Projektleitung: DI. Gernot Schmid, Seibersdorf Labor GmbH
Beginn: 01.11.2021
Ende: 31.10.2024

Hintergrund

Zentraler Bestandteil des international empfohlenen Schutzkonzepts vor gesundheitlichen Wirkungen niederfrequenter elektrischer und magnetischer Felder sind die von ICNIRP ^[1] und IEEE ^[2] festgelegten Referenzwerte und die damit zusammenhängenden Basisgrenzwerte. Letztere beruhen bei Frequenzen unter 10 MHz auf nachgewiesenen biologischen Wirkungen körperinterner elektrischer Feldstärken und magnetischer Flussdichten. Während sich die magnetische Permeabilität für die meisten Gewebearten nicht von Luft unterscheidet und somit die interne magnetische Flussdichte dem externen Wert entspricht, ist die interne elektrische Feldstärke nur schwer zugänglich und darüber hinaus stark von der Art und Struktur des Gewebes abhängig. Die dielektrischen Eigenschaften von Gewebearten wurden in zahlreichen Arbeiten theoretisch modelliert ^{[3, 4, 5]} und zum Teil vermessen (z.B. an Schweinen ^[6]). Es bleiben jedoch weiterhin Unsicherheiten speziell in Bezug auf die feineren Strukturen in menschlichem Gewebe. Die IEEE zählt deshalb sowohl die Messung von Gewebeleitfähigkeiten als auch die Modellierung von Haut, Muskel und Nervengewebe zu den am dringendsten zu behandelnden Forschungslücken (Kap. 2.1 und 2.2 ^[7]).

Zielsetzung

Ausgehend vom aktuellen Stand der Datenlage und Simulationstechniken sollen in diesem Forschungsvorhaben die dielektrischen Eigenschaften von Geweben des peripheren Nervensystems anhand von Gewebeproben bestimmt werden. Im besonderen Fokus stehen dabei Haut- und Muskelgewebe, da diese aufgrund ihrer Lage im Körper besonders exponiert sind. Basierend auf der verbesserten Datengrundlage sollen derzeit verwendete Körperteilbereichsmodelle ("induction models") verfeinert und für die numerische Simulation von Feldkonfigurationen verwendet werden. Von besonderem Interesse ist die gleichzeitige Wirkung elektrischer und magnetischer Felder, wie sie etwa in der Umgebung von Freileitungen zur Stromversorgung vorkommen. Es werden Aussagen zur Konservativität der Referenzwerte (an der Luft) abgeleitet aus den Basiswerten (im Körper) erwartet.

Durchführung

Als Grundlage für das Forschungsvorhaben dient zum einen die Recherche der aktuellen Datenlage zur elektrischen Leitfähigkeit, Permittivität, Massendichte, spezifischer Wärme und Wärmeleitfähigkeit von menschlichem und Säugetiergeweben und deren Messmethoden. Zum anderen werden aktuell verwendete numerische Berechnungsmethoden für die dosimetrische Modellierung im Niederfrequenzbereich aufgearbeitet und deren Vor- und Nachteile, insbesondere bezüglich numerischer Artefakte bewertet.

Basierend auf diesen Erkenntnissen werden die elektrische Leitfähigkeit und Permittivität von Haut-, Muskel- und Fettgewebe im Frequenzbereich bis 1 MHz anhand optimierter Messmethoden bestimmt. Im Falle von Hautgewebe wird deren Feinstruktur in Epidermis, Dermis und Subkutis in separaten Messungen berücksichtigt. Im Falle von Muskelgewebe liegt besonderes Augenmerk auf der Anisotropie von Leitfähigkeit und Permittivität. Parallel zu Messungen an menschlichen Gewebeproben werden Messungen der elektrischen Leitfähigkeit in vivo auf Basis von Impedanzmessungen und MRT-Scans an Probanden durchgeführt. Dieser neue Ansatz soll weitere Einblicke im Hinblick auf die Frage möglicher Abweichungen zwischen in vitro Messdaten an Gewebeproben und den in vivo Eigenschaften der Gewebe ermöglichen.

Basierend auf den gewonnen Originaldaten werden schließlich verfügbare Körperteilbereichsmodelle verbessert, so dass eine Bestimmung des Zusammenhangs zwischen von außen einwirkenden Feldstärken und den in den Körpergeweben induzierten Feldgrößen mit deutlich geringerer Unsicherheit als bisher möglich wird. Besondere Beachtung findet dabei die Analyse von Artefakten durch die Diskretisierung des Rechenraumes und durch anatomische Ungenauigkeiten der Gewebemodelle. Außerdem werden sowohl die Auswirkung der Gewebeanisotropie auf die Modellgenauigkeit berücksichtigt als auch "kritische" Gewebestrukturen, etwa Grenzschichten oder dünne Schichten. Mit den so erhaltenen optimierten Modellen und Methoden werden abschließend umfangreiche numerische Berechnungen durchgeführt um die Konservativität der Referenzwerte zu überprüfen. Insbesondere werden dazu auch Expositionssituationen mit gleichzeitigem Einwirken von elektrischen und magnetischen Feldern betrachtet.

Referenzen

1) International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, 2010. Guidelines for limiting exposure to time-varying electric and magnetic fields (1 Hz to 100 kHz). Health physics, 99(6), pp.818-836.

2) Laakso, I. and Hirata, A., IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Electromagnetic Fields, 0-3 kHz, C95. 6-2002 IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Electromagnetic Fields, 0-3 kHz, C95. 6-2002, 2002.

3) Foster KR, Schwan HP. Dielectric properties of tissues and biological materials: a critical review. Crit Rev Biomed Eng. 1989;17(1):25-104. PMID: 2651001.

4) Gabriel, S., Lau, R.W. and Gabriel, C., 1996. The dielectric properties of biological tissues: III. Parametric models for the dielectric spectrum of tissues. Physics in medicine & biology, 41(11), p.2271.

5) IT'IS Foundation, Dielectric properties

6) Gabriel, C., Peyman, A. and Grant, E.H., 2009. Electrical conductivity of tissue at frequencies below 1 MHz. Physics in medicine & biology, 54(16), p.4863.

7) Reilly, J.P. and Hirata, A., 2016. Low-frequency electrical dosimetry: research agenda of the IEEE International Committee on Electromagnetic Safety. Physics in Medicine & Biology, 61(12), p.R138.

Projektleitung: Bundesamt für Strahlenschutz, (BfS)

Beginn: 01.04.2018
Ende: 31.12.2022

Hintergrund

Bei der Errichtung und wesentlichen Änderung von Anlagen für die elektrische Energieversorgung soll darauf geachtet werden, dass die Exposition der Bevölkerung durch den Betrieb der Anlagen nicht wesentlich erhöht wird. Das Wissen über die Exposition der Bevölkerung in Deutschland gegenüber anthropogenen Magnetfeldern leitet sich zu einem großen Teil aus Untersuchungen ab, die das BfS in den Jahren 1996 und 1997 im Auftrag des Bayerischen Staatsministeriums für Landesentwicklung und Umweltfragen durchgeführt hat. Damals wurde ein Probandenkollektiv aus 2000 bayerischen Bürgerinnen und Bürgern gebildet. Jeder Proband und jede Probandin wurde für einen Tag mit einem kompakten, am Körper tragbaren Messgerät ("Personendosimeter") ausgestattet, das automatisch den zeitlichen Verlauf der Magnetfeldexposition erfasst hat. Parallel dazu sollten die an der Studie Teilnehmenden am Tag der Messung ihre Aktivitäten in Stichpunkten protokollieren. Die Studie war so konzipiert, dass die Beiträge unterschiedlicher Magnetfeldquellen erfasst werden konnten, zum Beispiel Beiträge von Nieder- und Hochspannungsleitungen, Elektrogeräten oder Energie- und Speiseleitungen für elektrisch betriebene Verkehrsmittel (vor allem Eisenbahnen). Das Probandenkollektiv war so gewählt, dass Bewohner und Bewohnerinnen aus Gemeinden verschiedener Größen entsprechend den jeweiligen Einwohnerzahlen repräsentiert waren.

Darüber hinaus hat das BfS Untersuchungen in Auftrag gegeben, um von Freileitungen und Erdkabeln verursachte Expositionen miteinander zu vergleichen. Diese Untersuchungen erfolgten vorrangig ohne unmittelbaren Personenbezug.

Die für das Bayerische Staatsministerium erhobenen Daten sind über zwanzig Jahre alt. Sie wurden ausschließlich in einem Bundesland erhoben. Erfasst wurden damals nur niederfrequente Magnetfelder mit der Stromnetzfrequenz (50 Hertz) und der Frequenz des Bahnstromnetzes (16,7 Hertz). Keine Daten wurden erhoben für Magnetfelder mit Frequenzen, die bei den heutzutage gebräuchlichen Schaltnetzteilen, Induktionskochherden oder bei individuellen Elektromobilitätslösungen auftreten. Auch die Erfassung anthropogener statischer Magnetfelder war kein Bestandteil der damaligen Untersuchung.

Zielsetzung

In dem jetzt bearbeiteten Vorhaben sollen aktuelle Daten über die Exposition der allgemeinen Bevölkerung in Deutschland gewonnen werden. Ziel ist es, die existierende Datengrundlage zu aktualisieren und zu erweitern, z.B. hinsichtlich des abgedeckten Frequenzbereichs und der berücksichtigten Bundesländer. Nach Möglichkeit sollen die Daten in Regionen erhoben werden, in denen Leitungsbaumaßnahmen geplant sind. Sofern im Rahmen der Projektlaufzeit möglich, sollen Vorher-Nachher-Situationen miteinander verglichen werden. Expositionen durch nicht von der Verordnung über elektromagnetische Felder (26. BImSchV) erfasste Quellen (Elektrogeräte, Niederspannungsanlagen) sollen miterfasst werden.

Durchführung

In der ersten Projektphase wird der für das Vorhaben relevante Stand von Wissenschaft und Technik aufgearbeitet. Hierzu gehört zum einen die Auswertung einschlägiger Fachliteratur hinsichtlich der in vergleichbaren Untersuchungen eingesetzten technischen Verfahren (Messgeräte, Frequenzbereiche, Messdauer etc.). Zum anderen werden unter Berücksichtigung der Erkenntnisse aus früheren Studien Einzelheiten des Studienprotokolls (Auswahl der Messorte, Kontaktierung möglicher Probanden, Entwicklung eines Aktivitäts-Tagebuchs etc.) ausgearbeitet. Ebenfalls Teil der ersten Projektphase ist die Erprobung von auf dem Markt befindlichen tragbaren Messgeräten ("Personendosimeter"). Basierend auf den Ergebnissen der ersten Projektphase beginnt 2022 die eigentliche Datenerhebung.

Das Auftreten von Kontaktströmen im Alltag, insbesondere in der Umgebung von Stromversorgungsanlagen, soll untersucht werden. HGÜ-Anlagen sollen wegen der erwarteten höheren Bodenfeldstärken so weit wie möglich in die Betrachtungen einbezogen werden. Zudem sollen dosimetrische Modelle für verschiedene Szenarien und Bevölkerungsgruppen entwickelt werden, mit denen die elektrischen Feldstärken im Körperinneren beim Auftreten von Funkenentladungen und Kontaktströmen gewebespezifisch angegeben werden können.

7.4.a Erprobung, Weiterentwicklung und Validierung von neuartiger Messtechnik für statische und niederfrequente elektrische und magnetische Felder

Projektleitung: Donau Universität Krems, Department für Integrierte Sensorsysteme, Wien

Beginn: 01.04.2020
Ende: 31.03.2022

Hintergrund

Die in Deutschland geplanten Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-Leitungen (HGÜ) werden statische magnetische Felder und in Ausführung als Freileitung auch statische elektrische Felder und ggf. Raumladungswolken emittieren, die langsam variierende quasistatische Felder zur Folge haben. Für die Bestimmung der Exposition der Bevölkerung müssen diese Felder vermessen werden. Der Fortschritt bei der Erfassung der Exposition durch statische elektrische und magnetische Felder im Bereich von Trassen für die Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragung (HGÜ) und von Hybridtrassen für HGÜ und Hochspannungs-Wechselstrom-Übertragung (HWÜ) hängt entscheidend davon ab, wie zuverlässig, wartungsarm und mobil die verwendete Messtechnik ist. Insbesondere verhindern Schwierigkeiten bei der Erfassung von statischen elektrischen Feldern schnelle, aussagekräftige Messungen.

Die Erfassung des statischen elektrischen Feldes ist im Vergleich zur Messung der niederfrequenten elektrischen Felder der Hochspannungs-Wechselstrom-Übertragung (HWÜ) mit Schwierigkeiten verbunden. Da die Messergebnisse stark von der Temperatur und von der Raumladung bzw. dem Ionenfluss abhängig sind, driften die ausgegebenen Daten langsam. In der Folge müssen die Messsysteme häufig neu kalibriert werden. Die Messung ist insbesondere bei kleinen Feldstärken häufig fehlerbehaftet. Zusätzlich findet eine starke Verzerrung des elektrischen Felds durch das Messsystem selbst statt. Bei Anwesenheit von Ionen kommt es aufgrund des gerichteten Ionenflusses entlang der Feldlinien zu einer Akkumulation von Raumladungen in der Nähe des Sensors. Diese Raumladungen erzeugen ein zusätzliches elektrisches Feld in der Nähe des Sensors, dass das zu messende Feld der Leitung überlagert und das Messergebnis verfälschen kann. Dies ist insbesondere in der Umgebung von HGÜ-Leitungen relevant, die von höheren Ionenkonzentrationen umgeben sind.

Zielsetzung:

Für eine zuverlässige, kostengünstige und genaue Erfassung der statischen elektrischen Felder in der Nähe von HGÜ-Leitungen muss die Messtechnik entwickelt werden. Primärziel des Vorhabens ist die Identifikation von feldverzerrungsfreien, Ionenfluss- und Potential-unabhängigen miniaturisierten Messmethoden für die Messung statischer und niederfrequenter elektrischer Felder in der typischen Umgebung von HGÜ-Leitungen und von HGÜ-HWÜ-Hybridleitungen sowie die Erprobung, Anpassung und Validierung dieser Verfahren.

Durchführung

In der ersten Projektphase arbeitet der Forschungsnehmer den für das Vorhaben relevanten Stand von Wissenschaft und Technik auf. Hierzu gehört zum einen die Auswertung einschlägiger Fachliteratur hinsichtlich geeigneter Technologien, Sensordesigns und Ausleseverfahren, sowie der Bedingungen, die im Wirkbereich der Leitungen auftreten. Anhand dieser Daten wird ein Anforderungskatalog an das Messsystem erstellt und darauf bezugnehmend das Konzept für das Messsystem erarbeitet. Die erste Projektphase beinhaltet zudem auch eine auf Computersimulationen basierende Vorstudie, um die zu erwartenden Kenndaten des Systems im Voraus einschätzen zu können.

Basierend auf den Ergebnissen der ersten Projektphase beginnt 2020 der Aufbau, Anpassung des Mess- und Kalibriersystems, sowie die Kalibration.