Mobilfunk im Unterricht

INHALTSVERZEICHNIS A M E H T Grundlagen und Technologien 1 Mobile Kommunikation: 2 Mobilfunkbasisstationen und 3 Elektromagnetische Wellen 4 Wechselwirkung mit Körper -sendeanlagen und Materie 5 Rohstoffe im Mobiltelefon 6 Lebenszyklus eines Handys 7 Nachhaltige Produktion, Nutzung und Wiederverwertung digitaler Endgeräte EINLEITUNG Jugendliche verbringen einen Großteil ihrer Freizeit am Smartphone – sie surfen, telefonieren und streamen Serien. Mobile Kommunikation ist für sie sowie für jeden von uns aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken und damit von gesellschaftlicher Relevanz. Nicht nur deshalb muss das Thema in Schule und Unterricht integriert werden. Auch wenn für Jugendliche die Nutzung im Vordergrund steht, werden in diesem Magazin sowie im begleitenden Online-Modul für Schüler*innen physikalische und techni- sche Aspekte idealtypisch vorgestellt: Elektromagnetische Felder, Aufbau unseres Mobilfunknetzes, Übertragungswege von Daten und vieles mehr. KLICK MICH! In einer Zeit, in der die Nutzung von Technologie einen immer größeren Stellenwert einnimmt, wird es immer wich- tiger, den Schüler*innen ein Bewusstsein für nachhaltige Kommunikation zu vermitteln. Dabei geht es nicht nur um ein grundlegendes Verständnis der Funktionsweise der Mobilfunktechnologie und einen verantwortungsvollen Umgang mit Mobilfunkgeräten, sondern auch um den Einfluss von Technik auf die Umwelt. Denn die Nutzung von elektronischen Geräten verbraucht Ressourcen und sollte möglichst umweltfreundlich gestaltet werden. Ebenso gilt auch für den Mobilfunkbereich: Moderne Technologien tragen schon heute zur Energieeffizienz und Ressour- censchonung bei. Schüler*innen lernen im Laufe dieser Einheit, wie sie ihre Mobilfunkgeräte effizient nutzen können und welche Auswirkungen ihr Verhalten auf die Umwelt hat. Es geht zum einen darum, den Lernenden zu vermitteln, wie sie sich umweltbewusst verhalten und nachhaltiges Handeln in ihren Alltag integrieren können, aber auch um den bewussten Konsum von elektronischen Geräten und die richtige Entsorgung von Elektroschrott. Ein Unterricht, der diese gesellschaftlich relevanten Themen anspricht, ist deshalb von großer Bedeutung. In diesem E-Magazin werden daher neben grundlegenden physikalischen und technischen Aspekten des Mobilfunks auch die Auswirkungen auf die Umwelt thematisiert und durch praktische Anregungen für Versuche ergänzt. Außerdem wird die Thematik durch ein interaktives Lernmodul für die Lernenden abgerundet. Das vorliegende Heft dient dem Ziel, den Schüler*innen ein Verständnis für die Zusammenhänge zu vermitteln und sie zu einem verantwortungsbewussten Umgang mit Mobilfunktechnik sowie -technologie zu befähi- gen. Nur so können wir gemeinsam dazu beitragen, eine nachhaltige Zukunft zu gestalten. Tauchen Sie ein in eine Welt voller interessanter und vielfältiger Unterrichtsideen, die die Begeisterung und Neugier der Schüler*innen wecken. Hinweise: Die Begriffe „Handy“ und „Mobiltelefon“ werden synonym als Oberbegriffe für Geräte der mobilen Kommunikation verwendet und schließen Smartphones mit ein. Der Begriff „Entsorgung“ umfasst einerseits das fach- und umweltgerechte Recycling eines Handys, aber auch die Abgabe zur Weiterverwendung ge- brauchter, noch funktionsfähiger Geräte.

A M E H T 1 MOBILE KOMMUNIKATION: GRUNDLAGEN UND TECHNOLOGIEN Seit über 30 Jahren gibt es digitale Mobilfunknetze in Deutschland und mit 1,3 SIM-Karten pro Person gibt es längst mehr Mobilfunkanschlüsse als Einwohner*innen in Deutschland. Fast alle Schüler*innen besitzen ein Smartphone – doch wissen sie auch, wie mobile Kommu- nikation und Mobilfunk funktionieren? Das erste Kapitel vermittelt Grund lagen der mobilen Kommunikation, zu denen jene Technologien und Prinzipien gehören, die es ermöglichen, über mobile Geräte wie Smartphones und Tablets drahtlos miteinander zu kommunizieren. WISSENSWERTES! WIE MOBILES TELEFONIEREN UND SURFEN FUNKTIONIERT Ein Glossar mit ausführlicheren Erläuterungen zu ausgewählten Fachbegriffen finden Sie auf der Webseite des Informationszentrums Mobilfunk. Wie funktioniert ein Mobilfunknetz? Mobilfunknetze: Mobile Kommunikation basiert auf Mobilfunknetzen ver- schiedener Unternehmen, die es ermöglichen, Sprach- und Datendienste über eine drahtlose Verbindung bereitzustel- len. Ein Mobilfunknetz besteht aus nahezu flächendecken- den, in der Regel wabenförmig angeordneten Funkzellen. Jede dieser Funkzellen wird von einer Mobilfunkbasisstation versorgt. Sie dient als Sende- und Empfangsstation für die Kommunikation mit allen mobilen Endgeräten, die sich in der Funkzelle befinden. Beim Abruf von Daten aus dem Internet oder bei einem Sprachanruf von einem Sender-Handy aus wird eine Funk- verbindung zur nächstgelegenen bzw. am besten verfüg- baren Basisstation aufgebaut. Die gesendeten und empfangenen Daten tauscht die Basis- station dann über eine Glasfaser- oder Richtfunkverbindung mit dem Kernnetz des Mobilfunkanbieters aus. Dort erfolgt der Übergang ins öffentliche Internet. Für Sprach anrufe er- mittelt das Kernnetz das Empfängergerät. Handelt es sich um ein Mobilfunkgerät, wird die Verbindung über das Funk- netz hergestellt, in das der Empfänger eingebucht ist. Han- delt es sich um ein Festnetzgerät, wird der Anruf per Kabel- verbindung vermittelt. Zwischen der Basisstation und dem Handy werden hochfrequente elektromagnetische Felder als Trägermedium für die Signale genutzt (mehr hierzu in Kapitel 2). Frequenzbereiche: Für die Übertragung zwischen Mobilfunkstation und End- gerät werden die Frequenzen zu bestimmten Frequenzbe- reichen zusammengefasst. Der rechtliche Zugang zu diesen Frequenzbereichen erfolgt über Lizenzen, die von der Bun- desnetzagentur an die Netzbetreiber vergeben werden. In Deutschland betriebene Mobilfunksysteme und Frequenzbereiche (Stand: Januar 2021)* Frequenzbereich Typischer technischer Standard LTE, 5G GSM, LTE 700 MHz (703–788 MHz) 800 MHz (791–862 MHz) 900 MHz (880–960 MHz) 1.500 MHz (1.452–1.492 MHz) 1.800 MHz (1.710–1.880 MHz) 2.100 MHz (1.920–2.170 MHz) 2.600 MHz (2.500–2.690 MHz) 3.600 MHz (3.400–3.700 MHz) *Nutzung von 5G auf den Frequenzen tendenziell zunehmend GSM, LTE, 5G LTE, 5G LTE, 5G LTE LTE 5G (Quelle: www.informationszentrum-mobilfunk.de) 1

A M E H T 2 MOBILFUNKBASISSTATIONEN UND -SENDEANLAGEN Mobilfunkwellen werden weder von Handy zu Handy übertragen noch sind sie einfach in der Luft vorhanden. Um überall mobil telefonieren oder Daten übertragen zu kön- nen, braucht es ein flächiges Netz von Funk zellen beziehungsweise Funksendeanlagen. Im Stadt- und Landschaftsbild wahrnehmbar, aber unerlässlich sind daher Basisstatio- nen in Form von Mobilfunkmasten, Mobilfunkantennen und Mikrozellen (Smart Cells). Wo sie benötigt werden, wie sie aussehen und wie sie ihre Umgebung mit Funkwellen versorgen, ist Kern dieses Kapitels. Flächenabdeckung durch Funkzellen Jede Basisstation kann nur eine begrenzte Anzahl von Ge- sprächen abwickeln und ein begrenztes Volumen an Daten übertragen. Deshalb versorgt sie nur ein eng begrenztes Ge- Funkzelle. Wechselt man – etwa während einer biet: die Zugfahrt – von einer Funkzelle zur anderen, wird die Verbin- dung automatisch und im Regelfall ohne wahrnehmbare Unterbrechung an die nächste Funkzelle weitergereicht. Funkzellen sind je nach erwarteter Nutzungsintensität un- terschiedlich groß. Ihr Durchmesser beträgt in den Städten zwischen 200 Metern und ca. drei Kilometern. In ländlichen Gebieten ist er in der Regel zwischen drei und sechs Kilome- tern groß. Stellenweise ergänzen Kleinzellen – auch Smart Cells genannt – das eigentliche Netz. Smart Cells haben le- diglich einen Radius von ca. 50 bis 150 Metern. Da die meisten Menschen innerhalb von Städten und Ge- meinden telefonieren, sind dort besonders viele Stationen errichtet worden. Weil diese Basisstationen eher kleinere Funkzellen versorgen und somit näher an den Nutzer*innen sind, kann ihre Sendeleistung optimal geregelt werden. Die Sender benötigen nur eine relativ niedrige Leistung. Zu- gleich kommen auch die Handys bei guter Verbindung mit geringerer Leistung aus. Insgesamt nutzten die Mobilfunk-Betreiber in Deutsch- land Ende 2022 rund 203.000 Mobilfunksendeanlagen, davon rund 42.000 mit dem 5G-Standard. Damit stellen sie eine nahezu lückenlose Erreichbarkeit für ihre Kundin nen und Kunden, die 104,4 Mio. Mobilfunk- karten aktiv nutzen. (Quelle: Bundesnetzagentur, Jahresbericht Telekommunikation 2022) Wie Mobilfunk-Infrastruktur aussieht – Sendeanlagen E I R E L A G R E D L I B Messorte und Funkanlagenstandorte können mit der EMF-Karte der Bundesnetzagentur er- kundet werden: Bundesnetzagentur - Funk- anlagen und elektromagnetische Felder Adaptive Antennen Eine der technischen Eigenschaften von 5G und „4G Advanced“, die den Betrieb moderner Mobil- funkstandards effizienter machen als ihre Vorgän- ger, ist der Einsatz von adaptiven Antennen. Vor allem auf den Mobilfunkfrequenzen bei 2,6 GHz und 3,6 GHz können sogenannte MIMO-Anten- nen (Multiple Input, Multiple Output) ihre Sig- nale in der ungefähren Richtung der Empfänger bündeln. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von „Beamforming“. 2

Technische Weiterentwicklung der Makrozellen Es sorgt dafür, dass die Funksignale mit größerer Genauig- keit dort ankommen, wo sie gebraucht werden. Dadurch breitet sich das Signal nicht wie bei konventionellen Sektor- antennen relativ gleichmäßig in dem jeweiligen Sektor aus, wodurch nur ein kleiner Teil bei den eigentlichen Empfän- gern ankam (s. Abb. oben links, Konventionelle Sektoranten- ne). Vielmehr kann die aufgewendete Energie gezielt dafür genutzt werden, dass das Signal in Richtung des Empfän- gers übertragen wird. So erlaubt das mit adaptiven Anten- nen realisierte Beamforming eine Erhöhung der Datenraten und damit eine effizientere Nutzung der eingesetzten Ener- gie (s. Abb. oben rechts, MIMO-Antenne). Mobilfunkgenerationen Erklärvideo: Was ist neu bei 5G? Weiterentwicklung des Mobilfunknetzes Da die Nutzung mobiler Kommunikation stetig steigt, müs- sen die Netzbetreiber weiterhin in den Ausbau der Mobil- funk-Infrastruktur investieren. Ein Baustein sind kleine, leis- tungsfähige Mobilfunk-Sender, sogenannte Small Cells. Sie verdichten das bestehende Mobilfunknetz an Orten mit vielen Nutzer*innen, wie Fußgängerzonen in Innenstädten, Großveranstaltungen oder in Bahnhöfen. Geeignete Orte für Small Cells sind beispielsweise Hausfassaden oder Stadtmö- bel (Ampeln, Litfaßsäulen etc.). Evolution der Mobilfunktechnik: von 1G bis 5G Standards definieren die Technologie, die verwendet wird, um die Kommunikation zwischen dem Mobilgerät und dem Netzwerk zu ermöglichen. Was mit der 1G-Technik im C-Netz 5G-Netz der Deutschen Telekom begann, ist heute das und damit aktueller Standard der Mobilfunktechnik. 6G befindet sich in der Vorbereitung und kann voraussicht- lich zum Ende des laufenden Jahrzehnts 2030 kommerziell in öffentlichen Mobilfunknetzen eingesetzt werden. Weiterentwicklung des Mobilfunknetzes Small Cells sind eine effiziente Lösung, um Nutzer*innen an Orten, wo die bestehende Netzkapazität nicht ausreicht, optimal mit schnellem mobilen Internet zu versorgen. Die Kleinsender erreichen allerdings nur bis zu fünf Prozent des Versorgungsgebietes eines klassischen durchschnittli- chen Dachstandortes in einer Stadt und sind daher nur als Ergänzung sinnvoll einsetzbar. Basisstation und mobiles Endgerät passen ihre Sendeleistung automatisch an die je- weiligen Übertragungsverhältnisse und aktuelle Auslastung in der Mobilfunk-Zelle an. Bei Small Cells ist die Verbindung aufgrund der Nähe zwischen Endgerät und Sendeanlage besonders gut; dies spart Akkukapazität und reduziert die elektromagnetischen Felder bei der Nutzung. Dadurch wer- den die geltenden gesetzlichen Grenzwerte trotz der Nähe der installierten Technik zu den Nutzern auch bei den klei- nen Sendeanlagen zuverlässig eingehalten. 3

ANREGUNGEN FÜR DEN UNTERRICHT 1. Mobilfunktechnik: erste Eindrücke Um einen umfassenden Einblick in wichtige Be- griffe und Standards der Mobilfunktechnik zu er- halten, bearbeiten die Schüler*innen das erste Kapitel des interaktiven Lernmoduls. Ergänzend können auch Mikro- Referate erstellt werden. Mögliche Referatsthemen umfas- sen: die Anfänge der Mobilfunknetze A-, B- und C-Netz, das D- und E-Netz, GSM, LTE und WLAN, VR/AR. 2. Schüler*innen-Experiment: Signalübertragung messen Um den Schüler*innen die verschiedenen Pro- zesse bei der Einleitung eines Telefonats zu verdeutlichen, wird eine praktische Übung durchgeführt. Dazu werden zwei Handys, die im gleichen Mobilfunknetz registriert sind, nebeneinander platziert und eines der Handys mit dem an- deren angerufen. Die Zeitdauer vom ersten Freizeichen des angerufenen Handys bis zum ersten Klingelton des anru- fenden Handys wird gestoppt. In einem weiteren Durchlauf werden die Handys möglichst weit voneinander entfernt po- sitioniert und der Vorgang erneut durchgeführt. Zusätzlich wird die Verbindungszeit zwischen zwei Handys gemessen, die unterschiedliche Mobilfunknetze verwenden. Es empfiehlt sich, die Versuche mehrmals durchzuführen, da der Zeitunterschied zwischen den Durchläufen relativ gering ist. Schüler*innen der höheren Jahrgangsstufen kön- nen zudem eine Statistik erstellen. Durch den Vergleich der gemessenen Zeiten wird den Schüler*innenn deutlich, dass die räumliche Entfernung zwischen Sender und Empfänger keine Rolle spielt, da die Funkwellen sich mit Lichtgeschwin- digkeit ausbreiten und die Handys nicht direkt miteinander kommunizieren. Allerdings dauert der Verbindungsaufbau zu einem ande- ren Mobilfunknetz länger, da der Anruf von einem Netz zum anderen übermittelt werden muss. Die Schüler*innen sollen selbst überlegen, woran dies liegen könnte und welchen Weg das Signal bis zum Empfänger zurücklegen muss. Zur Nachbesprechung kann eine Grafik verwendet werden, die gemeinsam mit den Schüler*innen besprochen wird. 3. Vom Sender zum Empfänger Die Schüler*innen schauen zunächst das Erklär- video, beantworten im Online-Lernmodul Fra- gen hierzu und beschriften in einem zweiten Schritt eine Abbildung, die den Weg der Datenübertragung vom Sender zum Empfänger anschaulich darstellt. 4 Erklärvideo: Wie funkt es zwischen Smartphone und Mobilfunkmast? 4. Anlagen in deiner Umgebung In der Standortdatenbank für Funkanlagen der Bundesnetzagentur können Ihre Schüler*innen herausfinden, an welchen Stellen in der Umgebung ihrer Schule Basisstationen positioniert sind. Begeben Sie sich ge- meinsam auf die Suche nach den in der Datenbank gefun- denen Sendeanlagen und fotografieren Sie diese. An schwer einsehbaren Stellen (z. B. auf Hausdächern) positionierte Anlagen können ggf. über die Satellitenansicht von Online- Kartenprogrammen ausfindig gemacht werden. Diskutie- ren Sie, warum die Mobilfunkantennen an den jeweiligen Standorten aufgestellt wurden: Welche Bereiche versorgen sie vermutlich? 5. Mobilfunk der Zukunft Schüler*innen-Vision – Welche Mobilfunkanwen- dungen wird es in der Zukunft geben? Mithilfe Placemat-Methode denken sich die Schüler*innen in der die Zukunft – hier sind den Ideen und Möglichkeiten keine Grenzen gesetzt. 6. Mein Smartphone und die Technik dahinter Die Schüler*innen sammeln im Laufe dieser Einheit sämtliche technische Daten über ihr Smartphone (Hersteller, Betriebssystem, Spannung, Akku- verbrauch, Akkuladezeit, Akkulaufzeit, aktueller Empfang, SAR-Wert, nächster Sendemast etc.). Ziel ist es, die einzelnen Bestandteile der verschiedenen Smartphones auf ihre Qua- lität hin zu vergleichen und darauf aufbauend Merkmale guter und nachhaltiger Technik zu erkennen.

A M E H T 3 ELEKTROMAGNETISCHE WELLEN Unsere Umwelt ist voll von elektromagnetischen Wellen bzw. elektromagnetischen Feldern. Einerseits existieren sie auf natürliche Art und Weise, wie etwa bei einem Gewitter und im Sonnenlicht, andererseits werden sie künstlich erzeugt durch z. B. Radios, Fernsehgeräte und Mikrowellen. Auch die Mobilfunkübertragung nutzt elektromagnetische Wellen. Funkwellen bilden die Basis der mobilen Kommunikation, sie transportieren die Informationen mit Licht- geschwindigkeit vom Sender zum Empfänger. Die Schüler*innen setzen sich mit dem Zusam- menhang zwischen Wellenlänge und Frequenz auseinander und erfahren, wie gleichzeitig getätigte Telefonate und auch Datennutzung technisch auseinandergehalten werden. Die Frequenz bezeichnet die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde. Sie wird in Hertz (Hz), Kilohertz (1 kHz = 1.000 Hz / 103 Hz), Megahertz (1 MHz = 1.000.000 Hz / 106) oder Gigahertz (1GHz = 1012 Hz) oder Terahertz (THz = 1015 Hz) angegeben. Alle elektromagnetischen Felder unterhalb der Frequenz von 790 THz werden „nicht-ionisierende Strahlung“ ge- nannt. Dazu zählen die elektromagnetischen Felder des Mobilfunks, aber auch Radio- und Mikrowellen (vgl. Abbil- dung). Eine wichtige Eigenschaft dieser Strahlungsart ist, dass ihre Energie nicht ausreicht, um bei der Durchdringung von Stoffen Atome oder Moleküle in einen elektrisch gela- denen Zustand zu versetzen (sie zu ionisieren). Dies vermag nur die ionisierende Strahlung. In diese Kategorie fallen zum Beispiel die energiereichere Röntgen- und Gammastrah- lung. WISSENSWERTES! ELEKTROMAGNETISCHE FELDER – DIE BASIS DES MOBILFUNKS Elektromagnetische Felder sind ein natürliches Phänomen. Zu den elektromagnetischen Feldern zählt beispielsweise das Licht. Physikalisch handelt es sich um eine Kombination elek- elektrischer und magnetischer Wechselfelder. Ein tromagnetisches Feld breitet sich wellenförmig mit Licht- geschwindigkeit aus und transportiert dabei Energie. Elektromagnetische Felder können auch technisch erzeugt werden. Sie entstehen überall dort, wo Strom fließt. Sind sie bei elektrischen Geräten wie Föhnen oder Fernsehern ein Nebeneffekt, so werden sie bei der Funktechnik eigens zur Informationsübertragung erzeugt: Durch die gezielte Ver- änderung (Modulation) der Eigenschaften der Wellen (zum Beispiel Größe, Frequenz, Phase) lassen sich die Felder zur Vermittlung von Daten nutzen. Diese sich ausbreitenden elektromagnetischen Felder werden auch als „Funkwellen“ bezeichnet. Funkwellen – Informationsträger für Radio, Fernsehen und Mobilfunk In der Technik werden elektromagnetische Felder oder Funkwellen anhand der Frequenz, der Feldstärke und der Signalform unterschieden. Elektromagnetische Felder kön- nen entsprechend ihrer Frequenz in verschiedene Gruppen unterteilt werden. Biologische Wirkungen elektromagnetischer Felder 5

Die elektromagnetischen Felder, die Handys und Basisstatio- nen aussenden, besitzen einige typische Eigenschaften: • Die Felder können gemessen und berechnet werden. • Ihre Stärke hängt von der Sendeleistung des jeweiligen Senders und der verwendeten Antenne ab. • Hochfrequente Felder können gerichtet ausgesendet werden, ähnlich der Lichtbündelung bei Scheinwerfern. Unmittelbar unterhalb einer Mobilfunk-Antenne sind die Felder deshalb schwächer. • Die Feldstärke nimmt mit der Entfernung vom Sender rasch ab: In doppelter Entfernung ist nur noch die hal- be Feldstärke vorhanden, in zehnfacher Entfernung nur noch ein Zehntel der Feldstärke usw. • Hindernisse wie Hausmauern oder Bäume verringern die elektromagnetischen Felder. Die Feldstärke ist ein Maß für die Stärke elektromagneti- scher Felder. Sie wird in Volt pro Meter (V/m, elektrisches Feld) oder Ampere pro Meter (A/m, magnetisches Feld) gemessen. Elektromagnetisches Spektrum einer Sektor- antenne Eine Sektorantenne ist die Einrichtung zum Emp- fang und zur Übermittlung elektromagnetischer Signale in einem begrenzten Bereich. Eine Mo- bilfunkbasisstation verfügt typischerweise über Sektorantennen, die zusammen eine drei 360°-Rundumabdeckung sicherstellen. Sektorantennen einer Mobilfunkbasisstation: Richtcharakteristik ANREGUNGEN FÜR DEN UNTERRICHT 1. Schüler*innen-Experiment: Schallwellen mit einem Lineal erzeugen Die Schüler*innen klemmen ein elastisches Kunststofflineal auf ihre Tischplatte und lassen es dabei ei- nige Zentimeter über die Tischkante hinausragen. Der in der Luft hängende Teil wird heruntergedrückt und losgelassen, um ihn in Schwingung zu versetzen. Durch das Auf- und Abschwingen werden einige Luftzonen verdichtet, andere verdünnt. Dadurch entstehen fortschreitende Schallwellen. Dieser Versuch wird für verschiedene Längen in Abhängig- keit von der Tonhöhe durchgeführt. Gemeinsam wird im Plenum der Zusammenhang zwischen Wellenlänge und Frequenz erläutert. Fazit: Je kürzer das schwingende Ende, desto höher die An- zahl an Schwingungen pro Sekunde und damit auch die Frequenz bzw. Tonhöhe. Andersrum: Je länger das über- stehende Ende ist, desto länger sind die erzeugten Wellen, desto niedriger ist die Frequenz bzw. desto tiefer ist der zu hörende Ton. Für höherstufige Schüler*innen können auch die Schwin- gungsdauer und die Amplitude eingeführt und untersucht werden. Dazu werden für drei verschiedene Amplituden die Schwingungen in ein Koordinatensystem mit der Zeit auf der x-Achse eingetragen und mit einer sinusförmigen Welle verbunden. Sie zeichnen die Wellenlänge und die Frequenz für die verschiedenen Schwingungen ein. Dabei wird die Einheit der Frequenz „Hertz“ eingeführt. 2. Hertz statt Herz Die Schüler*innen zeichnen auf einer Zeitachse von zwei Sekunden eine Schwingung mit sechs Hertz und eine Schwin- gung mit acht Hertz ein. Ein Einzeichnen der jeweiligen Wellenlänge verdeutlicht den Zusam- menhang zwischen Wellenlänge und Frequenz. 3. Feldsimulation Das Informationszentrum Mobilfunk bietet eine Anwendung zur Darstel- lung elektromagnetischer Felder von Mobilfunk- antennen ( Die vereinfachte Betrachtung zeigt, wie sich elektromagnetische Felder in der Nachbarschaft von Mobilfunkanlagen typischerweise ausbrei- ten. Eine entsprechende Aufgabe findet sich im Online-Lernmodul. Link). 6

A M E H 4T WECHSELWIRKUNG MIT KÖRPER UND MATERIE Ebenso wie andere Arten von Wellen stehen Funkwellen in Wechselwirkung mit Gegenstän- den, Lebewesen und Landschaftselementen in ihrer Umgebung. Sie durchdringen einige Materialien, durch andere wiederum kommen sie nicht hindurch. Dabei folgen sie bestimmten Gesetzmäßigkeiten. Elektromagnetische Felder wirken in Abhängigkeit von ih- rer Frequenz unterschiedlich auf den menschlichen Körper ein. Niederfrequente magnetische Felder durchdringen den Körper fast ungehindert. Hochfrequente elektromagneti- sche Felder wie die Mobilfunkwellen dagegen dringen nur wenige Millimeter bis Zentimeter in den menschlichen Kör- per ein. Im Gewebe wird ihre Energie absorbiert und in Wär- me umgewandelt. Thermische Wirkung Die physikalische Grundlage dieser thermischen Wirkung ist bekannt und unstrittig. Die Medizin nutzt diesen Sach- verhalt für Heilzwecke. Schäden durch eine zu starke Er- wärmung treten erst dann auf, wenn die Dosierung eine bestimmte Höhe überschreitet. Mit der Entfernung von der Quelle nimmt die Wärmewirkung rasch ab. Grenzwerte schützen die Gesundheit Für die Stärke der Energie, die im Körper absorbiert wird, gibt es eine Maßeinheit: Die Spezifische Absorptionsrate, SAR. Für die Stärke der elektromagnetischen abgekürzt Felder von Mobiltelefonen und Basisstationen gibt es je- Grenzwerte, die garantieren, weils gesetzlich festgelegte dass keine gesundheitliche Beeinträchtigung möglich ist. Die in Deutschland geltenden Grenzwerte der 26. Bundes- Immissionsschutzverordnung (BImSchV) entsprechen den Grenzwertempfehlungen anerkannter nationaler und in- ternationaler Expertengremien wie der Weltgesundheits- organisation (WHO), der Internationalen Kommission zum Schutz vor nicht ionisierender Strahlung (ICNIRP) oder der deutschen Strahlenschutzkommission (SSK). Auf Basis der Grenzwerte ermittelt die Bundesnetzagentur (BNetzA) für jede Mobilfunkantenne den einzuhaltenden Sicherheitsab- stand. Außerhalb dieser Sicherheitsabstände sind die Felder so gering, dass sie ungefährlich sind. Der SAR-Grenzwert für Felder von Mobilfunkbasisstationen (Ganzkörpergrenzwert) beträgt 0,08 Watt/kg für die allge- meine Bevölkerung. Dieser Grenzwert stellt sicher, dass die mögliche Temperaturerhöhung des ganzen Körpers in der Nähe von Mobilfunkbasisstationen unter 0,02 °C liegt. SAR-Wert eines Handys oder Smartphones (Teil- Der körpergrenzwert) gibt an, wie viel Sendeleistung der Körper beim Telefonieren mit diesem Gerät maximal aufnehmen kann. Dabei beträgt der gültige Grenzwert 2 Watt pro Kilo- gramm Körpergewebe. Er stimmt mit den Empfehlungen der Internationalen Kommission zum Schutz vor nichtioni- sierenden Strahlen (ICNIRP) überein. Mobile Endgeräte, die in Deutschland und europaweit verkauft werden, müssen den SAR-Grenzwert einhalten. Mehr Informationen finden Sie unter https://www.informationszentrum-mobilfunk.de/ informationszentrum-mobilfunk/gesundheit/ https://www.bfs.de/DE/themen/emf/mobilfunk/ vorsorge/sar-handy/sar-handy.html ANREGUNGEN FÜR DEN UNTERRICHT 1. Schüler*innen-Versuch: Gut abgeschirmt In Kleingruppen wickeln die Schüler*innen ein Handy komplett in Alufolie ein oder legen es in eine Brotbüchse aus Metall. Mit einem zweiten Handy rufen sie das »verpackte« Handy an. Was passiert? Das Handy empfängt die Funkwellen von der Basisstation nicht, da diese durch Metalle reflektiert werden, also nicht bis zum Handy gelangen. Fallen Ihren Schüler*innen Beispiele aus dem Alltag ein, bei denen der Handyempfang durch Metall abgeschirmt wird? Nun legen die Schüler*innen das Handy in ein Schraubdeckelglas und beobachten die Balkenanzeige. Wie verändert sich diese, wenn sie das Glas rundum mit Fliegengitter oder Maschendraht umwickeln? Was ist zu beobachten, wenn sie das Glas in eine Schüssel voll Wasser halten? Auf der Basis ihrer Feststellungen überlegen die Schüler*innen: Welche Stoffe lassen die Funkwellen durch, welche nicht? Mehr Versuche 7

A M E H T 5 ROHSTOFFE IM MOBILTELEFON Im Jahr 2022 wurden weltweit rund 1,2 Milliarden Smartphones verkauft (in Deutsch- land 21,6 Millionen Stück). Weil viele Nutzer*innen ihr Smartphone nach wenigen Jahren gegen ein neueres Modell austauschen, die „Altgeräte“ aber oft nicht zurück- gegeben werden, liegen wertvolle Ressourcen in Deutschlands Schubladen. Das Smartphone ist ein digitaler Alleskönner, benötigt dafür aber auch viel Elektronik und Rohstoffe. Akku, Display, Ge- häuse, Leiterplatte und Co. benötigen bei ihrer Produktion etwa 60 Stoffe. Zu den verarbeiteten Stoffen zählen Kunst- stoffe (zu 17 %), Metalle (45 %), Glas (32 %) und Keramik (6 %). Allein rund 30 verschiedene Metalle stecken im Han- dy – darunter Eisen, Silicium, Kupfer und Aluminium, aber auch kleine Mengen selte- ner Metalle (z. B. Kobalt, In- dium, Tantal) und Seltene Erden (z. B. Neodym). Metallische Ressourcen in Smartphones Was genau im Smartphone steckt, zeigt diese Grafik: Rohstoffe in Smartphones Rechnet man die laut BITKOM Schätzungen 206 Millionen Schubladenhandys in Rohstoffe um, die mit den in Europa gängigen Recyclingmethoden wiedergewonnen werden erheblichen Rohstoffmen- kön nen, ergeben sich diese gen. Im Sinne des „Urban Mining“ Gedankens wäre es deutlich nachhaltiger, die Rohstoffe, die ungenutzt in Deutschland vorhanden sind, wieder in den Kreislauf zu bringen statt, neu Rohstoffe in umweltbelastenden Verfah- ren in Minen auf der ganzen Welt abzubauen. 8 ANREGUNGEN FÜR DEN UNTERRICHT 1. Spielerisch Vorwissen abfragen Erstellen Sie über ein digitales kolla- mentimeter o. Ä.) boratives Tool ( eine Umfrage, was die Lernenden bereits über „Rohstoffe im Mobiltelefon“ wissen oder wis- sen wollen. Die gesammelten Antworten auf einem digitalen Board dienen als Ausgangs- lage für die weitere Auseinandersetzung mit dem Thema. 2. Woraus besteht mein Handy? Die Schüler*innen versuchen die- se Frage zunächst selbst zu beant- worten. Welche Bestandteile und welche ent- sprechenden Materialien fallen ihnen ein? Sie können auch überlegen, welche Materialien sie allgemein kennen und ob diese im Handy stecken könnten. Sammeln Sie die Ideen an der (digitalen) Tafel. Mehr 3. Von Aluminium bis Zinn Lassen Sie Ihre Schüler*innen in einem Periodensystem die im Han- dy vorkommenden Elemente markieren. An einigen Beispielen ordnen sie den Bauteilen des Handys die dazugehörigen Elemente zu. Linktipp 4. Rohstoffe auf langer Reise Wo werden die Handyrohstoffe eigentlich abgebaut? Recherche-Aufgabe

A M E H 6T LEBENSZYKLUS EINES MOBILTELEFONS Das „Leben“ eines Handys beginnt nicht erst mit dem Kauf, seine „Geburtsstunde“ liegt viel- mehr in den zahlreichen Rohstoffminen, in denen Erze abgebaut werden. Bevor es im Laden zu kaufen ist, sind viele Vorarbeiten in der Lieferkette nötig – über die Gewinnung und Ver- arbeitung der Rohstoffe, die Fertigung von Einzelteilen bis hin zur Endmontage – und große Entfernungen zurückgelegt. Smartphones sind globale Produkte: An der Herstellung, Nutzung und Entsorgung lassen sich internationale Zusam- menhänge und Lieferketten ablesen. Folgende Abbildung etwa zeigt die Herkunftsländer der Roh stoffe auf und wel- che Ressourcen dort abgebaut werden: Auf der anderen Seite schafft der Rohstoffhandel gerade in Entwicklungsländern wichtige Arbeitsplätze, die das Über- leben der Menschen sichern. Oft zählt er zu den wichtigsten Einnahmequellen dieser Länder und nicht überall werden die zugehörigen Standards verletzt. Ökologischer Rucksack eines Mobiltelefons Während des gesamten Lebenszyklus eines Mobiltelefons werden zahlreiche Ressourcen in Anspruch genommen. Der ökologische Rucksack dient als Vergleichsmaßstab, um den Naturverbrauch während der Rohstoffgewinnung, Verarbei- tung, Nutzung und Entsorgung eines Produkts zu berech- nen. Die Faustregel besagt, dass je weniger Rohstoffe und Energieverbrauch in ein Produkt einfließen, desto geringer fällt der Schaden für die Umwelt und Natur aus und desto ist sein ökologischer Ruck- sack. Im Gegensatz dazu führt ein hoher Rohstoff- und Energieverbrauch zu einem schweren ökolo- gischen Ruck sack. leichter Ökologischer Rucksack eines Mobiltelefons ANREGUNGEN FÜR DEN UNTERRICHT 1. Der Handy-Kreislauf Die Schüler*innen recherchieren und visu- alisieren den Lebenszyklus eines Handys. Mehr 2. Verbrauchte Ressourcen Entsprechend der vier Phasen Rohstoff- gewinnung, Produktion, Nutzung, Entsor- gung werden vier Arbeitsgruppen gebildet. Mehr 9 Top 3 Abbauländer (Bergbauproduktionsdaten 2016) ausgwählter Metallroh- stoffe, in Klammern prozentualer Anteil an Gesamtproduktion, © BGR/PrinzMayer Sind die Rohstoffe abgebaut, müssen sie zur weiteren Auf- bereitung weit transportiert werden. Einige Rohstoffe ha- ben eine Strecke hinter sich, die in etwa dem Erdumfang entspricht. Wie die einzelnen Rohstoffe ins Handy kommen, veranschaulicht die nebenstehende Grafik. Mehr Infos zu den einzelnen Phasen er- halten Sie durch Klicken! Der weltweite Abbau der Rohstoffe führt also zu Umweltbelastungen. Doch die Rohstoffgewinnung hat auch soziale Folgen – oft werden dabei Menschenrechte verletzt und internationale Sozialstandards missachtet: Im Kleinbergbau herrschen gefährliche Arbeitsbedingungen in den Minen und durch fehlende Sicherheitsvorkehrungen kann es zu Unfällen und Gesundheitsproblemen kommen. Lebenszyklus eines Mobiltelefons

A M E H 7T NACHHALTIGE PRODUKTION, NUTZUNG UND WIEDERVERWERTUNG DIGITALER ENDGERÄTE Eine Wiederverwertung metallischer Rohstoffe ist nicht nur gut für die Umwelt, sie ist auch aus wirtschaftlicher Perspektive lohnenswert. Der Gesamtwert der 53 Metalle, anteilig nach ihrem Gewicht im Smartphone und mit Preisen vom ersten Halbjahr 2020 berechnet, liegt derzeit bei 1,11 € je Smartphone. Klingt wenig? Rechnen Sie das Mal 206 Millionen Schubladenhandys. Durch fachgerechtes Handyrecycling können wertvolle Rohstoffe zurückgewonnen werden. Bisher gelangen jedoch zu wenige Geräte ins Recycling. Das liegt in erster Linie daran, dass die Handys zu wenig zum Recycling abgegeben werden, sondern gelagert oder illegal im Hausmüll entsorgt werden. Was können Verbraucher*innen tun? Wer sein Mobiltelefon so lange verwendet, bis es wirklich kaputt ist, leistet den größten Beitrag zu einem nachhalti- gen Gebrauch. Was Sie sonst noch tun können: REUSE ? RETHINK RECYCLE ? ? REFUSE REDUCE REPAIR Regeln für nachhaltiges Konsumieren Bei der Handynutzung • Das Mobiltelefon so lange und sorgsam wie möglich nut- zen. Beim Kauf eines neuen Handys Auf Eco Rating bzw. Nachhaltigkeitskennzeich- www.ecoratingdevices.com/de/ nung achten: • Ein • Ein leicht reparierbares Gerät wählen, um die refurbished Handy kaufen. Lebensdauer des Handys zu erhöhen. Bei der Entsorgung des alten Handys • Noch funktionsfähige Althandys an Freunde oder Verwandte verschenken. Man kann es auch an die Netzbetreiber verkaufen oder – wenn es keinen Ankaufswert mehr hat – an den Händler zurückgeben. • Ein nicht mehr genutztes Handy kann bei Mo- bilfunknetzbetreibern, Geräteherstellern und kommunalen Wertstoff- und Recyclinghöfen Sammelaktionen sowie im Rahmen von von Umweltorganisationen oder anderen Ein- richtungen zurückgeben werden. • Verwendung einer Schutzhülle oder -tasche, um die Le- bensdauer des Gerätes zu verlängern. • Stets prüfen, ob wirklich ein neues Handy benötigt wird oder ob nicht doch das alte Gerät weiterhin genutzt werden kann. Informieren Sie sich bei Ihrem Mobilfunk- anbieter, ob Sie Rabatte erhalten, wenn Sie auf ein neues Mobiltelefon verzichten. • Ladegerät aus der Steckdose ziehen, sobald der Akku aufgeladen ist – dadurch wird unnötiger Stromverbrauch vermieden. • Deaktivierung nicht mehr benötigter Programme bei Smartphones, sonst laufen sie im Hintergrund weiter und verbrauchen Strom. • Das Mobiltelefon keinen extremen Witterungsbedingun- gen aussetzen. Starke Kälte oder Hitze beeinträchtigen die Laufzeit des Akkus. Beitrag der Digitalisierung zum Klimaschutz Die Studie „Klimaeffekte der Digitalisierung“, die im Auftrag des Branchenverbandes Bitkom er- stellt wurde, untersuchte das CO2e-Einsparpoten- zial, das mit digitalen Technologien bis zum Jahr 2030 erzielt werden kann und die Emissionen, die im Jahr 2030 durch die digitale Infrastruktur verursacht werden (CO2e-Fußabdruck). Sieben unterschiedliche Bereiche wurden fokussiert: Fertigung, Mobilität, Energie, Gebäude, Arbeit und Business, Landwirtschaft und Gesundheit. Gleichzeitig berücksichtigte die Studie auch den eigenen CO2-Fußabdruck der Digitalisierung. Der Gesamtblick auf die Klimabilanz zeigt die Poten- tiale der digitalen Transformation. 10

Unabhängig davon ist aber auch die Ressourcenschonung bei den Mobilfunknetzen selbst wichtig: Im Bereich der Mobilfunktechnik trägt der weit verbreitete Einsatz von Strom aus erneuerbaren Energien und der Ausbau moder- ner Mobilfunkstandards zur Ressourcenschonung bei: Laut einer Studie des Umweltbundesamtes zu Treibhausgasemis- sionen beim Videostreaming ist 5G bis zu 90 % energie- effizienter und damit klimaschonender als die die bisherigen Mobilfunkgenerationen. Dafür investieren die Netzbetreiber fortlaufend in die Modernisierung von Funknetzen, in neue Hardware, in die Veränderung der Netzarchitektur, die Ver- lagerung von Netzfunktionen in eine Cloud oder auch in KI-basiertes Energiemanagement (etwa die Optimierung der Kühlung von Basisstationen über den Tagesverlauf). 3. Im Trend: nachhaltige Apps Ob Vinted, To Good To Go oder Carsharing: Als Referatsthema laden sich Schüler*innen unter- schiedliche „Grüne Apps“ herunter, testen ihre Funktiona- lität und Nützlichkeit und stellen sie den Mitschüler*innen vor. Regen Sie Ihre Schüler*innen zur kritischen Betrachtung an: Welche nicht-nachhaltigen Folgen könnten mit der Nut- zung der jeweiligen Apps verbunden sein? Eine Auflistung kostenfreier „Grüner Apps“ finden Sie hier: Utopia.de CO2e-Einsparpotenzial in Millionen Tonnen CO2e Im Jahr 2030 können bei einem beschleunigten Einsatz digi- taler Technologien allein in Deutschland bis zu 152 Millio- nen Tonnen CO2 eingespart werden. ANREGUNGEN FÜR DEN UNTERRICHT 1. Handy nachhaltig nutzen Führen Sie den Begriff Nachhaltigkeit ein und besprechen Sie mit den Schüler*innen, was sie darunter verstehen. Wie kann ein Handy nachhaltig genutzt werden? Welche Voraussetzungen müsste ein Handy erfül- len, damit es nachhaltiger ist? Mehr 2. Rollenspiel: Auf Entscheidungssuche Worauf sollte ich beim Kauf achten? Wie kann ich mein Handy nachhaltig nutzen? Wo entsorge ich mein Altgerät? Um solche Entscheidungen bewusst zu treffen, kann die Methode der „Entscheidungs-Torte“ Ihren Schüler*innen helfen. Die mit dieser Methode gewonnenen Eindrücke werden in einem Rollenspiel diskutiert. Mehr IMPRESSUM Herausgeber: Informationszentrum Mobilfunk in Zusammenarbeit mit der Eduversum GmbH Alle Unterrichtsmaterialien sowie Factsheets und Broschüren finden Sie unter folgender Adresse: www.informationszentrum-mobilfunk.de/ informationszentrum-mobilfunk/mediathek/ Verlag: Eduversum GmbH, Wiesbaden Redaktion: Elisabeth Plappert (verantwortlich), Katrin Braun Redaktionsschluss: September 2023 Text und Inhalt: Informationszentrum Mobilfunk, Leonie Werner, Wolf- gang Vogg. (Aus Auflage 2014:) Prof. Dr. Roman Dengler, Dr. Daniel Fischer, Britta Bookhagen, Silke Niehoff, Julia Nordmann Layout, Gestaltung, Satz: Anja Malz, Tanusstein Kontakt: info@informationszentrum-mobilfunk.de Bildnachweise: Informationszentrum Mobilfunk 11