Vilniaus Gedimino technikos universiteto (VILNIUS TECH) Fizikos katedros Fotoelektros technologijų laboratorijos vedėjas, prof. dr. Artūras Jukna

Kaip suprantame bangos energiją?

Fizika nagrinėja trijų rūšių bangas: mechanines – jūros bangavimą, stygos virpesius, garsus, medžiagos – kurias aprašė Nobelio premijos laureatas Louis de Broglie, ir elektromagnetines, kitaip vadinamas šviesa. 

Šviesa – tai elektrinio ir magnetinio lauko erdve nuolat sklindantys virpesiai, kurie mūsų žinomų ir naudojamų jutiklių suprantami kaip dalelių srautas. Jutikliuose panaudotų elektrinių ir/ar magnetinių medžiagų savybės (elektrinis laidumas, magnetinė tvarka ir kt.) kinta greitai, vos tik jutiklio medžiaga sugeria fotonus, o savybių pokyčio dydis priklauso nuo fotonų rūšies ir jų skaičiaus. Jutikliais registruojamos bangos/fotonų energija sudaryta iš dviejų dalių.

Pirmoji – bangos elektrinio ir magnetinio laukų kitimo dažnis arba fotonų energija. Apie juos užsimenama įvardinant šviesos spalvą. Antroji bangos energijos dalis – bangos intensyvumas arba fotonų, atsitrenkusių į apšviestą paviršių, skaičius. Didėjant bangos intensyvumui arba fotonų skaičiui – šviesa apšviesto objekto paviršius geriau pastebimas, ryškiau išsiskiria iš aplinkos. 

Energijos tvermės dėsnyje tvirtinama, jog energija iš niekur neatsiranda ir niekur nedingsta. Tad kur ji prapuola bangai/fotonams skverbiantis neskaidriais kūnais? Atsakymas paprastas – bangos/fotonų energija virsta kitomis energijos rūšimis. Šviesos elektrinis laukas įgreitina bangą sugeriančios aplinkos įelektrintas daleles, o jos magnetinis laukas atskiria neigiamo ir teigiamo ženklo įelektrintas daleles, nukreipdamas neigiamai įelektrintas daleles viena kryptimi, o teigiamai įelektrintas – priešinga kryptimi. Įgreitintos ir įvairiomis kryptimis judančios dalelės daug kartų susiduria su kitomis įelektrintomis ir neutraliomis dalelėmis, perduodamos joms dalį savo turėtos perteklinės energijos. Medžiagos viduje vykstantys energijos mainai pasireiškia įvairiais reiškiniais, kruopščiai tiriamais ne tik Lietuvos, bet užsienio mokslinėse laboratorijose. 

Koks bangų/fotonų sugertas energijos kiekis nekenksmingas žmogaus organizmui?

Vos atmerkus akis išvystame mus supančių objektų atspindėtą šviesa. Žmogaus akies sugerta balta šviesa inicijuoja akyje cheminių reakcijų ir elektrinių impulsų seką, suvokiamą kaip šviesai neskaidrių objektų formą, spalvą ir atstumą iki jų. Kokią šviesos dalį atsispindi neskaidrūs objektai ir kokią dalį praleidžia pro save skaidrūs objektai, lemia objektus sudarančių dalelių (atomų/molekulių) tankis ir jų optinės savybės (sugertis). 

Žmogaus kūnu sugertos šviesos dalis įvertinama kūną sudarančios medžiagos savitąja sugertimi (angl. SAR), t. y. sugertos šviesos energijos santykis su ją sugeriančio kūno mase. Radiacinės saugos nuo nejonizuojančios spinduliuotės tarptautinė komisija nustatė, jog žmogaus sveikatai nepavojingos bangos, kurių galia (t. y. energija, suteikiama kūnui kiekvieną sekundę) neviršija vidutiniškai 0,08 W (čia W žymi galios matavimo vienetą - vatą) vienam kūno masės kilogramui. Šis skaičius gali būti kiek kitoks, priklausomai nuo žmogaus kūno paviršiaus elektrinio laidumo ir nuo jo kūnu sugertos šviesos spalvos. 

Mokslininkai nustatė, jog 0,3-0,4 W/m2 žmogaus kūno paviršiaus ploto (sveikatingumo norma Lietuvoje Lietuvos Respublikos Sveikatos apsaugos ministerijos duomenimis – 10 W/m2 arba kitaip 23,2 W/kg vidutiniškai 70 kg sveriančio žmogaus kūnui) nesukels liekamųjų reiškinių žmogaus organizme, jei bangų/fotonų spalva, išreikšta elektrinio/magnetinio lauko svyravimų dažniais yra ribose nuo 1 iki 8 milijardų hercų (arba kitaip nuo 1 iki 8 GHz) ir jei ją sugeriantis kūnas sveria vidutiniškai 70 kg. 

Bangų/fotonų energija žmogaus kūne virsta kitomis energijos rūšimis, t. y. įelektrintų dalelių kinetine energija, dalelių tarpusavio  susidūrimų energija, šiluma ir kt. Pagrindinės šviesos energijos dalį sugeria kūno paviršius. Fizikai įrodė, jog intensyviausia sugertis vyksta medžiagos gylyje, kuris prilygsta į kūną krentančios šviesos bangos ilgiui. 

Bangų įsiskverbimo gylis suprantamas kaip atstumas, kurį nusklidusios bangos intensyvumas sumažėja maždaug 3 kartus (jei tiksliai tai e = 2,718 kartų). Mokslininkai nustatė, jog 0,1 – 1 GHz dažnio bangos/fotonai įsiskverbia į žmogaus kūną 20-30 cm, o dažniui padidėjus iki 10 GHz, jų įsiskverbimo gylis sumažėja iki 0,3 – 1 cm. Įsiskverbimo gylio ribos priklauso nuo kūno odos būvio (sausa ji ar drėgna), nuo poodinio riebalinio (skaidriausiais šviesai) ir raumeninio (mažiausiai skaidrus šviesai) sluoksnių storio. Banga/fotonai gali įsiskverbti ir giliau į žmogaus kūną, jei padidintume bangų intensyvumą/fotonų skaičių, taip viršijant nustatytą 0,08 W/kg ribą kūno paviršiuje ir nustumiant ją link gilesnių kūno sluoksnių. 

Artinant spinduliavimo šaltinį prie kūno paviršiaus, šaltinio spinduliuojamų bangų intensyvumas didėja kvadratiniu dėsniu (t. y. 2 kartus sumažinus atstumą, bangos intensyvumas padidėja 4 kartus), todėl net ir 2,718 kartų mažesnio intensyvumo bangos, įsiskverbusios į žmogaus kūną, gali jame ar atskirose jo dalyse sukurti didesnę nei 0,08 W/kg galią, taip viršijant sveikatingumo ribą (JAV Federalinės komunikacijų komisijos (Federal Communications Commission) duomenimis ji turi neviršyti 1,6 W/kg, t. y. 14,5 kartų mažesnės už Lietuvos Respublikos Sveikatos apsaugos ministerijos nustatytą sveikatingumo normą) ir sukeliant kūne liekamuosius pokyčius.  

Koks yra sugertų bangų poveikis žmogui?

Atlikta daug mokslinių tyrimų, įvertinančių žala žmogaus organizmui, kurią sukelia intensyvios nejonizuojančios spinduliuotės. Ištirtas poveikis žmogaus reprodukcinei sistemai (paskelbta per 100 mokslinių publikacijų aukšto citavimo indekso moksliniuose žurnaluose), žmogaus kūno ląstelių augimui ir vystymuisi (daugiau kaip 100 mokslinių publikacijų), širdies darbui (per 30 mokslinių publikacijų) ir kt. Juose gausu tiesioginių ir netiesioginių tyrimų rezultatų, įrodančių, jog poveikis žmogaus organizmui tikrai yra. Belieka tik išsiaiškinti, ar tas poveikis tikrai žalingas. 

Poveikio vertinimas gana komplikuotas, tad tyrimų rezultatai nevienareikšmiai. Jie priklauso ne tik nuo žmogaus organizmo reakcijos į elektromagnetinių bangų/fotonų poveikį, bet ir nuo kūno formos, poodinio riebalinio sluoksnio storio, raumenų audinių apimties, organizmo imuniteto, t. y. nuo imuninės sistemos potencialo atpažinti pažeistas ląsteles ir jas pašalinti ir kt. 

Dalis eksperimentinių ir teorinių skaičiavimų rezultatų vienareikšmiai ir gali būti tiesiogiai patikrinti. Pavyzdžiui, moksliniai rezultatai patvirtina, jog 4 W/kg spinduliuotės galią sugeriančio žmogaus kūno temperatūra pakyla vidutiniškai vienu laipsniu, t. y. absoliučiai sveiko žmogaus apšvitinamos kūno dalies temperatūra pakyla iki 37,6o C. Apšvitinamo žmogaus kūno temperatūra gali kisti priklausomai nuo jo apšvitinimo trukmės ir kraujotakos sistemos potencialo skubiai ataušinti bangų įkaitintas kūno vietas. 

Lokalus temperatūrų skirtumo atsiradimas žmogaus kūne sukuria ne tik įelektrintų (pavyzdžiui, baltyminių molekulių), bet ir neįelektrintų molekulių difuziją iš šiltesnės zonos į vėsesnę, nepriklausomai nuo pradinės jų judėjimo krypties, reikalingos gyvybiškai svarbiems biologiniams procesams. Tad kiek ilgiau bendravę mobiliaisiais įrenginiais pajuntame nemotyvuotą nuovargį, galvos skausmus ir/ar net irzlumą. Mokslininkai teigia, jog elektromagnetinis laukas veikia kūno ląsteles ir jų metabolizmą. Stiprūs laukai ir ilgalaikis jų poveikis ardo genomą ir sukuria prielaidas vėžiniams susirgimams.

Ar vertėtų atsisakyti į rinką besiveržiančio 5G judriojo ryšio?

Šiandien niekam nebeabejojant dėl mobiliųjų įrenginių poreikio ir jų pranašumo prieš stacionariuosius įrenginius, 5-osios kartos judriojo radijo ryšio (5G) dėka (Europoje jis realizuojamas 0,7 GHz, 3,5 GHz ir 26 GHz dažnių bangų ruožuose) kuriamos automatizuotos, robotų aptarnaujamos produktų gamybos linijos, plečiasi dirbtinio intelekto pritaikymų praktikoje, pažangių technologijų kūrimo ir nuotolinio įrenginių ir priemonių valdymo galimybės. 

Tačiau 5G judriojo radijo ryšio signalus patikimai perduoti galima tik santykinai trumpu atstumu. Todėl ryšių technologijos realizavimui tankiai apgyvendintuose rajonuose prireiks didelio skaičiaus spinduliuojančių antenų (šaltinių), išrikiuotų išilgai automatizuotos gamybos ar transporto linijų atstumu prilygstančiu atstumui tarp gatvės apšvietimo stulpų, sumontuotų vos 6-10 m aukštyje nuo grindinio paviršiaus. Tik taip bus galima užtikrinti patikimą duomenų perdavimo neilgesnę nei ~1 milisekundė (1 ms = 0,001 sekundės dalis) delsą. 5G technologijos realizavimas tankiai apgyvendintuose rajonuose (planuojant patenkinti kuo didesnio paslaugų vartotojų skaičiaus lūkesčius) susijęs ne tik su geresne paslaugų kokybe bei didelėmis investicijomis, bet ir intensyvia pačių vartotojų apšvita. Vykdant 5G judriojo ryšio plėtrą Lietuvoje, iškyla reali grėsmė ryšio paslaugų vartotojams atsitiktinai patekti į didelės galios elektromagnetinių bangų zonas. 

5G judrusis ryšys neabejotinai reikalingas šiuolaikinei visuomenei ir darniam naujų technologijų vystymuisi, tačiau judriuoju ryšiu reiktų naudotis atsakingai, iki minimumo sumažinant žalingą bangų/fotonų tiesioginį poveikį vartotojui. Būtina kurti 5G ryšio signalų aukšto kryptingumo modernias antenas, spinduliuojančias siaurais erdviniais kampais tik į imtuvų, priimančių signalus, antenas bei stipraus 5G signalo zonas pažymint specialiais ženklais, įspėjančiais vartotojus apie jų keliamą pavojų sveikatai. 

Didelės galios 5G ryšį saugu naudoti tik šalia automatizuotų gamybos linijų pilnai automatizuotose gamyklose, esančiose atokiau nuo žmonių masinio susibūrimo vietų, poilsio zonų, gyvenamųjų namų ir darboviečių. Visur, kur tik galima realizuoti, didelės galios signalų bevielį ryšį reiktų pakeisti į laidinį/šviesolaidinį, netgi jei tai ir brangesnis technologijos įdiegimo kelias. Atsisakyti 5G judriojo ryšio privalumo būtų klaida, tačiau būtina nuolat mokytis išmaniai naudotis civilizacijos išradimais ir vis tobulėjančiomis technologijomis, kuo ilgiau išliekant sveikais ir kūrybingais.