Naapurini puolesta tässä kyselen, kun hän on kovin huolissaan 5G-verkosta. Onko se vaarallista?

No, lähdetään liikkeelle siitä, mitä 5G on. Kyseessä on siis tapa lähettää ja vastaanottaa tieto radioaaltojen avulla. Radioaallothan ovat sähkömagneettista säteilyä, jonka aallonpituus vaihtelee erittäin paljon, millimetreistä jopa 10 000 kilometriin (Kuva 1). Mekaanisiin aaltoihin verrattuna sähkömagneettisellä säteilyllä on paljon samoja piirteitä, kuten aallonpituus, taajuus ja amplitudi. Toisaalta siinä missä mekaaniset aallot vaativat väliaineen, sähkömagneettinen säteily voi edetä myös tyhjiössä. Sähkömagneettinen säteily etenee valon nopeudella, joka tyhjiössä on $c=299\; 792\;458\;m/s$ ja ilmassa lähes yhtä suuri. Mekaaniset aallot taas etenevät huomattavasti hitaammin, esimerkiksi ilmassa reilun $340\;m/s$ ja teräksessä noin $6000\; m/s$ nopeuksilla.

Kuva 1: Sähkömagneettisen säteilyn spektri

Mikä sitten on 5G:n ja 4G:n ero?

Ennen kun mennään taustalla olevaan fysiikkaan, niin selvitetäänpä mitä nuo 4G ja 5G oikeasti tarkoittavatkaan. Termit itsessään ovat lyhenteitä käsitteistä “4th Generation” ja “5th Generation” eli niillä kuvataan ns. 4. sukupolven ja 5. sukupolven teknologioita matkapuhelinpohjaiseen langattomaan tiedonsiirtoon. Näiden sukupolvien välillä on eroja sekä radioaaltojen taajuuksissa että tekniikoissa, joissa itse tietosisältö “koodataan” radioaaltoihin. Taulukossa 1 on listattuna matkapuhelinpohjaisten tiedonsiirtojärjestelmien kaikki viisi sukupolvea .

Taulukko 1: Matkapuhelinpohjaisen langattoman tiedonsiirron sukupolvet.

Puhutaan ensin taajuuseroista. Kuten huomataan, teknologian kehittyessä on otettu käyttöön suurempia taajuuksia tiedonsiirtoa varten. Samalla kun radioaaltojen taajuus kasvaa niin samalla niiden aallonpituus lyhenee. Kaikenlaiselle aaltoliikkeelle pätee yhtälö $v=f \lambda$, missä $f$ on säteilyn taajuus, $\lambda$ on sen aallonpituus ja $v$ on aallon etenemisnopeus. Radioaaltojen tapauksessahan tämä nopeus on valonnopeus $c$.

Selvä, taajuuden kasvaessa aallonpituus lyhenee. Mihin suurempi taajuus sitten vaikuttaa?

Yksinkertaistettuna: taajuuden kasvaessa tiedonsiirtonopeutta on mahdollista kasvattaa. Sähkömagneettisen säteilyn kuljettama tieto voidaan “koodata” säteilyyn joko sen amplitudia, taajuutta tai vaihetta muuttamalla. Yleisesti puhutaan modulaatiosta, kun tarkoitetaan prosessia jossa tieto muutetaan sellaiseen muotoon, että sitä voidaan siirtää langattomasti. Nykyiset modulaatiotekniikat perustuvat erilaisten modulaatiotapojen yhdistelmiin. Modulaation tavasta riippumatta puhutaan kantoaallosta, johon moduloidaan tieto amplitudia, taajuutta tai vaihetta sovitulla tavalla muuttamalla; näin moduloidusta kantoaallosta muodostuu summa-aalto. Vastaanottaja sitten vastaanottaa tämän summa-aallon, poistaa siitä kantoaallon ja saa selville siirretyn datan. Suuremmalla taajuudella kantoaaltoon on mahdollista moduloida enemmän tietoa. Tämä on karkea yksinkertaistus, myönnettäköön.

Eli suurempi taajuus on parempi?

Kyllä ja ei. Kuten muutkin aallot, myös radioaallot ja sen myötä langattoman verkon signaalit vuorovaikuttavat materiaalin ja muiden aaltojen kanssa. Radioaallot voivat muiden aaltojen tavoin heijastua, taittua, absorboitua ja interferoida eli yhdistyä toisesta radioaaltolähteestä tulevan signaalin kanssa. Mitä korkeampi radioaallon taajuus, sitä herkemmin signaali absorboituu tai heijastuu rakennusten pinnoilta ja kasvillisuudesta. Tästä johtuen korkeammilla taajuuksilla esiintyy todennäköisemmin ilmiö nimeltä monitie-eteneminen (engl. multipath propagation). Tällöin radiosignaalit kulkeutuvat lähettimestä vastaanottimeen useita eri reittejä ja ne voivat saapua vastaanottimeen eri aikoihin tai väärässä järjestyksessä. Tämä vastaa hieman ääniaaltojen kaikua: kapealla kadulla korkeiden rakennusten välissä äänet kuuluvat sekä suoraan lähteestä että heijastuksina rakennusten seinistä.

Erittäin suurilla taajuuksilla, kuten 5G:n $26\; 000$ MHz (eli $26$ GHz) ongelmaksi muodostuu myös ilmakehän kaasujen absorptio sillä näillä taajuuksilla radioaallot  helposti menettävät energiaansa ilmakehässä olevien vesimolekyylien vibraatioon.

Toisin sanoen korkeilla taajuuksilla voidaan liikuttaa enemmän dataa ja nopeammin. Toisaalta korkeat taajuudet ovat myös herkempiä häiriöille. Mitä pidemmän välimatkan signaalin pitää kulkea, sitä herkempi se on häiriöille. Toisin sanoen, on löydettävä tasapaino nopeuden ja datan siirron sekä häiriöiden ja etäisyyden välillä.

Mutta onko siis langaton verkko ja erityisesti 5G vaarallista?

Aivan, palataanpa alkuperäisen kysymyksen äärelle. Ensin meidän pitää määritellä “vaarallisuus”. Mitä itse ajattelet sillä tarkoitettavan?

No jonkinlaisia fyysisiä reaktioita, jotka ovat ihmiselle haitallisia.

Okei, mennään tuolla. Kansainvälisesti on määritelty käsite nimeltään ominaisabsorptionopeus, jolla kuvataan sen energian määrää joka sähkömagneettisestä säteilystä absorboituu ihmisen kudoksiin. Olisipa vaarallisuus minkälaista vain, on oletettavaa, että se lisääntyisi energian määrän kasvaessa. Ominaisabsorptionopeuden yksikkö on $W/kg$ eli energiaa per kilo kudosta. Euroopan unionissa turvallisena raja-arvona pidetään arvoa $2\; W/kg$. Tämä raja-arvo on reilusti alle sellaisen altistustason, jolla on todettu olevan haitallisia terveysvaikutuksia. Testauksen huolehditaan siitä, että mitattu arvo on vähintään yhtä suuri kuin todellisessa suurimman altistuksen aiheuttavassa käyttötilanteessa. Esimerkiksi matkapuhelimen osalta tämä vastaa tilannetta, jossa puhelin on huonossa kentässä ja käyttäjän puhuessa tai siirrettäessä tietoa puhelin on joko päässä tai kehossa kiinni.  Suomessa näitä mittauksia tekevät Säteilyturvakeskuksen fyysikot. Kaikki laitteet joita käytetään alle 20 cm kehosta, tulee läpäistä nämä mittaukset. Tukiasemat tekevät turvallisiksi puolestaan niiden suuret etäisyydet ihmisiin, sillä sähkömagneettinen säteilyn energia on kääntäen verrannollinen etäisyyden toiseen potenssiin.

Kuva 2: Matkapuhelinmasto.

Ainoa tieteellisesti todistettu radioaaltojen vaikutus kudoksiin on kudosten lämpeneminen, mutta tämä on niin vähäistä ettei sillä ole terveydellisiä vaikutuksia. Verrattakoon EU:n raja-arvoa $2\; W/kg$ arkisiin tilanteisiin: huoneenlämpötilassa vähäpukeisena lämmönsiirto ihosta on pari kertaluokkaa suurempi (koko iholle yli $200\; W$ eli $\sim 100\;W/kg$), saunassa kunnon löylyssä lämmönsiirto iholle voi olla lähes neljä kertaluokkaa suurempi (koko iholle yli $4\; kW$ eli $\lesssim 2000\; W/kg$), kun oletamme ihon painavan pari kilogrammaa.

Voimme laskea myös laskea 5G:n 3500 MHz -taajuuksisen säteilyn yksittäisen fotonin energia. Tähän käytämme yhtälöä $E=hf$, missä $h=6{,}62607015\times 10^{34}\; J/Hz$ on Planckin vakio ja $f$ on säteilyn taajuus. 5G-säteilyn fotonin energia on n. $2{,}4\times 10^{-30}\; J$. Tätä energiaa voi verrata punaisen valon fotonin energiaan $3{,}1\times 10^{-19}\; J$, joka on 100 miljardia kertaa 5G-fotonin energiaa suurempi.

Voinko siis nukkua puhelin lakanoissani?

Vaikka radioaallot eivät itsessään tutkimusten mukaan aiheuta terveysriskejä,  puhelin sängyssä ei kuitenkaan kannata nukkua. Puhelimesi voi lämmetä, jos se lähettää tai vastaanottaa signaaleja. Lisäksi puhelimen akku voi mahdollisesti ylikuumeta, varsinkin lämpimissä lakanoissa. Nämä seikat aiheuttavat tulipaloriskin. Suurimmat riskit eivät siis mitenkään liity säteilyyn vaan yleisesti sähkölaitteisiin.

Muutenkin paremman unen saannin kannalta ei kannata nukkua puhelimen vieressä. Ei säteilyriskin takia, vaan sen vuoksi, että puhelimen tuijottaminen juuri ennen nukkumaan menoa voi haitata unensaantia. Lisäksi yöllä herätessä houkutus tarttua puhelimeen on suurempi puhelimen ollessa käden ulottuvilla.

Okei, jätän puhelimen siis pöydälle. Asiasta toiseen, sama naapurini on varma, että jokin laite häiritsee hänen talonsa wifiä. Onko se mahdollista? 

Kuva 3: Wifi-tukiasema.

Mistähän laitteesta voisi olla kyse?

Mikroaaltouunit käyttävät ruuan lämmitykseen n. $2{,}4\; GHz$ taajuutta (lisää osiossa: Miksi mikro lämmittää epätasaisesti?) kuten vanhemmat wifi-tukiasemat. Uudempien tukiasemien taajuus on $5\; GHz$. Mikroaaltouunit ovat yleensä hyvin suojattuja, eikä mikroaaltoja pääse vuotamaan lämmityksen aikana, mutta ne ovat myös tehokkaita (~1 kW). Vuotaminen on epätodennäköistä uusissa, mutta mahdollista vanhemmissa mikroissa. Jos mikrossa on vuoto, voivat mikron mikroaallot vuorovaikuttaa wifi-verkon signaalien kanssa ja näin häiritä langatonta verkkoa.

Jos huomaat, että langaton verkkosi häiriintyy mikroa käyttäessä, voisi harkita mikron vaihtoa. Lisäksi häiriöiden todennäköisyys kasvaa, jos reititin tai modeemi on lähellä mikroa. Toinen mahdollisuus on harkita verkkolaitteen siirtämistä toisaalle, kauemmaksi mikrosta.

Onko sillä muutoin merkitystä minne tukiaseman kotona asettaa?

Kyllä, seinät ja muut kappaleet voivat heijastaa ja absorboida reitittimen lähettämiä signaaleja. Yleisesti ohjeistus on, että verkkolaite kannattaa asettaa mahdollisimman keskeiselle paikalle kodissa, jotta häiriöitä (eli siis aaltojen taittumista, absorptiota ja heijastusta) tapahtuisi mahdollisimman vähän. Sijainnin valinnassa voi myös pohtia, missä kodin osassa kaipaa nopeinta verkkoa. 

Wifi-signaalin vaimentumista kotona on myös mahdollista tutkia. Jyväskylän yliopiston koordinoimassa EU-hankkeessa on kehitetty tähän ohjeet: WiFi analyysi opiskelijan versio (pdf)  ja WiFi analyysi ohjaajan versio (pdf).

Entäpä onko langattoman verkon käyttäminen lentokoneessa oikeasti vaarallista?

Jokainen lentokoneessa viimeisen 10 vuoden aikana ollut tietää, että lennon ajaksi pyydetään laittamaan puhelin ja muut mobiiliverkkolaitteet lentokonetilaan. Lentokonetila poistaa langattoman verkon toiminnasta.

Miten siis laitteesi vuorovaikuttaa lentokoneen kanssa? Kun laitteesi ei ole lentokonetilassa, se toimii sekä radiolähettimenä ja -vastaanottimena. Nämä signaalit voivat periaatteessa häiritä lentokoneen tärkeitä sensoreita tai koneen omia lähettimiä. Nykyaikaisissa lentokoneissa häiriöherkät laitteet ovat hyvin suojattuja radioaalloilta. Eräs syy lentokonetilan pyyntöön on se, etteivät lentokoneen sisällä liikkuvat matkapuhelimet turhaan yrittäisi yhdistää maan tasalla oleviin tukiasemiin ja kuormittaisi niitä. Tämäkin syy tosin ontuu, sillä tukiasemat on suunnattu vaakasuuntaan ja kantavuus yläilmoihin on heikko. Nykyään lentoyhtiöt myyvät lisämaksullista wifi-palvelua, jonka ohjeiden mukainen käyttö turvallista.