«Denken wir doch über den Tellerrand hinaus!»
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«Denken wir doch über den Tellerrand hinaus!»

Prof. Dr. Leuthold ist Leiter des Instituts für elektromagnetische Wellen an der ETH in Zürich. Tönt kompliziert? Umso einfacher fällt seine Erklärung aus, was 5G tatsächlich ist und was der neue Mobilfunkstandard unserer Gesellschaft bringt.

Sie erforschen etwas, das man gar nicht sieht. Wie entwickelt man für so etwas eine Leidenschaft?

Ich habe Physik studiert, weil ich wissen wollte, wie die Natur funktioniert. In einer Physik-Anfänger Vorlesung konfrontierte uns ein Professor mit vier mathematischen Gleichungen – den sogenannten Maxwell-Gleichungen. Mit diesen lassen sich alle Phänomene der Elektrizität, des Magnetismus oder der elektromagnetischen Wellen beschreiben. Dass vier Gleichungen genügen um elektrische Motoren, die Stromübertragung, die Mobilkommunikation oder Licht zu beschreiben, hat mich fasziniert.

Und nun, nach zig Jahren Forsch- und Lehrtätigkeit – verstehen Sie die Natur?

Sagen wir es so: Die Frage, was zum Beispiel Licht ist, kann bis heute ehrlicherweise nicht beantwortet werden. Wir können zwar die Phänomene anhand von physikalischen Formeln beschreiben, aber ich könnte selbst einem Physiker mit einer Argumentationskette zeigen, dass er oder sie das Phänomen Licht nicht abschliessend verstanden hat. Da gibt es Sachen, die man nur zur Kenntnis nehmen kann.

Ärgert Sie das?

Nein, es ist faszinierend.

Mal ganz ohne Mathematik, was sind elektromagnetische Strahlen?

Unter elektromagnetischen Strahlen verstehen wir Wellen, welche in unterschiedlichsten Frequenzbereichen schwingen. Sie transportieren ein elektrisches und magnetisches Feld. Wir nehmen diese als ganz unterschiedliche Phänomene wahr. Zum Beispiel strahlen wir alle elektromagnetische Wellen aus – wenn Hände sich nähern, spüren wir zum Beispiel deren Wärme als elektromagnetische Infrarotstrahlung. Sichtbare Lichtstrahlen sind elektromagnetischen Strahlen. Ein Elektromotor funktioniert nur dank elektromagnetischer Wellen. Und auch die ganze Mobilfunktechnologie nutzt elektromagnetische Felder.

Bezogen auf den Mobilfunk, wie funktioniert zum Beispiel eine Antenne, die elektromagnetische Strahlen auf mein Handy sendet?

Da hilft dieses Bild: Denken Sie an einen Laptop mit einer Leuchtdiode. Sie zeigt an, ob das Gerät betriebsbereit ist. Diese Leuchtdiode blinkt ja alle paar Sekunden. Wenn der Laptop nun im Gang steht und ich bei leicht geöffneter Tür im Schlafzimmer liege, sehe ich dieses Lämpchen in der Nacht immer wieder aufleuchten. Als schwaches Blinken.

…und es ärgert mich in der Nacht.

Genau. Weil Ihre Augen – oder um im Bild zu bleiben, ihr Handy – gute Sensoren hat, die dieses Blinken erkennen. So funktioniert eine Mobilfunk-Antenne. Sie sendet einen Impuls in Form einer elektromagentischen Welle. Dieser Impuls ist schwach, wenn er endlich beim Empfänger ankommt. Der Empfänger aber ist extrem empfindlich, so dass er die Information empfangen kann.

Unsere Augen sind nicht in der Lage, elektromagnetische Wellen wahrzunehmen. Wie sähe die Welt aus, wenn wir das könnten?

Wenn wir mit den Augen die Wellen im Mobilfunkspektrum sähen, würden wir etwa den Himmel ganz anders wahrnehmen. Er wäre immer hell erleuchtet, denn das Weltall ist voller elektromagnetischer Radio-Quellen. Und natürlich würden wir auch überall dieses unscheinbare Blinken wahrnehmen: Signale von Handys oder Antennen. In einer solchen Welt wären viele Hausfassaden fast durchsichtig. Darum haben wir Handy-Empfang in der Wohnung: Die Wellen durchdringen im Frequenzbereich des Mobilfunks verschiedenste Wände.

Swisscom hat Frequenzen um 700 Megahertz und um 3.5 Gigahertz ersteigert. Was bringen diese verschiedenen Frequenzblöcke?

Auf höheren Frequenzen kann man mehr Informationen übertragen, weil die Wellen schneller schwingen. Das erhöht die Effizienz. Auch gibt es dort noch mehr ungenutzte Frequenzbereiche. Dafür ist die Ausbreitung bei höheren Frequenzen schlechter. Die höheren Wellen durchdringen zum Beispiel Gebäudehüllen weniger gut. Bei tieferen Frequenzen schwingen die Wellen weniger schnell, dafür durchdringen sie Mauern leichter.

Müssen wegen der neuen Frequenzen überall neue Mobilfunkantennen gebaut werden?

5G bedeutet primär, dass wir mit besserer Software und besserer Hardware arbeiten. Der Standard hat nichts mit der Wahl der Frequenzen zu tun. Zufälligerweise wird nun 5G zusammen mit neu versteigerten Frequenzen lanciert. Doch lassen Sie mich zuerst über die Software reden. 5G wartet zum Beispiel mit einem besseren Protokoll auf. Ein Kommunikationsprotokoll organisiert, wie die Sender und Empfänger miteinander kommunizieren. Das 5G-Protokoll liefert viel zuverlässigere und schnellere Verbindungen.

Auch hat sich die 5G-Hardware so verbessert, dass man z.B. mit schwächeren Signalen grössere Datenmenge übertragen kann. Dazu braucht es aber neue Geräte auf Sender- und Empfängerseite. Doch zurück zur Frage der Zahl der Antennen. Hier gibt es eine Reihe von Gründen, weshalb es zusätzliche Antennen braucht. Zum Beispiel wegen des stark anwachsenden Datenverkehrs. Die neue Technologie mag noch so effizient sein, doch die Standorte haben keine grossen Reserven mehr.

Was macht denn dieses Protokoll besser? Oder um nicht allzu technisch zu werden, was macht der 5G-Standard besser?

Ich gebe Ihnen einige Beispiele: Wenn ich heutzutage mit 4G auf dem Mobiltelefon via Whatsapp telefoniere, dann habe ich immer wieder Unterbrüche, weil das Protokoll den Datenaustausch zwischen Handy und Antenne nicht maximal effizient organisiert. Mit dem 5G-Protokoll sollte es weniger Unterbrüche geben. Mit 4G kann ich zwar 100 Geräte gleichzeitig ansteuern, aber ich kann nicht einem einzelnen Gerät ganz hohe Kapazitäten übertragen.

Diese Bündelung kann erst 5G. Mit 4G ist auch keine Echtzeitkommunikation möglich, 5G erlaubt im Endausbau ein Verbindungsaufbau innert 1 Millisekunde. Eine spannende Möglichkeit ist zudem, dass mit 5G in Zukunft Geräte untereinander direkt kommunizieren können. Das Signal muss nicht mehr über eine Antenne und zurück gesendet werden. Auch das erhöht die Geschwindigkeit und vermeidet unnötigen Datenverkehr.

Das Protokoll macht 5G also effizienter als 4G?

Nicht nur das Protokoll, auch die Hardware ist effizienter. 5G bringt Antennen, welche neben «Ein» und «Aus» auch weitere Lichtwerte erkennen und daraus mehr Informationen ableiten können. Mit gleicher Leistung mehr Informationen empfangen – auch dies ist ein Effizienzsprung. Es ist ein Zusammenspiel aller Komponenten.

Was gibt es zu den adaptiven Antennen zu sagen?

Unter 5G kann eine Antenne die Energie dorthin senden wo diese gebraucht wird. Bis anhin wird die Mobilfunkstrahlung rund herum gesendet. Das ist ineffizient. Stellen Sie sich vor, Sie stehen von mir aus gesehen «auf zwei Uhr», also rechts von mir. Wieso muss ich die Energie rundherum schicken, wenn ich doch weiss, wo Sie stehen? Es ist doch viel effizienter, die Energie zielgerichtet auf zwei Uhr zu senden. Das spart masssiv Energie.

Ein weiterer Vorteil: Mit 4G sendet eine Antenne immer mit voller Leistung, auch wenn der Empfänger ganz in der Nähe ist. Unter 5G wäre es möglich die Leistung zu reduzieren, wenn diese nicht benötigt wird. Und noch etwas: Unter 5G müssen die Teilnehmer im Netz bei Nichtnutzung deutlich weniger mit der Antenne kommunizieren. Neuere Handys sollten deshalb bei gleicher Nutzung eine längere Batterielebensdauer haben.

Effizienz ist natürlich immer gut. Doch viele Menschen fragen sich, was sie davon haben.

Denken wir über den Tellerrand hinaus, es geht ja nicht nur ums Handy. Sie können mit 5G ganz kleine Geräte mit Sensoren betreiben, deren eingebaute Batterie viel länger halten.

Sie sprechen vom «Internet of Things» oder von Sensoren zur Messung der Luftreinheit oder solchen, die Menschen im Alltag helfen.

Das neue Protokoll und die neuen Geräte erlauben viele neue Anwendungen. Man könnte dem an Alzheimer erkrankten Verwandten ein ultraleichtes  Armband anziehen, dessen Batterie ein Jahr lang hält. Wenn diese Person nicht mehr nach Hause findet, kann ich herausfinden, wo sie ist. Solche Anwendungen werden unser Leben prägen.

Produktionsfirmen freuen sich, dass sie Sensoren in ihren Fabriken nicht mehr mit Kabel verbinden müssen.

Es dürfte für viele Firmen ein Vorteil sein, dass sie bei einer Änderung des Produktionsablaufs an Verkabelungen sparen können. Einfach Sender und Empfänger installieren und die Anpassung per Software machen. Ich denke, in der Praxis wird man allerdings dort, wo grosse Daten-Kapazitäten notwendig sind, noch für längere Zeit eine Leitung verlegen – ganz einfach aus dem Grund, weil auch beim Mobilfunk die Kapazitäten (noch) begrenzt sind.

Herr Leuthold, Sie sehen in der fortschreitenden Technologisierung viele Vorteile. Andere sind skeptischer. Kann sich aus Ihrer Sicht die Gesellschaft diesem Wandel entziehen?

Grundsätzlich können wir das schon. Um beim Beispiel mit dem Alzheimer-Patienten zu bleiben: Natürlich können wir sagen, dass wir diese Anwendung nicht wollen. Dann muss die Gesellschaft einfach sicherstellen, dass diese Menschen auch schon in einem frühen Stadium in Altersheime gehen können, wo sie adäquat betreut werden. Das bedeutet mehr Altersheime. Alternativ könnten wir die Technik nutzen, damit diese Menschen möglichst lange autonom leben können. Es ist nicht an mir, hier eine Entscheidung herbeizuführen.

Einige Menschen wollen nicht noch mehr Technologie ins Leben einbauen. Man hat ja kaum Zeit, eine neue Routine zu entwickeln bei bestehenden Geräten. Wieso bleiben wir einfach nicht bei 4G und machen das beste daraus?

Tatsächlich – wir müssen überhaupt nichts. Vor 20 Jahren hat die Hälfte meiner Kollegen gesagt: «Ich werde nie ein Handy haben!». Wenn ich nun zurückschaue auf das Leben vor 20 Jahren, was war das eine Plage mit der Reiseplanung. Immer wenn ich irgendwohin wollte, musste ich auf physische Karten zurückgreifen, sie kaufen oder ausdrucken. Wenn du mit jemandem abgemacht hast und dich verpasst hast? Es bestand keine Möglichkeit, sich zu finden. Es ist doch heute so viel einfacher. Früher musste man jedes Treffen genau planen.

Mit dem Vorteil, dass man besser organisiert war …

Ja, und auch disziplinierter. Um auf Ihre Frage zurückzukommen: Man muss wirklich gar nichts. Wir müssen uns einfach fragen, in welcher Art Gesellschaft wir leben wollen, oder ob wir nicht vom technischen Fortschritt profitieren wollen. Ich sehe natürlich auch die vielen Herausforderungen, Stichwort Handy-Sucht, oder dass sich auch Kriminelle dem Internet bedienen, um zu schaden. Das ist ein Problem, mit dem umzugehen wir lernen müssen – und die Gesellschaft muss eine Antwort darauf finden.

Die Cyber-Risiken sind real.

Sie sind es mit oder ohne 5G. Wir Anwender wollen ja immer alles nutzen, alles muss automatisiert sein. Wer jede Anwendung unkritisch nutzt, hat ein Problem. Und alles soll am liebsten gratis sein. Sicherheit ist aber teuer und umständlich. Jeder einzelne hat es in der Hand, für mehr Sicherheit zu sorgen.

Auf was freuen Sie sich?

Das interessante ist ja immer das, was es noch nicht gibt. Denken wir an Zeiten zurück, als es Google noch nicht gab. Die Gegenwart bietet uns enorm viel – und vieles kommt ja erst: Die Elektrifizierung des Verkehrs. Die Möglichkeiten, Strom nur noch aus erneuerbaren Quellen zu nutzen. Die Möglichkeiten, dass wir elektronische Sensoren in Autos einbauen und so die Unfallzahlen senken können – auf all diese Dinge freue ich mich. Dass die Unfallstatistik in den vergangenen Jahren immer besser wurde, liegt nur zum Teil an schärferen Gesetzen. Ein modernes Auto erkennt Fussgänger und hält automatisch Abstand. Diese Technologien helfen uns.

Sie freuen sich auf mehr Intelligenz.

Ja. Heute kann Ihnen ein Sensor am Handgelenk einen Hinweis darauf geben, dass sie vielleicht an einem Herzproblem leiden. Da werden wir gewaltige Entwicklungen sehen. Und diese Geräte müssen alle miteinander kommunizieren. Wir können das alles ausblenden und sagen, das brauche ich heute nicht und morgen auch nicht… So kann man leben. Man kann auch sagen, ich will keinen Impfstoff für die Wintergrippe oder für das neuartige Corona-Virus. Das Ablehnen der modernen Medizin oder der Mobilfunktechnologie respektiere ich. Ich selber aber will das nicht.

Haben Sie als Student, der in der Vorlesung von den vier Gleichungen hörte, an eine solche Entwicklung gedacht?

Diese Kapazitäen, die wir heute haben, diese Art, wie wir heute kommunizieren, das galt aus Sicht der Physik vor 20 Jahren als nicht möglich. Und man hat auch beweisen können, dass es nicht möglich ist (lacht). Interessant am Verlauf der Geschichte ist: Immer dann, wenn man «ansteht», kommt jemand, der einen anderen Weg findet. Und dann geht es doch.


Bereit. Mit Fakten und Wissen rund um 5G.

Mit der Einführung von 5G werden mögliche Gesundheitsrisiken des Mobilfunks breit öffentlich diskutiert. Aber ist Mobilfunk tatsächlich schädlich? Was tut Swisscom vorsorglich für unseren Schutz?

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