Ondes millimétriques : utilisations, inconvénients et dangers

La 5G est l’une des technologies les plus critiquées ces derniers temps. En raison de sa nécessité de supporter une vitesse de transmission de données plus élevée, la 5G utilisera des ondes millimétriques (généralement entre 24 GHz et 86 GHz, en Italie dans la bande des 26 GHz). Les ondes millimétriques occupent la bande de fréquence extrêmement élevée (de 30 GHz à 300 GHz) du spectre des radiofréquences. Cette bande de fréquence a des longueurs d’onde comprises entre 10 mm et 1 mm, et est donc appelée “ondes millimétriques”.

Les entreprises technologiques testent et investissent dans l’infrastructure de réseau sans fil 5G avec le soutien des ondes millimétriques. Les petites cellules pourraient bientôt choisir les ondes millimétriques pour leur futur déploiement. Les ondes millimétriques peuvent remplacer les lignes de transmission traditionnelles à fibres optiques reliant les stations de base mobiles. Cependant, dans ce tableau idyllique dessiné par des techno-optistes, il y a en fait peu de lumières et (surtout) beaucoup d’ombres très graves.

Des recherches indépendantes montrent déjà qu’une exposition à long terme aux rayonnements micro-ondes peut provoquer des cancers dans le corps humain : les études décennales de l’Institut Ramazzini et du Programme national de toxicologie sont très éloquentes à cet égard, et sont étayées par des études épidémiologiques qui établissent, sans aucun doute raisonnable, un lien entre l’utilisation intensive des téléphones portables et le cancer. Mais les télécommunications sont une activité énorme pour les télécoms, qui dans certains pays paient beaucoup pour le spectre des fréquences.

Les nouvelles applications des ondes millimétriques

La technologie des ondes millimétriques est l’une des technologies qui a connu la plus forte croissance au cours de cette décennie. La demande accrue de données à haut débit, de multimédia haute définition, de jeux en haute définition, de sécurité et de surveillance, etc. fera passer la technologie des ondes millimétriques au niveau supérieur. Il se développera, voire sera ralenti, et offrira à l’avenir un large éventail d’applications, tant civiles que militaires, là où il a déjà été utilisé dans le passé, démontrant sa dangerosité. En voici quelques-unes :

Les nombreux inconvénients des ondes millimétriques

Les ondes millimétriques peuvent supporter des débits de données plus élevés en raison de la largeur de bande plus importante. Une transmission de données à haut débit nécessite autrement un câble en fibre optique, ce qui est difficile à mettre en œuvre, à entretenir et peu économique. L’endommagement du fragile fil de fibre pourrait entraîner une interruption complète du système de transmission. La technologie des ondes millimétriques peut facilement atteindre une vitesse de communication de données de 10 GB/s.

Un autre avantage important de la technologie des ondes millimétriques est la taille minuscule de ses composants. Les appareils intelligents et les téléphones mobiles modernes doivent être efficaces et de petite taille. Mais les ondes millimétriques présentent également d’importants inconvénients, qui ont tendance à être sous-estimés. Premièrement, l’architecture à ondes millimétriques est complexe et nécessite une infrastructure technologique avancée pour développer un système basé sur les ondes millimétriques.

Un radar au silicium miniaturisé fonctionnant à 120 GHz (avec l’aimable autorisation de SEMICON Europe)

Les ondes millimétriques nécessitent donc une communication en “ligne de mire”, c’est-à-dire sans obstacle entre elles. L’un des principaux inconvénients de ces ondes est la distorsion par l’atmosphère. Ce phénomène peut être observé dans la transmission de vidéo numérique (services D2H) : lorsque le ciel est nuageux, les services DVB sont déformés en raison de la mauvaise qualité du signal. Pour les distorsions dues aux conditions météorologiques telles que le brouillard et la poussière, ils ne sont pas adaptés aux communications longue distance.

Toutefois, pour les segments à courte portée, ou “dernier kilomètre”, la largeur de bande disponible dans la région des ondes millimétriques les rend idéales pour la connectivité à des vitesses telles que la fibre optique sans interférence du bruit basse fréquence environnant. En raison de la longueur d’onde extrêmement courte, les murs en béton et les structures solides ne peuvent pas pénétrer. Les ondes millimétriques sont fortement déformées par les molécules d’eau et les molécules d’oxygène de l’atmosphère.

À la fréquence de 60 GHz des ondes millimétriques, l’absorption des ondes millimétriques est très élevée, 98 % de l’énergie transmise étant absorbée par l’oxygène atmosphérique. L’absorption par l’oxygène à 60 GHz limite fortement la portée. Pour fonctionner de manière fiable même sur de courtes distances, il est nécessaire d’utiliser une antenne à faisceau étroit très focalisée pour augmenter le niveau de signal disponible pour le récepteur du récepteur et pour réduire les interférences entre les sources radio.

L’absorption atmosphérique d’ondes millimétriques à différentes fréquences

La transmission de signaux à ondes millimétriques suscite des inquiétudes fondées quant aux risques pour la santé, bien que dans le cas spécifique de la 5G, les chercheurs ne disposent pas de données suffisantes sur l’ampleur des risques car aucune expérience de ce type n’a jamais été menée, et encore moins avec des sources réelles (c’est-à-dire non simulées). Cependant, les effets biologiques et sanitaires des ondes millimétriques sont évidents dans d’autres applications dont on va parler ici et ne sont malheureusement pas de bon augure pour la 5G.

En outre, pour obtenir des débits de données plus élevés, la 5G utilise des techniques de modulation complexes (qui sont plus bioactives), un spectre de fréquences beaucoup plus élevé et de petites cellules. Les réseaux cellulaires conventionnels 3G et 4G transmettent des signaux inférieurs à 3,6 GHz dans le spectre des fréquences radio. Le spectre de fréquences utilisé dans la technologie 5G peut être divisé en trois bandes principales : la gamme des fréquences inférieures à 6 GHz, les ondes millimétriques de moyenne gamme et les ondes millimétriques de haute gamme.

L’augmentation du nombre de stations de base et de petites cellules connectées au réseau 5G entraîne une augmentation du champ de transmission sans fil auquel les gens sont exposés pratiquement 24 heures sur 24, 365 jours par an. D’autres antennes de transmission seront réparties le long des rues, des bâtiments, des lampadaires. Les opérateurs de réseau décideront à leur discrétion où installer les nouvelles stations de base ; il se peut que les gens ne puissent pas contrôler les emplacements du réseau, même s’ils sont déjà électro-sensibles.

Scénario d’un réseau mobile 5G hétérogène. Les “petites cellules” desservent chacune une des zones en rouge avec des ondes millimétriques, tandis que les macrocellules semblables à la 4G serviront à accéder aux fréquences dans la région des micro-ondes (c’est-à-dire jusqu’à 6 GHz).

La puissance du signal transmis et le temps d’exposition sont donc des facteurs importants dans ce scénario. De nombreux chercheurs ont découvert que l’exposition à long terme aux rayonnements des micro-ondes est cancérigène. Malheureusement, l’impact peut ne pas être évident en très peu de temps, mais peut causer de graves dommages aux cellules humaines au fil du temps. L’exposition à long terme aux ondes millimétriques pourrait également avoir des répercussions importantes sur la santé, et affecter également d’autres organismes vivants et plantes.

Les effets des ondes millimétriques sur la santé

L’une des principales caractéristiques des ondes millimétriques sur le corps humain est l’absorption par la peau. Une exposition rapprochée à un rayonnement électromagnétique à ondes millimétriques provoque la pénétration de la peau (60 à 90 % dans les cas extrêmes) en raison des propriétés diélectriques des cellules de la peau humaine. Les chercheurs ont observé que seulement 30 à 40 % de la puissance incidente est renvoyée dans la peau. Mais examinons la question plus en détail.

Les autorités réglementaires, comme la FCC aux États-Unis, ont des directives strictes concernant le niveau d’exposition électromagnétique dans les lieux publics et les sites industriels où les employés sont régulièrement exposés aux rayonnements électromagnétiques. Néanmoins, les limites légales ont été créées en référence à la première génération de technologie militaire ; elles n’ont pas été beaucoup mises à jour au cours des 20 dernières années, et elles se réfèrent exclusivement aux effets thermiques des champs électromagnétiques.

Les effets biologiques des champs électromagnétiques de radiofréquence dans la région des micro-ondes sur les organismes vivants sont maintenant bien connus et dépendent de nombreux facteurs.

Les limites légales basées sur l’effet thermique du rayonnement électromagnétique (c’est-à-dire que si l’appareil ne chauffe pas le corps, il ne l’endommage pas) que nous connaissons aujourd’hui n’ont aucun sens. Les effets biologiques des radiofréquences et des micro-ondes sur le corps humain exposé pendant une longue période à des champs électromagnétiques de différentes gammes de fréquences n’ont jamais été étudiés directement sur l’homme (alors que chez la souris, ils sont associés au cancer), mais les études épidémiologiques et de laboratoire les plus récentes nous ont donné les réponses que nous recherchons.

La littérature scientifique regorge également d’articles sur les effets biologiques des ondes millimétriques, mais aucune étude, à notre connaissance, n’a évalué les risques à long terme pour l’homme des ondes millimétriques de faible intensité, qui, compte tenu des nombreux effets biologiques déjà constatés à court terme et de l’utilisation croissante des technologies des ondes millimétriques, semblent très concrets.

Comme expliqué dans l’article “ondes millimétriques : utilisation comme arme non létale”, l’armée utilise des ondes millimétriques de grande puissance dans les “systèmes de déni actif” (ADS) pour contrôler des ennemis ou une foule. Il s’agit d’une arme biologique conçue pour contrôler les gens en activant des ondes millimétriques de haute puissance qui chauffent le corps pendant l’exposition. Des antennes hautement directionnelles visent la cible et dispersent la foule en quelques secondes.

D’après les données de recherche provenant de différentes sources, l’exposition à court terme à des ondes millimétriques de forte puissance peut causer de graves dommages à la peau et l’exposition prolongée aux micro-ondes peut endommager les cellules du cerveau. L’idée de créer un réseau 5G apparaît donc, pour des scientifiques, comme “une véritable folie”. La technologie nous offre confort et aide dans les tâches plus complexes, mais chacun a la responsabilité de veiller à ce qu’elle n’affecte pas la santé et les autres organismes vivants.

Utilisation dans les systèmes à réseaux phasés et leurs effets biologiques

Les industries militaire et aérospatiale se tournent vers la technologie des ondes millimétriques pour accroître la connectivité et la détection pour la prochaine génération de réseaux tactiques, de sécurité, de guerre électronique et même de systèmes d’autorisation active. Pour atteindre ces objectifs, des sources d’émission à haute puissance, des récepteurs à faible bruit, des technologies de composants de contrôle et des réseaux d’antennes multifaisceaux sont en cours d’essai.

Par exemple, aux États-Unis, la DARPA tente d’améliorer les capacités tactiques du soldat en première ligne grâce à des points d’accès sans fil mobiles basés sur les ondes millimétriques, qui seront montés sur des plates-formes de drones (véhicules aériens sans pilote). L’objectif est de mettre en place une dorsale de communication de 1 Gb/s pour les unités de combat, même dans les environnements les plus reculés. Pour ce faire, des antennes à orientation d’ondes millimétriques, un faible bruit et des amplificateurs plus efficaces/puissants ont été étudiés.

Comme en 5G, les réseaux d’antennes à commande de phase, dont chaque antenne est représentée ici par un carré jaune de 1 mm, permettent d’obtenir plusieurs faisceaux de rayonnement synthétique dirigés vers autant d’appareils de communication mobile. Un réseau de 64 antennes peut en synthétiser environ 50 simultanément.

Le nouveau programme de la DARPA vise à créer une technologie numérique à faisceaux multiples, fonctionnant à 18 à 50 GHz, pour améliorer la sécurité des communications entre les plateformes militaires. Des faisceaux d’antenne étroits avec de petites ouvertures de rayonnement offrent une plus grande sécurité de communication. Toutefois, les systèmes à ondes millimétriques actuels ne sont pas faciles à utiliser et sont conçus pour être spécifiques à chaque plate-forme, et sont donc réservés aux plates-formes plus complexes.

Afin d’étendre l’utilisation des réseaux phasés aux ondes millimétriques et de les rendre largement applicables à tous les systèmes militaires, de nombreux défis techniques doivent être relevés, notamment la couverture des fréquences à large bande, le ciblage de précision de la portée, l’identification des utilisateurs. L’utilisation de réseaux d’antennes multifaisceaux et les progrès de la technologie des ondes radio et millimétriques sont prêts à modifier la communication et le réseau des plateformes mobiles.

Les réseaux d’antennes à commande de phase fonctionnant en ondes millimétriques ou à très haute fréquence font déjà l’objet de recherches actives sur le marché émergent des téléphones mobiles 5G. Les applications commerciales résolvent principalement le problème du dernier kilomètre, où les consommateurs ont besoin de plus de bande passante à des fréquences prédéterminées. Cependant, les plateformes militaires créent des défis uniques en matière de formation de faisceaux qui nécessitent des approches de communication spécifiques.

La même technologie est également applicable aux radars. Le premier réseau d’antennes à semi-conducteurs à commande de phase, appelé “PAVE PAWS” (Système d’avertissement de réseau progressif d’entrée de véhicule d’acquisition de précision), est un système radar et informatique élaboré développé en pleine guerre froide, pour “détecter et caractériser une attaque de missiles balistiques lancée depuis la mer contre les États-Unis”. Certains de ces radars faisaient partie du réseau américain de surveillance spatiale des objets en orbite.

Pour détecter les missiles balistiques, il fallait un système de radar avec un temps de réaction plus rapide que celui des radars existants. Une antenne radar classique à rotation mécanique ne peut pas tourner assez vite pour suivre plusieurs missiles. Au lieu de cela, les faisceaux radar synthétiques d’un système à commande de phase sont pilotés électroniquement sans déplacer l’antenne fixe, de sorte qu’ils peuvent être dirigés dans une direction différente en quelques millisecondes, ce qui leur permet de suivre de nombreux missiles ensemble.

Le radar PAVE PAWS fonctionne, comme tous les radars, par impulsions : il émet une séquence d’impulsions et est ensuite en sommeil pendant que l’écho revient. Ensuite, une autre séquence d’impulsions est transmise et le processus est répété. La largeur des impulsions varie de 250 microsecondes à 16 millisecondes et la période d’écoute est d’au moins 38 millisecondes. Certaines impulsions varient également en fréquence porteuse pendant l’impulsion, en utilisant une technique appelée “chant” pour améliorer la plage de résolution.

Un comité du Conseil national de recherches des États-Unis (NRC) a été mandaté par le département de l’armée de l’air pour “déterminer si les informations sur les effets biologiques des expositions “classiques” aux radiofréquences autres que les expositions aux antennes à réseaux phasés peuvent être utilisées pour déterminer les effets biologiques des expositions aux réseaux phasés”, comme les radars PAVE PAWS mais aussi les systèmes qui composent le réseau 5G (petites cellules, smartphones).

Une question clé pour les radars est de savoir “si la granularité du rayonnement des lobes latéraux produite par les retards différentiels sur le réseau génère des formes d’onde différentes de celles produites par le faisceau principal de l’antenne (après avoir pris en compte les différences de niveau de puissance). Par “granularité”, nous entendons que les champs des éléments individuels composant le réseau phasé sont ajoutés en tant qu’éléments discrets bien définis (c’est-à-dire en tant que pas discrets) pour former le faisceau “synthétique” global”.

Une antenne directive, qu’elle produise un faisceau avec une antenne parabolique ou qu’elle le fasse synthétiquement avec un réseau à commande de phase comme dans un radar PAWE PAWS, a toujours un lobe principal et des lobes de rayonnement latéraux.

La réponse du NRC a été la suivante : “en première approximation, les champs de chacun des éléments rayonnants seront immergés pour donner les mêmes diagrammes de rayonnement que le réflecteur correspondant (c’est-à-dire un grand réflecteur couvrant la même zone). La différence entre ces deux systèmes d’antennes est que l’un (le réseau à commande de phase) est une approximation à pas discret de l’autre. À des distances modérées, comme dans la clôture du site radar, les différences entre ces deux antennes devraient être faibles”.

Le Comité ajoute : “si les formes d’onde sont essentiellement les mêmes, les données existantes sur les effets biologiques des radiofréquences pourraient être applicables. Si ce n’est pas le cas, des études supplémentaires sont nécessaires. Les données de mesure dans le développement de la technologie sont essentielles pour répondre à cette question, c’est pourquoi ces données doivent être mesurées soigneusement et rapidement”. C’est exactement le contraire de ce qui est fait pour la 5G, où il n’y a pas d’études visant à comprendre les effets biologiques.

Dans le cas du 5G, les effets biologiques de l’exposition au faisceau principal du réseau en phase et ceux de l’exposition au réseau non en phase sont tous deux nécessaires pour déterminer son potentiel dans le cas de systèmes réels non simulés. Une comparaison entre les formes d’onde d’une source utilisant un réseau d’antennes et d’une source utilisant une antenne traditionnelle est essentielle, car les études biologiques et épidémiologiques ont jusqu’à présent été basées sur des signaux traditionnels (radio ou radar), c’est-à-dire non en phase.

À Cape Cod, où se trouve l’un des radars PAVE PAWS, la population a longtemps été exposée aux “lobes latéraux” du système à réseaux phasés. Les conséquences épidémiologiques sur la population sont attestées par les taux élevés de cancer observés dans la région de Cape Cod. Par exemple, neuf des quinze villes de Cape Cod ont une incidence de cancer du sein supérieure d’au moins 15 % à celle du reste de l’État, selon l’Institut Silent Spring, qui suit les problèmes de santé des femmes.

Bien qu’une étude de l’Institut international d’épidémiologie ait tenté de fournir une interprétation rassurante des données épidémiologiques recueillies à Cape Cod pour évaluer les effets potentiels sur la santé de l’installation du radar PAVE PAWS de l’armée de l’air américaine, le comité du Conseil national de la recherche (NRC) chargé d’examiner ce travail cite plusieurs faiblesses méthodologiques importantes de l’étude, qui rendent nombre de ses conclusions peu claires.

Par exemple, l’étude épidémiologique compare les taux de maladie à Cape Cod avec ceux du comté de Worcester, une zone historiquement plus industrielle et urbaine où la population est susceptible d’avoir un mode de vie différent de celui de Cape Cod. Le comité a donc recommandé que les comtés de comparaison n’incluent pas le comté de Worcester et que davantage de données sur les facteurs de confusion, tels que l’exposition à la fumée et aux pesticides, soient incluses. Il serait également utile de disposer de données sur l’évolution annuelle des taux de maladie.

Dans les radars PAVE PAWS, le faisceau doit être maintenu à au moins 100 pieds au-dessus du sol sur un terrain accessible au public afin d’éviter au moins la possibilité d’exposer le public au faisceau principal. Des radars militaires basés sur des systèmes à réseaux phasés ont également été développés pour les systèmes de défense, et des systèmes similaires sont installés sur les navires et avions militaires pour la surveillance aérienne. Notez que la technologie des réseaux à commande de phase est également utilisée (mais seulement en réception) par les radiotélescopes de nouvelle génération, comme le SKA.

Si le radar est à ondes millimétriques, il permet d’obtenir des images efficaces même en présence de nombreux débris, d’une faible visibilité, d’une faible réflectivité et d’environnements poussiéreux ou sablonneux. La capacité des ondes millimétriques à pénétrer (ou à subir une atténuation limitée) dans ces environnements fait de cette technologie un élément clé de la visibilité par tous les temps et dans toutes les conditions de jour et de nuit. Pourtant, il est susceptible d’être atténué en cas de conditions climatiques humides (pluie, brouillard).

Les drones pourront aussi utiliser un radar à ondes millimétriques pour la surveillance dans des environnements poussiéreux ou sablonneux comme le désert.