Zapobieganie szkodliwemu wpływowi branży komponentów elektronicznych na środowisko naturalne

Przemysł elektroniczny zawsze miał wpływ na środowisko i ta sytuacja nadal będzie miała miejsce wraz z jego dalszym rozwojem. Dobrą stroną jest to, że coraz szersze wykorzystanie elektroniki w wytwarzaniu energii, oświetleniu, sterowaniu silnikami, czujnikach i wielu innych zastosowaniach pozwoliło znacznie poprawić sprawność energetyczną i umożliwiło monitorowanie i kontrolowanie naszego środowiska naturalnego. Negatywny wpływ polega na tym, że powszechność wyrobów elektronicznych skutkuje znacznymi ilościami elektrośmieci na wysypiskach, zwiększeniem zużycia energii oraz uwalnianiem niebezpiecznych materiałów do środowiska naturalnego. Co można zrobić, aby walczyć z tym problemem, a jednocześnie zapewnić ciągły postęp ewolucyjny elektroniki? W branży rozważanych jest szereg nowych pomysłów i trendów zmierzających do znalezienia rozwiązania.

Niższe zużycie energii

Jednym z nowszych trendów związanych z wpływem na środowisko naturalne oraz dziedzinę zrównoważonego rozwoju jest dążenie do obniżenia zużycia energii. Często zdarza się, że ludzie w danej chwili mają przy sobie pięć lub sześć urządzeń zasilanych z baterii - może to być telefon komórkowy, smartwatch, laptop, tablet, słuchawki inteligentne i itp. Generalnie zauważalnym trendem w tej dziedzinie jest ciągłe dążenie do obniżenia zapotrzebowania tych urządzeń na energię. Niższe zużycie energii pozwala stosować mniejsze baterie i uzyskiwać mniejsze urządzenia. Inną korzyścią z niższego zużycia energii przez urządzenie są dłuższe okresy między ładowaniami lub wymianami baterii.

Kolejnym wyłaniającym się trendem jest sposób ładowania baterii. Procesy chemiczne wykorzystywane w bateriach wymagają unikalnych profili ładowania, pozwalających maksymalnie wydłużyć okres eksploatacji baterii, a zwłaszcza zapewnić im bezpieczeństwo, ponieważ niektóre mogą wybuchnąć w przypadku nieprawidłowego ładowania. Ładowanie stało się procesem skomplikowanym, który wymaga monitorowania temperatury baterii, napięcia i prądu w pętli zamkniętej oraz ich regulacji w trakcie cyklu ładowania. Właściwy sposób ładowania wydłuża również spodziewany okres eksploatacji baterii. Trend w dziedzinie coraz większego skomplikowania procesów ładowania będzie się utrzymywał wraz z nowo opracowywanymi procesami chemicznymi. Dłuższy czas pracy baterii pozwala na dłuższy czas użytkowania urządzeń, co przekłada się ostatecznie na mniejszą ilość elektrośmieci na wysypiskach.

Mamy zieloną, organiczną technologię magazynowania energii, która jest popularna, jednak nie tak powszechnie stosowana jak baterie: są to superkondensatory. Wprawdzie nie dorównują one tradycyjnym bateriom pod względem pojemności oraz możliwości długoterminowego przechowywania energii, jednak umożliwiają znacznie szybsze ładowanie oraz wytrzymują znacznie większą liczbę cykli ładowania niż baterie wielokrotnego ładowania. Ponieważ superkondensatory charakteryzują się czasem samorozładowania wynoszącym zwykle kilka tygodni, należy to uwzględnić w potencjalnych zastosowaniach. Superkondensatory są obecnie dostępne u wielu dostawców, a ilustracja 1 ukazuje przykładowe opcje obudów superkondensatorów firmy KEMET. Niektóre urządzenia wykorzystujące kondensatory zamiast baterii mogą być nawet ładowane z wykorzystaniem światła z otoczenia. Urządzenia takie pozyskują naturalną energię z otoczenia, wykorzystując światło jako źródło energii do regularnego ładowania kondensatora, dostarczając użytecznych ilości energii. Do najpopularniejszych form pozyskiwania energii z otoczenia zalicza się obecnie ruch, różnice temperatur i światło.

Ilustracja 1: różne rodzaje obudów superkondensatorów firmy KEMET. (Źródło obrazu: KEMET)

Pozyskiwanie energii z otoczenia

Pozyskiwanie energii z otoczenia jest procesem pobierania energii ze źródeł zewnętrznych, jak np. energia słoneczna, energia cieplna, energia wiatrowa itp. Energia ta jest następnie wychwytywana i magazynowana. Typowe zastosowania to niewielkie, autonomiczne urządzenia bezprzewodowe, takie jak na przykład urządzenia ubieralne oraz sieci czujników bezprzewodowych. Ilustracja 2 ukazuje niektóre ogniwa słoneczne Littelfuse IXOLAR™ wykorzystywane zwykle do zasilania niewielkich urządzeń elektronicznych niskiej mocy.

Ilustracja 2: niewielkie ogniwa słoneczne Littelfuse IXOLAR™. (Źródło ilustracji: Littelfuse)

Pozyskiwanie energii z otoczenia sięga w przeszłości do wiatraków oraz kół wodnych, jednak obecnie prace rozwojowe nad nowymi urządzeniami do pozyskiwania energii z otoczenia koncentrują się na zasilaniu sieci czujników oraz urządzeń mobilnych nie zawierających baterii. Coraz bardziej popularne staje się zasilanie terenowych czujników zdalnych, w przypadku których wymiana baterii jest trudna i kosztowna. Pozyskiwanie energii z otoczenia jest również coraz bardziej interesujące z punktu widzenia zmian klimatycznych i globalnego ocieplenia.

Firma DigiKey oferuje wiele rodzajów płytek demonstracyjnych i ewaluacyjnych pozyskiwania energii z otoczenia, a także indywidualne mikroukłady zarządzania energią. Wnętrzowy zestaw słoneczny firmy Power Film (ukazany na ilustracji 3) stanowi kompletne rozwiązanie i zawiera wnętrzowe panele słoneczne oraz płytkę ewaluacyjną pozyskiwania energii z otoczenia i zarządzania magazynowaniem energii, a także baterię wielokrotnego ładowania. Płytka ewaluacyjna zawiera moduł BLE nRF52832 firmy Nordic oraz układ scalony pozyskiwania energii z otoczenia i zarządzania energią BQ25570 firmy Texas Instruments.

Ilustracja 3: wnętrzowy zestaw słoneczny firmy Power Film. (Źródło ilustracji: Power Film)

Jednorazowe baterie cienkowarstwowe

Inną alternatywną opcją opracowaną z myślą o zrównoważonym rozwoju są elastyczne drukowane baterie cienkowarstwowe, znane również pod nazwą półprzewodnikowych baterii cienkowarstwowych. Baterie półprzewodnikowe mają formę ciał stałych i nie zawierają w swojej strukturze żadnych płynów ani żeli. Są one zaprojektowane i produkowane z użyciem cienkich warstw materiałowych, dzięki czemu są elastyczne i atrakcyjne dla rynku urządzeń ubieralnych z funkcjami pomiarowymi. Wiele z tych półprzewodnikowych baterii cienkowarstwowych spełnia wymogi pod względem elastyczności i niewielkiej grubości, jednak często są one nadal produkowane na bazie litu lub innych procesów chemicznych, które mogą być toksyczne dla środowiska naturalnego.

Powszechność stosowania oraz toksyczność niektórych baterii zaczyna stanowić problem, gdy weźmiemy pod uwagę ogromne ilości wyrzucanych baterii każdego roku. Wraz ze wzrostem popytu na takie urządzenia, jak laptopy i smartfony, rośnie ich udział w ilości śmieci generowanych każdego roku. Baterie generalnie nie są biodegradowalne dlatego ich bezmyślne wyrzucanie może stwarzać ryzyko uwalniania toksycznych metali i substancji chemicznych do gleby. W wielu krajach obowiązują obecnie przepisy dotyczące usuwania baterii oraz programy ich recyklingu. Programy te pomagają w odzyskiwaniu metali z baterii i wspomagają ograniczanie negatywnego wpływu usuwania baterii na środowisko naturalne. Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska (USEPA) prowadzi witrynę internetową zawierającą szereg inicjatyw i programów zrównoważonego zarządzania urządzeniami elektronicznymi.

Przepisy dotyczące usuwania baterii oraz rosnące zapotrzebowanie na zasilanie i łączność dla coraz większej liczby urządzeń z Internetem rzeczy motywują firmy do poszukiwania bezpiecznych i zrównoważonych alternatyw dla niebezpiecznych substancji chemicznych wykorzystywanych w bateriach. Jednym z takich rozwiązań jest linia baterii cienkowarstwowych firmy Molex (ilustracja 4). W przeciwieństwie do baterii litowych, są one zaprojektowane na bazie procesów chemicznych wykorzystujących cynk i dwutlenek manganu, dlatego są bezpieczniejsze i wygodniejsze do usunięcia przez użytkownika końcowego.

Ilustracja 4: bateria cienkowarstwowa firmy Molex. (Źródło ilustracji: Molex)

Praktyczne przykłady to głównie zastosowania, w których bardzo istotne są niewielkie rozmiary, elastyczność, łatwość utylizacji. To właśnie tutaj należy spodziewać się rozwoju rynku dla baterii cienkowarstwowych. Jednym ze szczególnie interesujących przypadków jest wykorzystanie baterii cienkowarstwowych w inteligentnych tagach ultrawysokiej częstotliwości (UHF) do pomiaru temperatury. Tagi te mają rozmiary zbliżone do karty kredytowej i są nieco grubsze od standardowego papieru do drukarki. Są one używane przez zarządzających logistyką łańcucha chłodniczego w odniesieniu do produktów wrażliwych na temperaturę, jak na przykład farmaceutyki, żywność o krótkim terminie przydatności oraz kwiaty. Inteligentne tagi mierzące temperaturę wykorzystują szereg technologii, jak na przykład identyfikacja radiowa (RFID), inteligentny pomiar temperatury oraz drukowane baterie cienkowarstwowe, co umożliwia dokładne śledzenie czasu i temperatury w trakcie transportu i przechowywania produktów.

Również branża kosmetyczna, medyczna i konsumencka eksperymentuje ze stosowaniem baterii cienkowarstwowych. Na pograniczu produktów konsumenckich i kosmetycznych leżą elektryczne maski na oczy. Maska zawiera urządzenie mikroprądowe, na które składa się elastyczna bateria drukowana, elektrody, taśma przylepna oraz materiał pokrycia. Umieszczenie plastra na skórze natychmiast tworzy pętlę prądową, a kosmetyk przepływa od aktywnych elektrod w masce do skóry. Inne zastosowania konsumenckie baterii cienkowarstwowych obejmują elektroniczne urządzenia ubieralne oraz monitory sportowe, włączając w to naklejki czujnikowe Bluetooth Low Energy (BLE) mocowane do końcówek kijów golfowych w celu pomiaru przyspieszenia i prędkości końcowej. Jednorazowe baterie cienkowarstwowe są stosowane w medycynie w urządzeniach diagnostycznych, zabiegowych i monitorujących stan pacjentów.

W ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci największy postęp dokonał się w opracowaniu nowych i różnorodnych źródeł energii oraz baterii, które pozwalałyby zaspokoić rosnące na całym świecie zapotrzebowanie na zasilanie wielu urządzeń i aplikacji codziennego użytku. W ostatnim czasie firmy zaczęły prowadzić prace rozwojowe nad kondensatorami i bateriami wykorzystującymi materiały, które są szeroko dostępne, a także bezpieczne dla środowiska i człowieka. Pozyskiwanie energii naturalnie występujących w otoczeniu to kolejna badana przez wiele firm dziedzina zrównoważonego rozwoju. Branża przemysłowa, Internetu rzeczy, konsumencka i medyczna z powodzeniem eksperymentują i produkują już wyroby zasilane przez baterie cienkowarstwowe, superkondensatory oraz urządzenia pozyskujące energię z otoczenia. Zwiększenie pojemności i możliwości produkcyjnych dla tych metod wymaga dalszych prac rozwojowych, jednak deweloperzy stale zadają sobie istotne pytanie: gdzie jeszcze można zastosować te metody i praktyki?