-gen und -messungen belegen,daß bei Verwendung der in D-und E-Netz-Mobilfunksystemenüblichen Frequenzen und Sende-leistungen eindeutige und repro-duzierbare und in gewissen Gren-zen sogar gleichmäßige Feldexpo-sitionen der Proben erzielbarsind, solange entsprechende Un-tersuchungsbedingungen (z.B. biszu 30 Ampullen mit max. 0,1 cm

3

Probenvolumen bei D-Netz-Fre-quenzen) eingehalten werden.Für verschiedene Probenanord-nungen wurden die zu erwarten-den Feldstärke- und SAR-Werteangegeben.

Es muß jedoch betont werden, daßsowohl durch Variation der Pro-benanordnungen bzw. -füllmen-gen als auch durch Verwendunganderer Gefäßformen (hier sei aufdie Untersuchungen mit der Petri-schale verwiesen) mit deutlichenVeränderungen der Feldverteilun-gen und Strahlungsbelastungengerechnet werden muß.

Der für die Durchführung vonphotometrischen Untersuchungenmit einheitlichen quaderförmigenKunststoff- oder Quarzglasküvet-ten vorgestellte Meßaufbau aufder Grundlage einer Bandleitungs-meßzelle erlaubt eine direkte unddefinierte Einprägung des Feldesin die Probe. Dies war aufgrunddes metallischen Probenhalters un-abdingbare Voraussetzung für dieDurchführung der Versuche beigleichzeitiger photometrischerProbenüberwachung. Allerdingsist eine solche Vorgehensweise nurschwer auf veränderte Versuchsbe-dingungen (z.B. andere Probenhal-ter) anpaßbar.

Abbildung 10.2:Struktur einesLeiterbandes


Literatur

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PART ONE

There is increasing discussion onbiological damage in organismsthat had been exposed to elec-tromagnetic radiation. Exposuresof men to electromagnetic fieldsare connected with modern lifeand practically these exposures,as e.g. caused by TV, radio andmobile telephones, cannot beavoided. However, there arefears that these exposures mightcause mutations and inducecancer.

For many reasons, procaryoticorganisms are useful in tracingbiological damage inflicted byphysical or chemical agents.Therefore, we designed simpleexperiments that should allow totest the effects of electromagne-tic fields on biological material.

Since damages as mentionedabove, often occur at that levelof DNA or of proteins binding toDNA, we designed simple ex-periments with the aim to testwhether DNA or proteins may bedamaged if exposed to an elec-tromagnetic field. All sampleswere exposed in a waveguide asdescribed above in volumes of0,1 ml, with the exception of theagar plates applied in the muta-genicity experiments.

Thus, we tested the survival ofbacteriophages over a total ex-posure time of three months andwe did not find any reduction ofthe survival as compared to con-trol phages which had not beenexposed but remained underotherwise unchanged conditions.


Summary

[21] Sheppard: in Schutz vorelektromagnetischerStrahlung beim Mobil-funk; BMU-Veröffentli-chungen der SSK, Band22, 1992

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[27] van Zandt: DNA Plas-mon; Physical ReviewLetters, Vol 61, 1988

Summary:

DNA and Protein Exposed to Modulated RF Fields

Prof. Dr. W. Rüger, Ruhr-Universität Bochum, Fakultät für Biologie,

AG Molekulare Genetik (Part One)

Prof. Dr.-Ing. V. Hansen, Universität-GHS-Wuppertal, Lehrstuhl für

Theoretische Elektrotechnik (Part Two)

The conclusions drawn fromthese results are, that neitherthe DNA nor the sensitive pro-teins of this virus were damagedin the electromagnetic field.

Likewise, we have exposedclosed circular DNA. The intro-duction of single or doublestrand breaks would becomevisible after electrophoresis onpolyacrylamide gels by changingthe migration velocity. No dif-ferences were observed amongsamples exposed to the electro-magnetic field as compared tocontrols outside the field.

Further we tested mutagenicityof four bacterial strains, lackingdifferent DNA repair mecha-nisms. No increased mutagenicitywas observed during a one weekexposure to the electromagneticfield.

Following the ideas that elec-tromagnetic radiation mightdamage or change hydration ofmacromolecules we tested as towhether DNA exposed to anelectromagnetic field was par-tially denatured. But also inthese experiments no shifts inthe optical densities could beobserved with the samples ex-posed in a waveguide and un-exposed controls. Also, the ki-netics of the enzyme β-galacto-sidase remained identical insamples exposed to the field andunexposed controls.

Since no detectable damagecould be detected in the experi-ments described above, we con-clude that the electromagneticfields over the time applied inour experiments, do not inducedamage to DNA or proteins ingeneral.

PART TWO

The main components of the testassemblies for exposing the bio-logical material to modulatedradio frequency radiation aretwo rectangular hollow wavegui-des. They were designed for fun-damental mode operation (TE01-mode) with low standing waveratios at frequencies around 900MHz (cut-off frequency fC = 606MHz) and 1750 MHz (fC = 1158MHz), respectively. Detailedtechnical data of the waveguidesand the measured reflection andtransmission coefficients aregiven.

Up to 30 test tubes containing0.1 cm3 - 1 cm3 of the culture me-dium were placed into the wave-guides. They were exposed to RFpower of levels typically used inmobile communication systems.In order to verify the achieve-ment of well-defined, reprodu-cible and substantially uniformexposures of the culture mediumextensive numerical calculationswere also performed. The electri-cal properties of the biologicalmaterial were determined bymeasurements.

The distributions of the electro-magnetic field strengths andvalues of the specific absorptionrates are given for differentarrangements of the test tubesinside the waveguides.

It must be emphasized, however,that every change of the ar-rangement or volume of the cul-ture medium as well as the useof other containers may causedrastical changes of the electro-magnetic field distributions andthe radiation exposures.

To fulfill the specific require-ments of the photometric mea-surements a parallel-plate wave-guide was built up which provi-des a pure propagating TEM-wa-ve and a homogeneous exposureof the material under test. Thedesign criteria are discussed indetail.


Summary

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Newsletter Edition Wissenschaft der FGF e.V.

Herausgeber: Forschungsgemeinschaft Funk e.V., Rathausgasse 11a, D-53113 Bonn, Telefon: 0228 / 72622-0, Telefax: 0228 / 7262211

Redaktion: Gerd Friedrich (verantw.)

Grafik, Satz, Layout: Autoren Societät, Bonn

Die vorliegende Studie wurde im Auftrag der ForschungsgemeinschaftFunk e.V. durchgeführt. Die Berichte geben die Meinungen der Autorenwieder und stellen daher nicht unbedingt auch die Meinung der FGF dar.

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