Разрабатывается более экологичная электроника

18.06.2024

Исследователи ЕС разрабатывают более экологичные датчики, печатные платы и другие электронные устройства для снижения неустойчиво высокого уровня электронных отходов.

Для разработки экологически чистой электроники, такой как датчики и печатные платы, доктор Валерио Бени буквально следует бумажному следу.

Эксперт в области зеленой химии шведского исследовательского института RISE, Бени переключил свое внимание на древесину из целлюлозы, стремясь создать потребительские электронные устройства , которые не производят углеродного следа и которые легче перерабатывать.

В работе по дереву

Он и его коллеги обнаружили, что производство целлюлозы и превращение ее в бумагу для электроники нового поколения требует сжигания слишком большого количества энергии, чтобы усилия были настолько экологически чистыми, как они надеялись.

«Поэтому мы подумали, а почему бы нам не сделать шаг назад и не перейти к исходному материалу для изготовления бумаги?» — сказал Бени. «Это дерево».

Он возглавляет исследовательский проект по изучению способов изготовления бытовой электроники из древесных материалов.

Проект под названием HyPELignum рассчитан на четыре года до сентября 2026 года и объединяет исследовательские институты, университеты и представителей промышленности из Австрии, Нидерландов, Словении и Испании.

Жизненный цикл современной электроники неустойчив. Помимо энергии и сырья, необходимых для производства, выбрасываемые гаджеты приводят к образованию гор отходов.

По данным Организации Объединенных Наций, в 2022 году в мире было произведено рекордные 62 миллиарда метрических тонн электронных отходов – или 7,8 килограмма на человека – при этом Европа произвела 17,6 миллиардов метрических тонн, больше, чем любой другой регион .

Объем этой мировой горы увеличился почти вдвое с 34 миллиардов метрических тонн в 2010 году и, по прогнозам, увеличится до 82 миллиардов метрических тонн к 2030 году.

По данным ООН, помимо быстрого роста электронных отходов сложно управлять. В 2022 году было переработано лишь около пятой части мирового электронного мусора, хотя в Европе дела обстоят лучше, переработав около 43%.

Лучшие доски

Печатные платы являются основным компонентом электронных отходов.

По словам Бени, до 60% воздействия электроники на окружающую среду вызвано печатной платой устройства.

Платы представляют собой многослойную матрицу материалов — обычно смол, пластика и меди, которые трудно перерабатывать. Их гравируют, чтобы отпечатать металлические схемы, на которые можно припаивать электронные компоненты.

В качестве альтернативы команда HyPELignum разрабатывает два типа деревянных плат.

Один сделан из тонких слоев дерева, немного напоминающих фанеру. Другой изготовлен из целлюлозных волокон, извлеченных из древесины и древесных отходов.

«Идея состоит в том, чтобы попытаться заменить некоторые материалы с высоким содержанием углерода в электронике на материалы с низким содержанием углерода», — сказал Бени.

Схемы печатаются, а не гравируются на деревянных платах с использованием проводящих металлических чернил, разработанных в рамках проекта. Эти чернила также содержат целлюлозу и биопластики, полученные из древесины.

По истечении срока службы деревянные платы легче перерабатывать, чем традиционные печатные платы. Возможно, их даже можно будет компостировать.

Новые слои

Ключевой проблемой при переработке электроники является отделение компонентов от печатных плат.

Чтобы решить эту проблему, исследователи HyPELignum разрабатывают термически и химически разлагаемые слои, которые можно размещать между древесиной и печатными схемами.

Когда они разрушаются в конце срока службы изделия, схемы и электрические компоненты отваливаются от древесины. Деревянную плату, а также главным образом металлические схемы и компоненты можно затем отправить на различные потоки переработки.

Кроме того, разлагаемые слои также производятся из древесины. В рамках проекта они производятся из лигнина, полученного из древесных отходов.

По словам Бени , такая «зеленая химия» выделяет гораздо меньше углекислого газа (CO ₂ ) благодаря использованию биогенных материалов, которые можно возобновлять, а не ископаемой нефти.

«Древесина и биогенные материалы практически равны нулю с точки зрения воздействия CO ₂ », — сказал он. «Они поглощают CO ₂ для роста, а затем выделяют тот же CO ₂ при использовании».

Все больше и больше

По словам доктора Корна Рентропа, эксперта в области электроники и устойчивого производства в голландской исследовательской организации TNO, постоянно растущий аппетит населения мира к цифровым устройствам вызывает потребность в более экологичных версиях.

«Мы хотим больше данных, мы хотим больше возможностей подключения, мы хотим, чтобы Интернет был повсюду, поэтому количество электроники, необходимой для оборудования, постоянно растет», — сказал Рентроп.

В то же время срок службы электроники сокращается.

«Если вы посмотрите на ваши электронные устройства, они прослужат четыре-пять лет», — сказал Рентроп. «В принципе, это все».

Он возглавляет отдельный проект по сокращению выбросов углекислого газа при производстве электронных устройств и улучшению переработки.

Проект под названием ECOTRON продлится четыре года до августа 2026 года и в нем принимают участие ряд участников из Бельгии, Чехии, Финляндии, Франции, Италии, Нидерландов и Испании.

Гибкие пленки

Как и его коллега из HyPELignum, команда ECOTRON стремится заменить традиционные печатные платы на платы, изготовленные из возобновляемых материалов.

«Мы можем быть более устойчивыми, потому что этот процесс требует меньше энергии, чем производство стандартных печатных плат », — сказал Рентроп.

Но вместо дерева он и его коллеги создают гибкие пленки из таких материалов, как биопластик и бумага.

В конце срока службы биопластиковые плиты можно будет расплавить и переработать, а возможно, даже превратить в компост.

«Компостируемая электроника была бы просто фантастикой», — сказал Рентроп. «Бумага, конечно, является компостируемым материалом, но чернила и электрические компоненты — нет».

Чтобы преодолеть это препятствие, в рамках проекта разрабатываются обратимые межсоединения, которые можно активировать для освобождения электрических компонентов.

Кейсы компании

Исследователи ECOTRON берут существующие продукты и работают над заменой их более экологичной электроникой.

Финская компания Polar Electro, производящая устройства для мониторинга фитнеса и спортивных тренировок, участвует в разработке портативного нагрудного ремня, измеряющего частоту сердечных сокращений человека.

По словам Рентропа, в рамках проекта существующий нагрудный ремень Polar Electro был заменен версией на биологической основе, характеристики которой сопоставимы.

Сотрудничая с фармацевтической компанией Johnson & Johnson, команда разрабатывает умные наклейки, которые содержат регистраторы температуры для упаковок вакцин.

Медицинские работники, вводящие вакцины, могут получить доступ к этим данным о температуре с помощью портативного устройства, например смартфона, чтобы проверить правильность хранения каждой дозы.

В данном случае исследователи работают с бумагой, производя устройства, которые можно перерабатывать.

«Мы создаем электронное устройство, которое считается бумагой», — сказал Рентроп. «Это переработка по замыслу».