Eco-inovații electronice: senzori și plăci de circuite din lemn și hârtie pentru un viitor sustenabil13 min read

Cercetătorii din UE dezvoltă senzori, plăci de circuite și alte dispozitive electronice mai ecologice pentru a reduce cantitățile extrem de ridicate de deșeuri electronice.

Pentru a dezvolta produse electronice ecologice, cum ar fi senzorii și plăcile de circuite, dr. Valerio Beni urmează, la propriu, calea hârtiei.

Expert în chimie ecologică la institutul suedez de cercetare RISE, Beni și-a redircționat interesul de la celuloză la lemn, în încercarea de a crea dispozitive electronice de larg consum fără amprentă de carbon și care sunt mai ușor de reciclat. 

Munca cu lemnul

Împreună cu colegii săi, a descoperit că producția de celuloză și transformarea acesteia în hârtie pentru o nouă generație de produse electronice necesită arderea unei cantități prea mari de energie pentru ca efortul să fie atât de ecologic pe cât sperau.

„Așa că ne-am gândit să facem un pas înapoi și să revenim la materialul inițial pentru fabricarea hârtiei”, spune Beni. „Acesta este lemnul.”

Dr. Beni conduce un proiect de cercetare care a primit finanțare din partea UE pentru a examina moduri de a fabrica produse electronice de larg consum cu materiale pe bază de lemn. 

Denumit HyPELignum,// „Exploring wooden materials in hybrid printed electronics: a holistic approach towards functional electronics with net zero carbon emissions”, cordis.europa.eu // proiectul se întinde pe patru ani, până în septembrie 2026, și reunește institute de cercetare, o universitate și reprezentanți ai industriei din Austria, Slovenia, Spania și Țările de Jos.

Ciclurile de viață ale produselor electronice actuale sunt nesustenabile. În plus față de energia și materiile prime necesare pentru producție, gadgeturile generează munți de deșeuri odată ce sunt aruncate.

În 2022, lumea a produs o cantitate record de 62 de miliarde de tone de deșeuri electronice, însemnând 7,8 kilograme de persoană, din care Europa a produs 17,6 miliarde de tone, mai mult decât orice altă regiune, conform datelor// „The Global E-waste Monitor 2024”, api.globalewaste.org (PDF) // Organizației Națiunilor Unite. 

Acest munte de deșeuri din întreaga lume aproape s-a dublat, de la 34 de miliarde de tone în 2010, și se preconizează că va crește la 82 de miliarde de tone până în 2030.

Pe lângă creșterea rapidă a cantității de deșeuri electronice, gestionarea lor este complexă, potrivit ONU. În 2022, doar circa o cincime din deșeurile electronice de la nivel mondial erau reciclate, deși Europa s-a descurcat mai bine, reciclând aproximativ 43%.

Plăci de circuite mai bune

Plăcile de circuite sunt principala componentă a deșeurilor electronice.

Potrivit lui Beni, nu mai puțin de 60% din impactul produselor electronice asupra mediului este cauzat de plăcile de circuite ale acestora.

Plăcile sunt o matrice stratificată de materiale – de obicei, rășini, materiale plastice și cupru –, dificil de reciclat. Acestea sunt gravate în circuitele de metal imprimate, pe care pot fi lipite componente electronice. 

Ca alternativă la acestea, echipa HyPELignum dezvoltă două tipuri de plăci de circuite realizate din lemn. 

Una este alcătuită din straturi subțiri de lemn, asemănătoare placajului. Cealaltă este construită din fibre de celuloză extrase din lemn și deșeuri de lemn.

„Ideea este să încercăm să înlocuim o parte din materialele care generează emisii mari de carbon din produsele electronice cu altele cu emisii reduse”, spune Beni.

Circuitele sunt imprimate, nu gravate, pe plăci din lemn, utilizând cerneluri metalizate bune conductoare de electricitate, dezvoltate prin acest proiect. Aceste cerneluri conțin, de asemenea, celuloză și materiale plastice de origine biologică produse din lemn.

La sfârșitul duratei lor de viață, plăcile din lemn ar trebui să fie mai ușor de reciclat decât plăcile de circuite tradiționale. Ar putea fi posibilă chiar și compostarea lor.

Noi straturi

O provocare cheie cu privire la reciclarea produselor electronice este separarea componentelor de pe plăcile de circuite.

Pentru a aborda această problemă, cercetătorii din cadrul proiectului HyPELignum dezvoltă straturi degradabile termic și chimic, care pot fi amplasate între lemn și circuitele imprimate.

Atunci când acestea sunt distruse, la sfârșitul duratei de viață a produsului, circuitele și componentele electrice se desprind de pe lemn. Placa din lemn și circuitele și componentele realizate, în principal, din metal, pot fi trimise apoi către diferite fluxuri de reciclare.

Mai mult, și straturile degradabile sunt obținute tot din lemn. Proiectul le produce din lignină extrasă din deșeuri de lemn.

Potrivit lui Beni, o astfel de „chimie ecologică” emite mult mai puțin dioxid de carbon, datorită materialelor biogenice care pot fi reînnoite, spre deosebire de combustibilii fosili. 

„Lemnul și materialele biogenice au un impact aproape nul asupra emisiilor de CO₂”, a spus el. „Acestea absorb CO₂ pentru a crește și eliberează aceeași cantitate de CO₂ atunci când sunt utilizate.”

Din ce în ce mai mult

Apetitul în continuă creștere al populației globului pentru dispozitive digitale impulsionează nevoia de a avea versiuni mai ecologice, potrivit dr. Corne Rentrop, expert în electronică și producție durabilă la organizația neerlandeză de cercetare TNO.

„Vrem mai multe date, mai multă conectivitate și internet pretutindeni, astfel că numărul produselor electronice necesare în acest scop crește constant”, spune Rentrop. 

În același timp, durata de viață a acestora scade. 

„Dacă ne uităm la dispozitivele noastre electronice, acestea țin patru-cinci ani”, spune Rentrop. „Cam atât.” 

Dr. Rentrop conduce un proiect separat finanțat de UE pentru a reduce amprenta de carbon a producției de dispozitive electronice și a îmbunătăți reciclarea. 

Numit ECOTRON,// „How to minimize the ecological footprint for functional electronics?”, cordis.europa.eu // acesta se desfășoară pe o perioadă de patru ani, până în august 2026, și include participanți din Belgia, Republica Cehă, Finlanda, Franța, Italia, Țările de Jos și Spania.

Pelicule flexibile

La fel ca echipa din cadrul proiectului HyPELignum, echipa ECOTRON încearcă să înlocuiască plăcile de circuite tradiționale cu altele din materiale regenerabile.

„Putem fi mai sustenabili deoarece procesul necesită mai puțină energie decât producerea plăcilor de circuite standard,” a spus Rentrop.

Însă, în loc de lemn, el și colegii săi creează pelicule flexibile din materiale precum plasticurile de origine biologică și hârtia.

La sfârșitul duratei lor de viață, plăcile din bioplastic ar putea fi topite și reciclate și, poate, chiar compostate.

„Ar fi extraordinar să putem realiza produse electronice compostabile”, spune Rentrop. „Hârtia este, desigur, un material compostabil, dar cernelurile și componentele electronice nu sunt.”

Pentru a depăși acest impediment, proiectul dezvoltă interconectori reversibili care pot fi activați să elibereze circuitele electrice.

Colaborări cu companii

Cercetătorii ECOTRON lucrează la înlocuirea produselor existente cu produse electronice mai durabile.

Compania finlandeză Polar Electro, care fabrică dispozitive de monitorizare pentru fitness și antrenamente sportive, participă la un efort de a produce o centură de piept care măsoară frecvența cardiacă a unei persoane.

Proiectul a înlocuit o centură de piept Polar Electro existentă cu o bioversiune a cărei performanță este comparabilă, potrivit lui Rentrop.

În colaborare cu compania farmaceutică Johnson & Johnson, echipa dezvoltă autocolante inteligente care conțin înregistratoare de date privind temperatura pentru pachetele de vaccinuri. 

Profesioniștii din domeniul sănătății care administrează vaccinuri pot accesa aceste date privind temperatura folosind un dispozitiv portabil, de exemplu, un smartphone, pentru a verifica dacă fiecare doză a fost depozitată corespunzător.

În acest caz, cercetătorii lucrează cu hârtia, producând dispozitive care pot fi reciclate. 

„Creăm un dispozitiv electronic care este considerat hârtie”, spune Rentrop. „Asta înseamnă reciclare încă din stadiul de proiectare.”

Cercetările menționate în acest articol au fost finanțate prin programul Orizont al UE. Opiniile persoanelor intervievate nu reflectă neapărat opiniile Comisiei Europene. Acest articol a fost publicat inițial în Horizon, revista de cercetare și inovare a UE.