5 طرح برای بهبود پایداری الکترونیک

مقدمه

ابتکارات جدید متمرکز بر بازیافت الکترونیکی، به تولیدکنندگان فشار می‌آورند تا محصولات انعطاف‌پذیرتری را ایجاد کنند. در این مقاله پنج طرح برای بهبود صنعت الکترونیک آورده شده که توسط وبلاگ اسکایتک به زبان فارسی برگردانده شده است.

تا سال 2030، زباله‌های الکترونیکی در جهان به 74 میلیون تن خواهد رسید که تنها 20 درصد آن به درستی جمع آوری یا بازیافت می‌شود.

امروزه صنعت الکترونیک با چالش‌های عمده‌ای با در دسترس بودن مواد حیاتی و افزایش فشار برای کاهش ضایعات محیطی و حرکت به سمت بازیافت درگیر است.

در مارس 2022، گروه اروپا طرح‌های پایداری خود را منتشر کرد که هدف آن اطمینان از پایداری بیشتر محصولات موجود در بازار اتحادیه‌ی اروپا است.

گروه اروپا همچنین برنامه‌ی فعال چرخه‌ی اقتصادی (CEAP) را در مارس 2020 تصویب کرد. انتقال اتحادیه اروپا به چرخه‌ی اقتصادی با هدف کاهش فشار بر منابع طبیعی و ایجاد رشد و اشتغال پایدار است.

از آنجایی که این طرح‌ها در نهایت صنعت الکترونیک را پوشش می‌دهند و شامل آن می‌شوند، تولیدکنندگان با فشار فزاینده‌ای برای برآوردن الزامات این طرح‌ها در سال‌های آینده مواجه می‌شوند.

گفتن این کار آسان‌تر از انجام آن است – سؤال اصلی این است که چگونه می‌توان این اهداف را تحقق بخشید. زباله‌های الکترونیکی در حال انباشته شدن هستند و عوامل متعددی این مشکل را تشدید می‌کند.

از طرفی بازیافت زباله‌های الکترونیکی بسیار دشوار است، زیرا جداسازی مواد سازنده‌ی آن‌ها در مقیاس کوچک کاری بسیار سخت و طاقت‌فرسا است. هم‌چنین تقاضای کاربران برای محصولات جدید و تعویض آن‌ها با محصولات قدیمی، هرسال با نرخ بالایی زیاد می‌شوند.

فنلاند که به عنوان کشوری که در دهه‌ی 1990، تلفن‌های همراه شخصی را پیشگام و محبوب کرد، شناخته می‌شود و تصمیم گرفته است تا با موضوع زباله‌های الکترونیکی مقابله کند.

محققان VTT (مرکز تحقیقات فنی فنلاند) با هدف تعیین استاندارد جدیدی برای پایداری در صنعت الکترونیک و پاسخ به یک سؤال کلیدی شروع کردند: چگونه می‌توانیم پایداری را در هر مرحله از چرخه‌ی حیات الکترونیک افزایش دهیم؟

پروژه‌ی ECOtronics در نهایت نشان داد که صنعت برای بهبود و پایداری نیاز به پنج حوزه‌ی اصلی دارد. این پنج طرح شامل بازیافت، استفاده از مواد خام مفید، ایجاد روش‌های تولید کارآمدتر، پایداری در بهره‌وری و افزایش طول عمر می‌شود.

طراحی مبتنی بر بازیافت محصولات

به طور متوسط، مصرف جهانی محصولات الکتریکی و الکترونیکی هرسال 2.5 میلیون تن از وزن کل افزایش می‌یابد. محصولات الکترونیکی باید طوری طراحی شوند که هدف‌های حامی محیط‌زیست در هر مرحله از چرخه‌ی حیات آن‌ها گنجانده شود.

یکی از چالش‌های اصلی این طرح، عدم به‌روزرسانی برنامه‌ها است. زیرا محصولات با سرعت باورنکردنی تبدیل به زباله‌ها و یا جایگزین می‌شوند. درواقع محصولات طوری طراحی شده‌اند که برای مدت طولانی کار نکنند.

با این حال، بازاندیشی برای ایجاد انواع کسب‌ و کار همسو با چرخه‌ی اقتصادی، اهمیت ویژه‌ای دارد. در حال حاضر، بسیاری از انواع کسب‌ و کار مبتنی بر محصولات هستند، اما برای تغییر به سمت صنعت الکترونیک انعطاف‌پذیرتر، باید شاهد تغییر ویژه‌ای مبتنی بر خدمات محصولات باشیم.

چالش دیگر این است که اجزای محصولات الکترونیکی، آن‌ها اغلب از مواد مختلف با مقادیر کم تشکیل شده‌اند که نیازمند فرایند خاص برای بازیافت هستند.

محققان VTT دریافتند که محصولات جدید را می‌توان به روشی مدولار طراحی کرد تا بتوان آن‌ها را به طور مؤثر برای استفاده‌ یا ساخت مجدد جدا کرد. این امر به طور بالقوه طول عمر اجزا و مواد را طولانی‌تر می‌کند، اما همچنین می‌تواند با امکان دسترسی به مواد خام ثانویه به کاهش کمبود مواد خام اصلی کمک کند. با این حال، توسعه‌ی فرآیند برای بازیافت مواد مورد نیاز است.

به عنوان مثال، اجزای حسگر ECG یک‌بار مصرف و شامل الکترودهای چسبنده‌ی پوست و اجزای الکترونیکی است که از مواد پلاستیکی ساخته شده‌اند. الکترود ECG جدیدی که توسط VTT توسعه داده شده است، از نانوسلولز قابل بازیافت، دوستدار محیط‌زیست و جایگزین پلاستیک، ساخته شده است. هم‌چنین قطعات الکترونیکی ECG را می‌توان به راحتی برای استفاده‌ی مجدد جدا کرد.

انتخاب مواد خام مفید

با توجه به اینکه انتظار می‌رود مصرف جهانی منابع مادی بین سال‌های 2017 تا 2060 تقریباً دو برابر شود ، صنعت الکترونیک نیاز به استفاده‌ی بیشتر از مواد خام مبتنی بر منابع طبیعی تجدید پذیر، مانند مواد کامپوزیتی و پلاستیکی مبتنی بر فسیل دارد. در این طرح می‌توان این گونه مواد را با مواد مبتنی بر سلولز یا بیوشیمی جایگزین کرد.

اگر فرایند مونتاژ قطعات به درستی انجام نشود، مواد خام آن‌ها هدر می رود. راه حلی برای این چالش وجود دارد: استفاده از مواد ثانویه‌ی بازیافت شده به جای مواد اصلی است.

هدف نهایی صنعت الکترونیک این است که تقریباً تمام مواد الکترونیکی از منابع ثانویه تهیه شوند. هم‌چنین نگه داشتن قطعات الکترونیکی به صورت ماژول به این معنی است که قطعات با طول عمر محدود به راحتی قابل تعویض یا بازیافت هستند.

به عنوان مثال، در پروژه‌ی ECOtronics، محققان فرایند جایگزین پلاستیک‌های رایج با پلاستیک‌های زیستی را بررسی کردند و با موفقیت یک برچسب هوشمند ساخته شده از پلاستیک‌های زیستی و سلول‌های فتوولتائیک آلی را کشف کردند.

علاوه بر مواد سیلیکونی، در اجزای الکترونیکی مواد فلزی نیز یافت می‌شوند. به عنوان مثال، فلز نقره برای پایه‌های قطعات الکترونیکی استفاده می‌شود اما تأثیر آن بر محیط‌زیست بالا و در حال تبدیل شدن به ماده‌ی کمیاب است.

در برخی موارد، نقره را می‌توان با فلزهای ارزان‌تر و فراوانی بیش‌تر مانند مس یا مواد مبتنی بر کربن جایگزین کرد. بر اساس گزارش‌های دانشگاه‌های LUT و VTT، اثر گرمایش جهانی با جایگزین مس – و حتی بیشتر از آن عنصر کربن – به طور قابل توجهی حدود 80 درصد کاهش می‌یابد. با این حال رسانایی مس کم‌تر از رسانایی نقره است و در طراحی باید جبران شود.

علاوه بر این، مواد کربنی مشتق شده از ابریشم رسانایی خوبی دارند و به راحتی می‌توانند به شکل‌های مختلفی ساخته شوند. این ماده طبیعی در لایه‌ی دی‌الکتریک PCB و به عنوان بستر دستگاه الکترونیکی استفاده می‌شود.

روش‌های تولید کارآمدتر

یکی از مهم‌ترین یافته‌های ما نشان داد که وقتی از روش‌های چاپ افزودنی برای ایجاد قطعات الکترونیکی انعطاف‌پذیر استفاده می‌شود، تأثیرات مخرب محیط‌زیست می‌تواند تا 86 درصد کاهش یابد.

بسیاری از فناوری‌های رایج مورد استفاده در ساخت وسایل الکترونیکی بر اساس زدایش هستند. با این حال، فناوری‌های سازگار با افزودنی، به طور قابل توجهی ضایعات مواد و مصرف انرژی را در طول فرآیند تولید کاهش می‌دهند.

اکنون مدارهای چاپی در مرحله‌ی اول به صورت صفحه‌ی تمام مسی بر روی دی‌الکتریک ساخته می‌شوند و سپس در فرایندی، بخش‌های از مس که استفاده نمی‌شود، از روی PCB حذف می‌شوند و تنها مدار با اتصالات مسی باقی می‌ماند.

محققان دریافتند که قطعات الکترونیکی فلزی انعطاف‌پذیر را می‌توان بر روی بسترهای زیستی مانند کاغذ یا فیلم پلاستیک زیستی چاپ کرد. این فرآیند به انرژی کمتری نیاز دارد و از وارد شدن مواد شیمیایی مضر جلوگیری می‌کند و در عین حال ضایعات مواد را به شدت کاهش می‌دهد و استفاده از مواد تجدید پذیر را افزایش می‌دهد.

پایداری در بهره‌وری

آن‌ها همچنین راه حل‌های جدیدی برای پایدارتر کردن محصولات الکترونیکی در مرحله‌ی استفاده پیدا کردند. به عنوان مثال، مصرف انرژی محصولات را می‌توان با ایجاد دستگاه‌های کم‌هزینه و کم وزن کاهش داد.

افزایش طول عمر محصول و افزایش دوام نیز به پایداری کمک می‌کند. علاوه بر این، قابلیت‌های برداشت انرژی، مانند استفاده از فتوولتائیک آلی (OPV)، فرصت‌های جدیدی را برای دستگاه‌های مستقل انرژی ارائه می‌دهد.

به عنوان مثال، برچسب هوشمند را در نظر بگیرید که روی بستر پلاستیک زیستی چاپ شده و توسط یک ابرخازن قابل شارژ با فتوولتائیک که قادر به برداشت نور حتی در داخل خانه است، تغذیه می‌شود.

این برچسب را می‌توان به عنوان بخشی از بسته بندی محصول اضافه کرد و از آن برای نظارت بر شرایط حمل و نقل غذا و دارو یا سایر محصولات حساس به دما استفاده کرد.

میزان ضایعات مواد غذایی در جهان، حدود 1.6 میلیارد تن در سال تخمین زده می‌شود که 1.3 میلیارد تن از آن را مواد خوراکی تشکیل می‌دهد.

RFID یا سایر برچسب‌های هوشمند به طور بالقوه می‌توانند برای نظارت و جلوگیری از این تلفات و شناسایی اثرات مخرب محیط‌زیست استفاده شوند.

مدیریت افزایش طول عمر

در اتحادیه‌ی اروپا، زباله‌های الکترونیکی همچنان یکی از سریع‌ترین زباله در حال تولید هستند. طرح مدیریت طول عمر اجزای الکترونیکی هنوز در جداسازی مواد سازنده مانند فلزات برای بازیافت، دفن زباله‌های غیر بازیافت و سوزاندن آن‌ها با چالش‌های زیادی روبرو می‌شود.

سالانه 1.5 میلیارد تلفن همراه جدید وارد چرخه‌ی عرضه و تقاضا می‌شوند. گوشی‌های قدیمی در کشوهای میز یا محل‌های دفن زباله قرار می‌گیرند، به این معنی که مواد و اجزای آن‌ها به مرور زمان از بین می‌روند.

اما این مواد باید برای استفاده‌ی مجدد به صنعت بازگردانده شوند. اما محققان هنوز در این طرح با پرسش‌هایی از قبیل “سازگارترین زباله‌هایی که با سرعت تولید می‌شوند، کدم‌اند؟” و “چگونه بازیافت کارآمد مواد را انجام دهیم؟” مواجه هستند.

چالش مهم دیگر این است که اگر مواد بازیافتی از صنعت الکترونیک،  دوباره در صنایع مواد غذایی و بهداشت استفاده شود؛ نگرانی‌هایی مربوط به ایمنی ایجاد می‌شوند.

نتیجه گیری

صنعت الکترونیک امکانات متعددی برای کاهش اثرات مخرب محیط‌زیست خود دارد. همه چیز در مرحله‌ی طراحی با انتخاب بسته بندی، مواد و فرآیندهای ساخت شروع می‌شود.

با این حال، هر سه جنبه‌ی پایداری محیطی، اجتماعی و اقتصادی، با برقراری تعادل بین هزینه، بهترین عملکرد و تأثیر مثبت بر محیط‌زیست برای محصولات الکترونیکی آینده، مهم هستند.