Messen + Testen Wirkungen magnetischer Wechselfelder auf den Menschen

Auswirkungen der magnetischen Wechselfelder
Auswirkungen der magnetischen Wechselfelder

Die grundsätzliche technische Machbarkeit der kontaktlosen Energieübertragung ist inzwischen ausreichend nachgewiesen. Ein aktuelles Thema aus diesem Bereich ist neben Interoperabilität und Kompatibilität derzeit auch die Sicherheit. Dieser Beitrag gibt Informationen zu Auswirkungen der magnetischen Wechselfelder auf exponierte Personen am Beispiel eines drahtlosen Kfz-Ladekonzeptes (Wireless Charging).

Die kontaktlose Energieübertragungstechnik ist schon mit proprietären Systemen in der Automatisierungs- bzw. Produktionstechnik länger im Einsatz und findet inzwischen auch in Medizintechnik und Automobiltechnik [1, 2, 3, 4] zunehmend Anwendungen. Standardisierte kontaktlose Ladetechniken, wie sie durch größere Konsortien (WPC [5], A4WP [6], PMA [7]) positioniert werden, stoßen durch fertige Lösungen und fallenden Preise auf wachsendes Interesse. Die Gemeinsamkeit aller Anwendungen liegt in einem lose gekoppelten Transformator bzw. in einem versorgenden und einen empfangenden Spulensystem. Bei einigen Anwendungen ist der Abstand der beiden Spulensysteme klein, kann aber durchaus Abstände einnehmen, bei denen das Streufeld des magnetischen Kreises nicht unerheblich ist. Bei einem solchen offenen magnetischen Kreis empfiehlt es sich im Zuge der CE-Zertifizierung – insbesondere bei Systemen im mehrstelligen Watt-Bereich – den Einfluss auf die Umgebung bzw. auf Personen genau einzuschätzen. Deshalb werden hier für die typischen Spulentopologien die Einwirkungen magnetischer Wechselfelder auf den menschlichen Körper beschrieben und anhand eines Beispiels aufgezeigt.

Auswirkung auf den Menschen von vielen Faktoren abhängig

Magnetische Wechselfelder können je nach einwirkender Intensität und Frequenz zu reversiblen bzw. irreparablen Einflüssen (Erwärmung, Nervenstimulation) im menschlichen Körper führen. Die WHO [8] hat in diesem Zusammenhang eine internationale Kommission ICNIRP gegründet (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection), um Erkenntnisse über den Einfluss, aber auch Empfehlungen für die Sicherheit von Personen in elektrischen, magnetischen und elektromagnetischen Feldern zu erarbeiten. Die Empfehlungen der ICNIRP [9] sind überwiegend in nationale regulierende Instanzen eingeflossen, wie z.B. in die EU-Ratsempfehlung 1999/519/EG und in den Arbeitsschutz durch die BG ETEM [10].

Die Empfehlungen bzw. Vorschriften beruhen auf den heutigen medizinisch vertretbaren Grenzen, unter denen keine wahrnehmbare Stimulation von Nervenzellen bzw. keine signifikante Erwärmung von menschlichem Körpergewebe stattfindet. Aufgrund der Frequenzabhängigkeit der dielektrischen Eigenschaften von Körpergewebe (Bild 1 und [14]) ergeben sich unterschiedliche Eindringtiefen bzw. Absorptionseigenschaften im menschlichen Körper, so dass auch die Vorschriften und Empfehlungen in Form von Basisgrenzwerten (engl.: basic restrictions/nach der BGV B11: Basiswerte) bzw. Referenzwerten (engl.: reference levels/nach BGV B11: Abgeleitete Werte) für elektrische, magnetische bzw. elektromagnetische Felder frequenzabhängig sind.

Die Feldcharakteristik von Anwendungen und die Materialinhomogenitäten der menschlichen Physiologie sind so unterschiedlich, dass eine Allgemeinaussage bezüglich der Sicherheit nie gegeben werden kann. In jeder Anwendung muss das Worst-Case-Szenario gefunden werden und die Feldstärke/-verteilung gemäß der Vorschriften bzw. Empfehlungen gegenübergestellt werden. In der gängigen Praxis werden mit Hilfe einer Feldsonde die Felder gemessen und mit den Referenzwerten verglichen. Die Referenzwerte sind direkt messbare physikalische Größen. Bei Einhaltung der Referenzwerte werden selbst unter den ungünstigsten Bedingungen auch die Basisgrenzwerte eingehalten.

Bei der Überschreitung müssen die Basisgrenzwerte herangezogen werden, die nur durch eine spezielle numerische Simulation bestimmt werden können. Die Durchführung dieser sogenannten dosimetrischen Simulationen erfolgt mit digitalisierten Menschmodellen, in denen über 30 verschiedene frequenzabhängige Gewebetypen identifiziert sind ([14] bzw. Bild 1). In der Simulation werden sowohl die Feldcharakteristik als auch die Position bzw. die Körperhaltung des Menschmodells so realitätsnah wie möglich nachgebildet. Die Bestimmung der Basisgrenzwerte erfolgt zur Zeit ausschließlich auf Basis des FDTD-Verfahrens [15]. Die gängigsten Basisgrenzwerte sind die über 1 cm2 gemittelte elektrische Stromdichte, das in situ elektrische Feld und die spezifische Absorptionsrate. Im Jahr 2010 veröffentlichte die ICNIRP eine überarbeitete Empfehlung bis 100 kHz [16]. In der ICNIRP 2010 werden die Referenzwerte bis 10 MHz angegeben, es wird allerdings darauf hingewiesen, dass ab 100 kHz der jeweils kleinste Referenzwert aus den Empfehlungen 1998 bzw. 2010 herangezogen werden soll. Die über 1 cm2 gemittelte Stromdichte wurde durch ein elektrisches Feld ersetzt und die Referenzwerte wurden aufgrund von besseren Möglichkeiten in der numerischen Dosimetrie angepasst. Die überarbeiteten Empfehlungen der ICNIRP von 2010 sind bis heute noch nicht von der BGV-B11 oder in die EU-Ratsempfehlung übernommen worden.