Onde millimetriche: usi, svantaggi e pericoli

Il 5G è una delle tecnologie più criticate negli ultimi tempi. A causa del suo bisogno di supportare una maggiore velocità di trasmissione dati, il 5G utilizzerà onde millimetriche (in generale tra 24 GHz e 86 GHz, in Italia nella banda a 26 GHz). Le onde millimetriche occupano la banda di frequenze estremamente elevate (da 30 GHz a 300 GHz) dello spettro delle radiofrequenze. Questa banda di frequenza ha lunghezze d’onda comprese tra 10 mm e 1 mm, e sono perciò chiamate “onde millimetriche”.

Le aziende tecnologiche stanno testando e investendo in infrastrutture di rete wireless 5G con il supporto di onde millimetriche. Le piccole celle (small cells) potrebbero presto scegliere le onde millimetriche per la loro futura implementazione. Le onde millimetriche possono sostituire le tradizionali linee di trasmissione in fibra ottica che collegano le stazioni radio base mobili. Tuttavia, in questo quadro idilliaco tracciato dai tecno-ottimisti vi sono in realtà poche luci e (soprattutto) molte ombre assai serie.

Ricerche indipendenti, del resto, mostrano già che l’esposizione a lungo termine alle radiazioni a microonde può causare il cancro nel corpo umano: gli studi decennali dell’Istituto Ramazzini e del National Toxicology Program sono molto eloquenti in tal senso, e corroborati da studi epidemiologici che legano al di là di ogni ragionevole dubbio l’uso intenso dei telefoni cellulari al cancro. Ma le telecomunicazioni sono un enorme business per le telco, che in certi Paesi pagano molto per lo spettro delle frequenze.

Applicazioni emergenti delle onde millimetriche

La tecnologia a onde millimetriche è una delle tecnologie in più rapida crescita in questo decennio. Una maggiore domanda di dati ad alta velocità, multimedia ad altissima definizione, giochi HD, sicurezza e sorveglianza, etc. porterà la tecnologia a onde millimetriche al livello successivo. Si svilupperà, se non verrà frenata, e offrirà un ampio spettro di applicazioni in futuro, sia in ambito civile sia militare, dove è stata già impiegata in passato dimostrando – come vedremo – la sua pericolosità. Eccone alcune:

  • Comunicazioni via satelliteLe onde millimetriche sono perfette per la comunicazione satellitare. Alle altitudini più alte delle orbite, funzionano perfettamente con velocità di trasmissione massiccia e bassa latenza. I satelliti permetterebbero di irradiare il segnale 5G dallo spazio, non lasciando “zone bianche” per gli elettrosensibili.
  • Applicazioni automobilisticheLa guida autonoma è un tema caldo nel mondo della tecnologia. Richiede il rilevamento di passeggeri e altri ostacoli in tempo reale e con bassa latenza. La rilevazione accurata è importante e la decisione necessaria deve essere presa in un intervallo di tempo di millisecondi. Le onde millimetriche sono la migliore opzione per il radar di rilevamento delle automobili.

  • Applicazioni mini-radarLa tecnologia radar ad alta frequenza si sta sviluppando per molteplici applicazioni. Usa una proprietà delle onde millimetriche chiamata larghezza di fascio. Il radar miniaturizzato su singolo chip è stato sviluppato utilizzando una sofisticata tecnologia a semiconduttori. Può essere usato per sensori di movimento, porte automatiche, sistemi anti-collisione, dispositivi anti-intrusione, rilevamento della velocità di veicoli, etc.
  • Applicazioni video HDLe onde millimetriche possono essere utilizzate per trasmettere video ad ultra alta definizione (UHD) a HDTV in modalità wireless. Piccoli moduli di trasmissione possono essere integrati nei dispositivi per la trasmissione HD da decoder digitali, playstation HD e altre sorgenti video ad alta definizione.
  • Cuffie per realtà virtualeLe applicazioni di realtà virtuale sono il futuro del mondo multimediale. Le onde millimetriche si adattano perfettamente ai dispositivi di realtà virtuale. Possono supportare una larghezza di banda elevata, necessaria per la trasmissione di video e audio ad alta definizione. I dispositivi VR consentono il tethering ad alta velocità da computer, altri dispositivi multimediali e offrono un’esperienza utente eccellente.
  • Tecnologia IEEE 802.11ad WiGigWireless Gigabit Alliance, o WiGig, è una tecnologia progettata per supportare futuri dispositivi multimediali e audiovisivi e interfacce di visualizzazione wireless a velocità di gigabit. La trasmissione di dati ad alte prestazioni tra dispositivi e PC può essere ottenuta utilizzando tale protocollo di trasmissione.
  • Body scannerGli scanner per il corpo umano a onde millimetriche stanno diventando popolari al giorno d’oggi. Hanno la capacità di scansionare con alta precisione e causare meno danni al corpo umano. Esistono scanner del corpo umano a onde millimetriche per la sicurezza aeroportuale. Usano una potenza di trasmissione di circa 1 mW e operano a una gamma di frequenze tra 70 GHz e 80 GHz.
  • Applicazioni medicheI ricercatori hanno scoperto che la tecnologia a onde millimetriche può essere utilizzata in applicazioni mediche come il trattamento del dolore acuto. La terapia a onde millimetriche utilizza intervalli di frequenza tra 40 Ghz e 70 GHz per sperimentare su diverse patologie mediche.

I numerosi svantaggi delle onde millimetriche

Le onde millimetriche possono supportare una maggiore velocità di trasmissione dati a causa dell’ampiezza di banda maggiore. Una trasmissione con velocità dati più elevata richiede altrimenti un cavo in fibra ottica, che ha difficoltà di implementazione, manutenzione e non è economico. Un danno al fragile filo in fibra potrebbe causare un’interruzione completa del sistema di trasmissione. La tecnologia a onde millimetriche può facilmente raggiungere una velocità di comunicazione dati di 10 GB/s.

Un altro importante vantaggio della tecnologia a onde millimetriche è la minuscola dimensione dei suoi componenti. I moderni dispositivi intelligenti e telefoni cellulari devono essere efficienti e di piccole dimensioni. Ma le onde millimetriche hanno anche degli importanti svantaggi, che tendono ad essere sottovalutati. Innanzitutto, l’architettura a onde millimetriche è complessa, e richiede un’infrastruttura tecnologica avanzata per sviluppare un sistema basato su di esse.

Un radar al silicio miniaturizzato che lavora a 120 GHz (cortesia SEMICON Europa).

Le onde millimetriche, poi, richiedono la comunicazione lungo una “linea di vista”, cioè senza ostacoli frapposti. Uno dei principali svantaggi di tali onde è la distorsione da parte dell’atmosfera. Il fenomeno può essere osservato nella trasmissione di video digitali (servizi D2H): quando il cielo è nuvoloso, i servizi DVB vengono distorti a causa della scarsa qualità del segnale. Per la distorsione dovuta alle condizioni meteo come nebbia e polvere, non sono adatte per comunicazioni a lunga distanza.

Tuttavia, per i segmenti a corto raggio, o “ultimo miglio”, la larghezza di banda disponibile nella regione delle onde millimetriche le rende ideali per la connettività a velocità come quelle della fibra ottica senza interferenze dal rumore a bassa frequenza circostante. A causa della lunghezza d’onda estremamente corta, non possono penetrare pareti di cemento e strutture forti. Le onde millimetriche vengono altamente distorte dalle molecole d’acqua e dalle molecole di ossigeno presenti nell’atmosfera.

Alla frequenza d’onda millimetrica di 60 GHz, l’assorbimento delle onde millimetriche è molto alto, con il 98 percento dell’energia trasmessa assorbita dall’ossigeno atmosferico. L’assorbimento da parte dell’ossigeno a 60 GHz limita fortemente il range. Per operare in modo affidabile anche su distanze brevi, è necessario utilizzare un’antenna a fascio stretto molto focalizzata per aumentare il livello di segnale disponibile per il ricevitore dello stesso e per ridurre le interferenze fra le radio sorgenti.

L’assorbimento atmosferico delle onde millimetriche alle varie frequenze.

La trasmissione dei segnali con onde millimetriche è causa di fondate preoccupazioni relative ai rischi per la salute, sebbene per quanto riguarda specificamente il 5G i ricercatori non abbiano dati sufficienti sull’entità dei rischi perché non sono mai stati condotti esperimenti in tal senso, tanto meno con sorgenti reali (cioè non simulate). Gli effetti biologici e sulla salute delle onde millimetriche appaiono tuttavia evidenti in altre applicazioni che qui illustreremo e non fanno, purtroppo, ben sperare per il 5G.

Inoltre, al fine di ottenere una maggiore velocità di trasmissione dati, il 5G utilizza tecniche di modulazione complessa (che sono più bioattive), uno spettro di frequenze molto più elevato, e piccole celle. Le reti cellulari convenzionali 3G e 4G trasmettono segnali inferiori a 3,6 GHz nello spettro di frequenze radio. Lo spettro di frequenza usato nella tecnologia 5G può essere suddiviso in tre bande principali: la gamma Sub-6 GHz, le onde di millimetriche di gamma intermedia e le onde millimetriche di gamma alta.

L’aumento del numero delle stazioni radio base e delle piccole celle legato alla rete 5G provoca un aumento del campo wireless cui le persone sono esposte praticamente h24 per 365 giorni l’anno. Più antenne trasmittenti verranno distribuite lungo le strade, sugli edifici, sui lampioni, etc. Gli operatori di rete decideranno a loro discrezione dove installare nuove stazioni radio base; le persone potrebbero non essere in grado di controllare le posizioni della rete, perfino se sono già elettrosensibili.

Scenario di una rete mobile 5G eterogenea. Le “piccole celle” servono ciascuna una delle aree in rosso con onde millimetriche, mentre macro-celle simili a quelle del 4G serviranno l’accesso alle frequenze nella regione delle microonde (cioè fino a 6 GHz).

La potenza del segnale trasmesso e il tempo di esposizione sono dunque fattori significativi in ​​questo scenario. Molti ricercatori hanno scoperto che l’esposizione a lungo termine alle radiazioni a microonde è cancerogena. Sfortunatamente, l’impatto potrebbe non essere evidente in brevissimo tempo ma causare gravi danni alle cellule umane nel tempo. Anche l’esposizione a lungo termine alle onde millimetriche potrebbe avere impatti sanitari rilevanti, e influire pure su altri organismi viventi e piante.

Gli effetti sulla salute delle onde millimetriche

Una delle principali caratteristiche delle onde millimetriche sul corpo umano è l’assorbimento da parte della pelle. L’esposizione ravvicinata alle radiazioni elettromagnetiche a onde millimetriche causa la penetrazione nella pelle (dal 60 al 90 percento nei casi estremi) a causa delle proprietà dielettriche delle cellule epiteliali umane. I ricercatori hanno osservato, infatti, che soltanto il 30-40% della potenza incidente viene riflesso dalla pelle. Ma esaminiamo più in dettaglio la questione.

Le autorità di regolamentazione – come negli Stati Uniti la FCC – hanno linee guida rigorose per il livello di esposizione elettromagnetica nei luoghi pubblici e nei siti industriali dove i dipendenti sono esposti abitualmente a radiazioni elettromagnetiche. Tuttavia, i limiti di legge sono stati creati con riferimento alla prima generazione della tecnologia militare; non sono stati aggiornati molto negli ultimi 20 anni, e comunque si riferiscono esclusivamente agli effetti termici dei campi elettromagnetici.

Gli effetti biologici sugli organismi viventi dei campi elettromagnetici a radiofrequenza nella regione delle microonde sono oggi piuttosto ben noti e dipendono da numerosi fattori.

I limiti di legge basati sull’effetto termico delle radiazioni elettromagnetiche (cioè se il dispositivo non riscalda il corpo, allora non danneggia il corpo) sappiamo oggi non avere alcun senso. Gli effetti biologici della radiazione a radiofrequenza e nelle microonde sul corpo umano esposto per un lungo periodo di tempo a campi elettromagnetici a diverse gamme di frequenza non sono mai stati studiati direttamente sull’uomo (mentre nei topi sono associate al cancro), ma gli studi epidemiologici e di laboratorio più recenti ci hanno fornito le risposte cercate.

La letteratura scientifica è ricca di articoli anche sugli effetti biologici delle onde millimetriche, ma nessuno studio, a nostra conoscenza, ha valutato i rischi a lungo termine per l’uomo delle onde millimetriche a bassa intensità, che – in considerazione dei numerosi bioeffetti già riscontrati sul breve termine e dell’utilizzo crescente delle tecnologie a onde millimetriche – appaiono molto concreti. Abbiamo descritto la situazione in modo chiaro nell’articolo “5G e salute: gli effetti delle onde millimetriche”.

Come spiegato nel nostro articolo “Onde millimetriche: l’uso come arma non letale”, i militari usano onde millimetriche ad alta potenza nei “sistemi di allontanamento attivi” (Active Denial Systems, o ADS), per controllare i nemici o una folla. Questi sono un’arma biologica progettata per controllare le persone attivando onde millimetriche ad alta potenza che riscaldano il corpo durante l’esposizione. Antenne altamente direttive mirano al bersaglio e disperdono la folla in pochi secondi.

Il fascio di onde millimetriche a 95 GHz di un “sistema di allontanamento attivo”.

Sulla base dei dati di ricerca provenienti da fonti diverse, l’esposizione a breve termine alle onde millimetriche ad alta potenza può causare gravi danni alla pelle, e quella prolungata alle microonde danni alle cellule cerebrali. Dunque, l’idea di creare una rete 5G appare, a scienziati come Martin Pall, “una autentica follia”. La tecnologia ci offre comodità e aiuto per svolgere compiti più complessi, ma ognuno ha la responsabilità di assicurarsi che non influisca sulla salute e su altri organismi viventi.

L’uso in sistemi “phased array” e loro effetti biologici

Le industrie militari e aerospaziali stanno guardando alla tecnologia a onde millimetriche per aumentare la connettività e il rilevamento per la prossima generazione di reti tattiche, per la sicurezza, per la guerra elettronica (Electronic Warfare) e persino per sistemi di allontanamento attivi. Per raggiungere questi obiettivi, si stanno testando sorgenti di trasmissione ad alta potenza, ricevitori a basso rumore, tecnologie dei componenti di controllo e schiere di antenne per la trasmissione a più fasci.

Ad esempio, negli Stati Uniti la DARPA sta cercando di migliorare le capacità tattiche del soldato in prima linea tramite hotspot wireless mobili basati su onde millimetriche, che saranno montati su piattaforme UAV (Unmanned Aerial Vehicle). L’obiettivo è di implementare una dorsale di comunicazione da 1 Gb/ s per le unità di combattimento anche negli ambienti più remoti. Allo scopo, sono state studiate antenne orientabili a onda millimetrica, amplificatori a basso rumore e più efficienti / potenti.

Come nel 5G, le schiere di antenne in fase (phased array), con ciascuna antenna rappresentata qui con un quadratino giallo da 1 mm, permettono di ottenere numerosi fasci sintetici di radiazione diretti verso altrettanti dispositivi di comunicazione mobile. Una matrice di (8 x 8 =) 64 antenne ne può sintetizzare circa 50 contemporaneamente.

Il nuovo programma del DARPA mira a creare una tecnologia a fasci digitali multi-raggio, funzionante a 18-50 GHz per migliorare le comunicazioni sicure tra piattaforme militari. I fasci di antenna stretti caratterizzati da piccole aperture radianti forniscono una maggiore sicurezza di comunicazione. I sistemi a onde millimetriche attuali, tuttavia, non sono facili da usare e sono progettati per essere specifici della piattaforma, e sono quindi riservati solo alle piattaforme più complesse.

Per espandere l’uso di schiere di antenne in fase (phased arrays) a onde millimetriche e renderle ampiamente applicabili su tutti i sistemi militari, devono essere affrontate molte sfide tecniche, tra cui la copertura della frequenza a banda larga, il puntamento del raggio di precisione, l’individuazione degli utenti, etc. L’uso di schiere di antenne a più fasci e i progressi nella tecnologia delle onde radio e millimetriche sono pronti a cambiare la comunicazione e la rete di piattaforme mobili.

Le schiere di antenne in fase che funzionano a onda millimetrica od a frequenze molto alte sono già un’area di ricerca attiva dal mercato emergente dei cellulari 5G. Le applicazioni commerciali risolvono principalmente il problema dell’ultimo miglio, in cui i consumatori richiedono più larghezza di banda a frequenze predeterminate. Le piattaforme militari, tuttavia, creano sfide di creazione del fascio (beamforming) uniche che necessitano di approcci di comunicazione specifici.

La medesima tecnologia è applicabile anche ai radar. La prima schiera di antenne in fase (phased array) a stato solido, chiamata “PAVE PAWS” (Precision Acquisition Vehicle Entry Phased Array Warning System), è un elaborato radar e sistema informatico sviluppato nel 1980, in piena Guerra fredda, per “rilevare e caratterizzare un attacco missilistico balistico lanciato dal mare contro gli Stati Uniti”. Alcuni di questi radar facevano parte della rete di sorveglianza spaziale degli Stati Uniti di oggetti in orbita.

Un radar PAWE PAWS e (a destra) alcune delle 2677 antenne a dipolo incrociato che compongono la schiera di antenne in fase (phased array) mostrata a sinistra. 

Per rivelare i missili balistici, c’era bisogno di un sistema radar con tempi di reazione più rapidi rispetto ai radar esistenti. Una convenzionale antenna radar ruotata meccanicamente non può girare abbastanza velocemente per tracciare più missili. I fasci radar sintetici di un sistema phased array vengono invece pilotati elettronicamente senza spostare l’antenna fissa, quindi possono essere puntato in una direzione diversa in millisecondi, consentendogli di tenere traccia di molti missili insieme.

Il radar PAVE PAWS funziona, come tutti i radar, a impulsi: trasmette una sequenza di impulsi ed è poi quiescente mentre l’eco ritorna. Dopodiché, viene trasmessa un’altra sequenza di impulsi e il processo viene ripetuto. Le larghezze degli impulsi variano da 250 microsecondi a 16 millisecondi e il periodo di ascolto è di almeno 38 millisecondi. Alcuni impulsi, inoltre, variano in frequenza portante durante l’impulso, usando una tecnica chiamata “cinguettio” per migliorare l’intervallo di risoluzione.

Nel 2002, un comitato del Nation Research Council (NRC) statunitense era stato incaricato dall’Air Force Department di “determinare se le informazioni sugli effetti biologici ottenute da esposizioni “classiche” a radiofrequenza diverse dalle esposizioni con schiere di antenne phased array possono essere utilizzate per determinare gli effetti biologici delle esposizioni con sistemi phased array”, quali sono i radar PAVE PAWS ma anche i sistemi che compongono la rete 5G (piccole celle, smartphone, etc.).

Una questione chiave per i radar è “se la granularità nella radiazione dei lobi laterali prodotta da ritardi differenziali sull’array generi forme d’onda diverse da quelle prodotte dal fascio principale dell’antenna (dopo aver preso in considerazione le differenze di livello di potenza). Per ‘granularità’, intendiamo che i campi dei singoli elementi che compongono il phased array si aggiungono come elementi discreti ben definiti (cioè come passi discreti) per formare il fascio ‘sintetico’ complessivo”.

Un’antenna direttiva, sia che produca un fascio con una parabola sia che lo faccia in maniera sintetica con una schiera di antenne in fase (phased array) come in un radar PAWE PAWS, ha sempre un lobo principale e dei lobi laterali di irradiazione.

La risposta dell’NRC è stata: “In prima approssimazione, i campi di ciascuno degli elementi radianti si sommeranno per dare gli stessi schemi di fascio del riflettore corrispondente (cioè di un riflettore di grandi dimensioni che copre la stessa area). La differenza tra questi due sistemi di antenna è che uno (il phased array) è un’approssimazione a gradini discreti rispetto all’altro. A distanze moderate, come nel recinto del sito del radar, le differenze tra queste due antenne dovrebbero essere piccole”.

Il Comitato aggiunge a riguardo: “Se le forme d’onda sono essenzialmente le stesse, potrebbero essere applicabili i dati esistenti di bioeffetti alle radiofrequenze. In caso contrario, sono necessari ulteriori studi. I dati di misurazione in fase di sviluppo della tecnologia sono fondamentali per rispondere a questa domanda, quindi questi dati devono essere misurati con cura e rapidità”. Esattamente l’opposto di ciò che si sta facendo per il 5G, dove non vi sono studi rivolti a capire i bioeffetti.

Nel caso del 5G, sono necessari studi sia sui bioeffetti dell’esposizione al fascio principale del phased array sia sui quelli dell’esposizione all’array non in fase (non-phased array) per determinarne il potenziale nel caso di sistemi reali, non simulati. Un confronto tra le forme d’onda di una sorgente che usa una schiera di antenne e una che utilizza un’antenna tradizionale è essenziale, poiché gli studi biologici ed epidemiologici sono stati finora basati su segnali (radio o radar) tradizionali, cioè non in fase.

A Cape Cod, dove si trova uno dei radar PAVE PAWS, la popolazione è stata a lungo esposta ai “lobi laterali” del sistema phased array. Le conseguenze epidemiologiche sulle persone sono testimoniate dalle elevate percentuali di cancro osservate nell’area di Cape Cod. Ad esempio, nove delle 15 città di Cape Cod hanno un’incidenza del cancro al seno almeno del 15% più alta rispetto al resto dello stato, secondo il Silent Spring Institute, che tiene traccia dei problemi di salute delle donne.

Il radar militare PAWE PAWS di Cape Cod, in Massachusetts (USA).

Nonostante uno studio dell’International Epidemiology Institute abbia tentato di fornire un’interpretazione rassicurante dei dati epidemiologici di Cape Cod raccolti per valutare i potenziali effetti sulla salute legati all’installazione del radar PAVE PAWS dell’aeronautica USA, il comitato della National Research Council (NRC) incaricato di revisionare tale lavoro cita numerose importanti deficienze metodologiche contenute nello studio in questione, che rendono poco chiari molti dei suoi risultati.

Ad esempio, lo studio epidemiologico confronta i tassi di malattia a Cape Cod con quelli nella contea di Worcester, un’area storicamente più industriale e urbana in cui è probabile che la popolazione abbia uno stile di vita diverso da quella di Cape Cod. Il comitato ha perciò raccomandato che le contee di confronto non includano la contea di Worcester e che siano inclusi più dati su fattori confondenti, come l’esposizione al fumo e ai pesticidi. Sarebbero anche utili dati sulle variazioni annuali dei tassi di malattia.

Nei radar PAVE PAWS, il raggio è tenuto ad almeno 100 piedi sopra la terra su terreni accessibili al pubblico per evitare almeno la possibilità di esporre il pubblico al fascio principale. Radar militari basati su sistemi phased array sono stati sviluppati anche dalla Leonardo S.p.A. per sistemi di difesa, e sistemi simili sono installati su navi e aerei militari per la sorveglianza aerea. Si noti che la tecnologia phased array è usata (ma solo in ricezione) anche dai radiotelescopi di nuove generazione, come lo SKA.

Se il radar è a onde millimetriche, permette di ottenere immagini efficaci anche quando ci si trova di fronte a un sacco di detriti, bassa visibilità, bassa riflettività e ambienti polverosi / sabbiosi. La capacità delle onde millimetriche di penetrare (o subire attenuazioni limitate) in questi ambienti rende tale tecnologia un componente chiave della visibilità per tutte le condizioni atmosferiche e diurne e notturne. Tuttavia, è suscettibile all’attenuazione in condizioni atmosferiche umide (pioggia, nebbia, etc.).

Anche i droni potranno impiegare radar a onde millimetriche per la sorveglianza in ambienti polverosi o sabbiosi, come ad esempio il deserto.

 

Riferimenti bibliografici

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