interferenze dei campi elettromagnetici con dispositivi elettronici e

Telefonia cellulare e aeromobili: interferenze dei campi
elettromagnetici con dispositivi elettronici e interazione con
passeggeri
Lopresto, V., Pinto, R., Mancini, S., e Lovisolo, G. A.
Sezione di Tossicologia e Scienze Biomediche, Centro Ricerche Casaccia, ENEA,
via Anguillarese 301, 00060 S. Maria di Galeria (RM), [email protected]
Ardoino, L.
APAT, via Vitaliano Brancati 48, 00144 Roma, [email protected]
Riassunto
La possibilità di utilizzo dei telefoni cellulari sugli aerei è una prospettiva commerciale di attualità. In questo
lavoro, dopo una breve rassegna sui lavori pubblicati, in cui è stato analizzato il problema di possibili interferenze
dei telefoni cellulari con i sistemi elettronici di bordo degli aeromobili, è stato condotto uno studio, basato su
simulazioni numeriche, per valutare i livelli di esposizione dei passeggeri al campo elettromagnetico emesso dai
telefoni cellulari. I risultati hanno evidenziato che le intensità dei campi elettrico e magnetico sono inferiori ai limiti
di riferimento stabiliti dall’ICNIRP per l’esposizione della popolazione.
A) INTRODUZIONE
La rapida diffusione dei sistemi di radiocomunicazione e dei dispositivi elettronici portatili (personal
electronic devices, PED) offre interessanti prospettive di sviluppo anche nel settore dell’aviazione
civile. Infatti, le maggiori compagnie aeree di linea hanno cominciato a installare reti locali senza fili
(wireless local area network, WLAN) su alcuni aeromobili, per offrire a bordo un servizio di accesso a
Internet a larga banda. L’uso di telefoni cellulari è, invece, ancora vietato dalle autorità delle
telecomunicazioni e dell’aviazione civile, con l’accordo dei vettori aerei commerciali e dei principali
gestori di telefonia cellulare. La ragione di un tale divieto risiede nel fatto che l’uso di telefoni cellulari a
bordo di aerei può causare disturbi alla rete di comunicazione cellulare di terra e può, potenzialmente,
produrre interferenze con la strumentazione elettronica di bordo. Ciò non di meno, la possibilità di
utilizzo dei telefoni cellulari durante la fase di crociera del volo è una prospettiva commerciale di
attualità sia per le compagnie aeree di linea che per i gestori di telefonia mobile, nonché un servizio
per i passeggeri. Infatti, i telefoni cellulari di ultima generazione sono in grado di offrire, oltre al servizio
di chiamata vocale e di brevi messaggi testuali (SMS), servizi evoluti e diversificati quali, ad esempio,
il trasferimento dati ad alta velocità. La possibilità per i passeggeri di usufruire a bordo di questi servizi
sarebbe senz’altro un valore aggiunto, in specie sui voli di lungo raggio.
In letteratura si ritrovano diversi studi sulle possibili interferenze dei telefoni cellulari con la
strumentazione elettronica di bordo degli aeromobili [1-8]. Sarebbe inoltre da considerare un altro
aspetto correlato con la sicurezza nell’uso dei telefoni cellulari a bordo, che riguarda i livelli
dell’esposizione dei passeggeri e del personale di servizio al campo elettromagnetico irradiato dai
telefoni cellulari all’interno di un ambiente sostanzialmente chiuso (la cabina passeggeri) e a pareti
riflettenti.
Nell’intento di contribuire all’approfondimento necessario per la sicurezza, in questo lavoro è stato
condotto uno studio preliminare, realizzato mediante simulazioni numeriche e considerando condizioni
semplificate, sulla valutazione del campo elettromagnetico irradiato da telefoni cellulari all’interno della
cabina passeggeri di un aeromobile. L’analisi è stata rivolta ad alcuni casi paradigmatici, onde
valutare i livelli di esposizione raggiungibili, che sono stati confrontati con i limiti di riferimento per la
popolazione stabiliti dalla Commissione Internazionale per la Protezione dalle Radiazioni NonIonizzanti (International Commission on Non-Ionising Radiatio Protection, ICNIRP) [9].
B) TELEFONIA CELLULARE E AEROMOBILI
1) INTERFERENZE ELETTROMAGNETICHE CON I SISTEMI AERONAUTICI
Le statunitensi Federal Communication Commission (FCC) e Federal Aviation Authority (FAA)
hanno vietato l’uso dei telefoni cellulari a bordo di aeromobili rispettivamente per due ragioni distinte: i
telefoni cellulari possono agganciarsi alla rete cellulare terrestre durante le fasi di volo, decollo o
atterraggio, causando disturbo alla rete stessa [10]; a causa delle distanze coinvolte, la trasmissione
avviene a livelli di potenza relativamente elevati (fino a un massimo di 2 W), superando i limiti stabiliti
dalle normative aeronautiche [3].
I problemi di interferenza elettromagnetica con la strumentazione elettronica di bordo riguardano
principalmente la trasmissione di dati e comandi, nonché i sistemi di radionavigazione. Sebbene non
vi sia una sovrapposizione diretta delle frequenze operative dei telefoni cellulari con le frequenze
operative dei sistemi radio di bordo, è stato dimostrato che l’inter-modulazione di due telefoni cellulari
molto vicini può produrre emissioni nella banda di frequenze di funzionamento del sistema di
posizionamento (global positioning system, GPS) [5]. Si tratta comunque di risultati tratti da analisi
teoriche, che non sono in grado di quantificare gli effetti e il rischio reale nelle condizioni operative,
non essendovi stati riscontri in condizioni sperimentali.
2) ESPOSIZIONE AI CAMPI ELETTROMAGNETICI ALL’INTERNO DI UN AEROMOBILE
Il problema della valutazione del livello di esposizione umana al campo elettromagnetico emesso
dai telefoni cellulari presenta alcuni aspetti peculiari [11], che possono essere così riassunti: il
soggetto è vicino a una sorgente radiante di bassa potenza (il telefono cellulare); l’esposizione è
estremamente localizzata, ma coinvolge una regione del corpo altamente disomogenea (la testa). Per
queste ragioni, i telefoni cellulari devono rispettare requisiti precisi in termini di potenza per unità di
massa (specific absorption rate, SAR) indotta nella testa dell’utente [12-13].
Nel caso di uso di telefoni cellulari a bordo di aeromobili, è da considerare un ulteriore aspetto,
concernente il fatto che i telefoni irradiano in un ambiente confinato e delimitato da pareti
sostanzialmente riflettenti. In una siffatta situazione è necessario conoscere anche il campo
elettromagnetico emesso dai telefoni nell’ambiente, onde valutare se i livelli di riferimento fissati
dall'ICNIRP per la popolazione, possano essere raggiunti o superati.
3) USO DEI TELEFONI CELLULARI A BORDO DI AEROMOBILI
Per consentire il funzionamento dei telefoni cellulari sugli aerei, sarebbe necessario installare a
bordo dell’aeromobile un sistema di comunicazione mobile emulante una stazione radio base a picocella, collegato via satellite alla rete di telecomunicazione terrestre (fig. 1). Questo sistema
consentirebbe il funzionamento in trasmissione dei telefoni cellulari con livelli di potenza sensibilmente
inferiori a quelli massimi (di oltre 20 dB), facendo così rientrare le loro emissioni all’interno dei limiti
stabiliti dalla normative aeronautiche, e potrebbe altresì inibirne il funzionamento durante le fasi
critiche del volo (decollo e atterraggio). Inoltre, si avrebbe una riduzione del livello di esposizione dei
passeggeri e dell’equipaggio.
Nel 2004 è iniziato un processo di consultazione tra le maggiori autorità nazionali e internazionali
delle telecomunicazioni e dell’aviazione civile con l’obiettivo di definire le linee guida per un uso sicuro
dei PED (tra cui i telefoni cellulari) e delle reti wireless (tra cui reti le cellulari a pico-cella) a bordo,
nonché per il progetto degli aeromobili secondo appropriati requisiti di compatibilità elettromagnetica.
Per la fine del 2006 è attesa una decisione al riguardo. Alcune compagnie aeree hanno annunciato a
partire dal 2007 l’inizio di un servizio sperimentale di telefonia cellulare a bordo di aeromobili di nuova
generazione.
Figura 1 – Architettura di interconnessione di rete
Schema dell’architettura di interconnessione tra il sistema radio base di bordo con pico-cella e la rete di
telecomunicazione terrestre (Fonte OnAir) [15].
C) METODI E MODELLI
Lo studio condotto in questo lavoro è stato basato su simulazioni numeriche e si è focalizzato su
un modello commerciale di aeromobile (ATR 42, fig. 2), le cui dimensioni relativamente piccole hanno
consentito di contenere i requisiti computazionali. Le simulazioni numeriche sono state condotte con il
codice commerciale Computer Simulation Technology (CST) Microwave Studio 5, basato sulla tecnica
delle integrazioni finite [14]. E’ stato sviluppato un modello semplificato della cabina passeggeri,
consistente di un tubo cilindrico di alluminio (conducibilità elettrica σ = 3.73 107 S/m) con base ellittica,
chiuso alle due estremità da pareti di alluminio e troncato longitudinalmente nella parte inferiore dal
piano del corridoio, anch’esso di alluminio. Le dimensioni del modello numerico sono le seguenti: 16.4
m di lunghezza, 2.6 m di larghezza, 1.9 m di altezza.
Figura 2 – ATR42.
Velivolo bimotore, con una lunghezza di 22.7 m e cabina larga 2.6 m; prevede il trasporto di 42 passeggeri.
Le sorgenti radianti, simulanti telefoni cellulari, sono state modellate come dipoli a semi-onda,
orientati verticalmente e disposti con il traferro a un’altezza di 1.1 m dal pavimento (corrispondente
all’altezza della testa di un individuo adulto in posizione seduta). I dipoli operano alla frequenza di 900
MHz, che si trova nella banda di frequenze di up-link (890-915 MHz) del sistema di comunicazione
mobile global system for mobile communications (GSM) 900 MHz, e sono alimentati da una potenza
nominale d’ingresso pari a 1 W; l’eccitazione del campo è stata impressa nel traferro del dipolo con
una sorgente di tensione avente l’andamento temporale di una sinusoide modulata in intensità da un
impulso gaussiano.
Nello studio preliminare la cabina passeggeri è stata modellata come una cavità metallica vuota,
con un’apertura (64 cm di larghezza e 180 cm di altezza) sulle due sezioni terminali (fig. 3.a), onde
simulare i passaggi di accesso rispettivamente alla cabina di pilotaggio e alla toilette. Pertanto
l’energia del campo elettromagnetico può solo essere irradiata attraverso le aperture ovvero dissipata
a causa delle perdite delle pareti metalliche. L’effetto dei finestrini è stato intenzionalmente non
considerato, giacché si è voluto condurre lo studio in condizioni di caso-peggiore dal punto di vista
espositivo; inoltre è possibile ricoprire i finestrini degli aeromobili con speciali vernici a film metallico
sottile, trasparenti alla luce visibile ma schermanti le radiofrequenze. Con il modello descritto sono
stati studiati due casi paradigmatici di emissione: due dipoli disposti simmetricamente, rispetto all’asse
longitudinale z, nel centro e simultaneamente irradianti (caso 1), e ventidue dipoli distribuiti
uniformemente e simultaneamente irradianti (caso 2). I due casi rappresentano le situazioni in cui
rispettivamente il 4.8% e il 52.4% dei passeggeri (il cui numero massimo è pari a 42) sta effettuando
una chiamata con il telefono.
Figura 3 – Modelli numerici della cabina passeggeri.
(a)
(b)
(a) Casi 1 e 2 : cavità metallica vuota con due aperture sulle sezioni terminali.
(b) Caso 3: cavità metallica chiusa contenente due fantocci di materiale dissipativo simulanti due passeggeri.
E’ stato inoltre considerato un terzo caso (caso 3), in cui la cabina passeggeri è stata
rappresentata come una struttura chiusa, contenente due fantocci simulanti, in modo molto
semplificato, un individuo adulto in posizione seduta (fig. 3.b). Il fantoccio consiste di un cilindro con
raggio di 15 cm e altezza di 1.2 m, avente una massa di circa 80 kg e le proprietà dielettriche del
sangue, che sono prossime ai valori dielettrici mediati su tutti i tessuti del corpo: conducibilità elettrica
σ = 1.54 S/m, permettività relativa εr = 61.36 (questi due valori sono riferiti alla frequenza di 900 MHz),
densità di massa ρ = 1000 kg/m3. I fantocci sono stati disposti simmetricamente, rispetto all’asse
longitudinale z, nel centro della cabina (fig. 3.b); i dipoli sono disposti quasi a contatto con i fantocci,
con il traferro a un’altezza di 1.1 m dal pavimento, onde simulare l’esposizione localizzata della testa.
In questo caso, l’energia del campo elettromagnetico può solo essere assorbita dai fantocci o
dissipata a causa delle perdite delle pareti metalliche. Il Modello 3 può essere considerato
rappresentativo di una situazione più realistica, a causa dell’assorbimento di potenza da parte delle
masse dissipative dei fantocci.
Nelle simulazioni numeriche è stata dedicata una cura particolare al condizionamento del grigliato,
onde raggiungere un compromesso tra buona accuratezza del calcolo e impegno delle risorse
computazionali. Pertanto è stato utilizzato un grigliato con celle di dimensioni variabili, con un passo
minimo di 0.4 cm (pari a circa 1/10 della lunghezza d’onda λ nel mezzo dissipativo alla frequenza di
900 MHz), fino ad arrivare a un passo massimo di 3.9 cm (pari a circa λ/8 a 900 MHz in aria).
D) RISULTATI
Nelle figure 4 e 5 sono rappresentate rispettivamente le distribuzioni di intensità dei campi elettrico
(E) e magnetico (H), calcolate per 1 W di potenza di ingresso a ciascun dipolo e riferite al caso 2. In
particolare, le figure 4.a e 5.a illustrano le distribuzioni sul piano trasversale xy (sedili) al centro della
cabina (z = 820 cm), mentre le figure 4.b e 5.b mostrano le distribuzioni sul piano longitudinale yz
(corridoio) al centro della cabina (x = 0 cm). Si può notare come le distribuzioni dei campi E e H siano
sostanzialmente uniformi, quantunque presentino alcuni punti caldi (hot spots): questa configurazione
elettromagnetica è tipica di una cavità a pareti metalliche, caratterizzata dalla propagazione e dalle
riflessioni sulle pareti.
Figura 4 – Distribuzioni di intensità del campo elettrico calcolate per 1 W di potenza di ingresso.
(a)
(b)
(a) piano trasversale xy (sedili) al centro della cabina (z = 820 cm); (b) piano longitudinale yz (corridoio) al
centro della cabina (x = 0 cm).
Figura 5 - Distribuzioni di intensità del campo magnetico calcolate per 1 W di potenza di ingresso.
(a)
(b)
(a) piano trasversale xy (sedili) al centro della cabina (z = 820 cm); (b) piano longitudinale yz (corridoio) al
centro della cabina (x = 0 cm).
Le Tabelle 1 e 2 sono un riepilogo dei risultati ottenuti dalle simulazioni nei tre casi esaminati: i
risultati sono stati riportati in termini di valori efficaci medio e massimo nonché di deviazione standard
delle distribuzioni di intensità dei campi E (Tabella 1) e H (Tabella 2), normalizzate alla potenza di
0.25 W (pari alla massima potenza media nel tempo nominale emessa da un telefono GSM operante
nella banda 900 MHz). Dal confronto, riferito a una condizione di caso peggiore dal punto di vista
dell’esposizione (sorgenti che emettono alla massima potenza), con i livelli di riferimento stabiliti
dall’ICNIRP per la popolazione alla frequenza di 900 MHz [9] si può notare che, in tutti e tre i casi
esaminati, i valori d’intensità del campo elettromagnetico risultano inferiori ai limiti. Si noti che tali limiti
sono riferiti a un’esposizione a corpo intero e sono da intendersi mediati su un intervallo temporale di
6 minuti. I risultati riportati nella tabella inoltre evidenziano che, a parità di configurazione delle
sorgenti (casi 1 e 3), la presenza di masse dissipative (i fantocci) molto vicine alle sorgenti (caso 3)
determina una riduzione delle intensità medie dei campi elettrico e magnetico di oltre il 40% rispetto al
caso 1. Il caso 3 si avvicina maggiormente ad una configurazione reale, in cui il telefono è tenuto
vicino alla testa dell’utilizzatore.
Tabella 1 – Riepilogo dei risultati, in termini di valori efficaci medio e massimo e di deviazione standard delle
distribuzioni di intensità del campo elettrico (E),calcolato a 900 MHz per 0.25 W di potenza media d’ingresso di
ciascuna sorgente, nel piano xy (sedili) a z = 820 cm (a) e nel piano yz (corridoio) a x = 0 cm (b), e confronto con i
limiti di riferimento dell’ICNIRP per l’esposizione della popolazione.
Limiti di
riferimento
dell’ICNIRP
per la
popolazione
Intensità campo E (V/m)
Caso
Media
Deviazione Standard
Intensità
campo E
(V/m)
Massimo
(a)
(b)
(a)
(b)
(a)
(b)
1
0.88
0.65
1.37
0.26
26.53
2.03
2
2.62
2.18
1.59
0.87
26.24
6.46
3
0.53
0.24
3.34
0.15
38.50
0.86
41.25
Tabella 2 – Riepilogo dei risultati, in termini di valori efficaci medio e massimo e di deviazione standard delle
distribuzioni di intensità del campo magnetico (H), calcolato a 900 MHz per 0.25 W di potenza media d’ingresso di
ciascuna sorgente, nel piano xy (sedili) a z = 820 cm (a) e nel piano yz (corridoio) a x = 0 cm (b), e confronto con i
limiti di riferimento dell’ICNIRP per l’esposizione della popolazione.
Limiti di
riferimento
dell’ICNIRP
per la
popolazione
Intensità campo H (A/m)
Caso
Media
(a)
Deviazione Standard
(b)
(a)
1.25 10
-3
(b)
4.44 10
-3
Intensità
campo H
(A/m)
Massimo
(a)
6.10 10
-4
(b)
1
1.88 10
-3
4.92 10
-2
4.51 10
-3
2
5.29 10
-3
4.00 10
-3
5.20 10
-3
2.00 10
-3
5.93 10
-2
1.90 10
-2
3
1.13 10
-3
4.29 10
-4
6.84 10
-3
3.56 10
-4
6.84 10
-2
1.86 10
-3
0.11
E) CONCLUSIONI
In questo lavoro è stato condotto uno studio, basato su simulazioni numeriche, per valutare il livello
di esposizione dei passeggeri e del personale di bordo al campo elettromagnetico emesso da telefoni
cellulari nella cabina passeggeri di un aeromobile. I risultati dell’analisi, riferiti a una condizione di caso
peggiore dal punto di vista dell’esposizione (sorgenti che emettono alla massima potenza) hanno
evidenziato che, anche con molti telefoni che trasmettono simultaneamente (cioè con il 52% dei
passeggeri che effettua una chiamata), l’intensità del campo elettromagnetico rimane al di sotto dei
limiti di riferimento stabiliti dall’ICNIRP per l’esposizione della popolazione.
Come è stato illustrato, in una situazione reale, per il funzionamento dei telefoni durante il volo,
sarebbe necessario installare nell’aeromobile una pico-cella dedicata. Pertanto, i telefoni cellulari
potrebbero trasmettere con livelli di potenza sensibilmente inferiori (di oltre 100 volte) alla potenza
massima: questo eviterebbe i disturbi alla rete cellulare di terra e ridurrebbe le emissioni di campo
elettromagnetico all’interno dell’aeromobile. Ne consegue che, in una condizione d’uso reale dei
telefoni cellulari a bordo, l’esposizione dei passeggeri e dell’equipaggio presenterebbe livelli
sensibilmente inferiori ai limiti di riferimento stabiliti dalle normative; inoltre, sarebbe significativamente
ridotto il rischio di possibili interferenze con i sistemi elettronici di bordo.
Ringraziamenti
Gli Autori desiderano ringraziare il Dr. Emmanuel Leroux e il Dr. Adrian Scott di CST GmbH per la
loro collaborazione e il supporto nelle simulazioni numeriche.
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[15] http://www.onair.aero/en/faq/faq_mobile_industry.pdf