Drei fantastische Tipps für das umweltschonende Elektronikdesign

Die Welt ist süchtig nach Elektronik. Laut Statista werden im Jahr 2023 weltweit insgesamt 6,7 Milliarden Smartphone-Abonnements bestehen. In einer ähnlichen Studie aus dem Jahr 2023 stellte die Verkaufsstelle fest, dass die Amerikaner alle 2,67 bzw. 2,54 Jahre ein neues Privat- bzw. Unternehmenssmartphone kaufen. Das ist eine Menge Elektroschrott, aber nur ein Bruchteil der Gesamtmenge. Für diesen Wert schätzt Statista, dass im Jahr 2022 weltweit 62 Millionen Tonnen erreicht werden.

Leider haben die Menschen noch keinen umweltfreundlichen und wirtschaftlichen Weg gefunden, um Elektroschrott zu verarbeiten. Dies ist besorgniserregend, da durch unsachgemäße Verarbeitung und Entsorgung eine Reihe giftiger Stoffe in die Umwelt gelangen können, darunter Blei, Quecksilber, Arsen und andere. Es sollte auch beachtet werden, dass die Herstellung von Elektronik ebenso schädlich sein kann.

All diese Faktoren haben eine Nachfrage nach umweltfreundlichen und nachhaltigen Elektronikprodukten geschaffen. Und obwohl die derzeit verfügbaren Optionen begrenzt sind, gibt es einige Dinge, die Elektronikentwickler beachten sollten, um eine umweltfreundlichere Wahl zu treffen.

Drei Umweltkonzepte für die Gestaltung von Elektronik

Es gibt eine Reihe von Konzepten, die Elektronikingenieure nutzen können, um ihre Entwürfe unter dem Gesichtspunkt des Umweltschutzes zu verbessern. Diese sind:

1. Nachhaltiges Design
2. Grüne Produktion
3. Kreislaufwirtschaft

Laut McKinsey & Company „zeigt eine Analyse, dass Forschung und Entwicklung zwar 5 Prozent oder weniger der Gesamtkosten eines Produkts ausmachen, aber bis zu 80 Prozent des Ressourcenverbrauchs dieses Produkts beeinflussen“.

Folglich könnte nachhaltiges Design der wichtigste Faktor bei der Entwicklung neuer Elektronik sein. Bei diesem Prozess werden Umweltaspekte in die Gestaltung des gesamten Lebenszyklus eines Produkts einbezogen - von der Gewinnung der Rohstoffe bis zur unvermeidlichen Entsorgung des Produkts. Die Umsetzung ist einfacher geworden, da viele CAD-, PLM- und Konstruktionswerkzeuge ökologische Lebenszyklusanalysen (LCA) in ihre Kerntechnologie integriert haben.

Zweitens ist es kein Geheimnis, dass die Herstellungsprozesse für elektronische Geräte erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt haben. Auch wenn an nachhaltigeren Verfahren geforscht wird, können Ingenieure hier noch etwas bewirken. Durch die Einführung intelligenter Fertigungsmethoden können sie die Energieeffizienz einer Fabrik verbessern und ihre Abfallströme reduzieren. Außerdem können Ingenieure durch die Wahl erneuerbarer Energiequellen für die Produktion den ersten Schritt tun, um diese Prozesse umweltfreundlicher zu gestalten.

Und schließlich müssen die Ingenieure damit beginnen, Produkte unter Berücksichtigung der Kreislaufwirtschaft zu entwickeln. Das bedeutet, dass ein Produkt, seine Teile und sogar seine Rohstoffe leicht wiederverwendet, repariert oder recycelt werden können. Dies geht über das Recht zur Reparatur und zum Weiterverkauf elektronischer Waren hinaus. Die Unternehmen müssen Recyclingverfahren entwickeln, mit denen alte Produkte problemlos aufgearbeitet oder zu neuen Produkten umfunktioniert werden können.

Die Umweltelektronik von heute und in Zukunft

Das wirft die Frage auf, welche umweltfreundlichen Teile und Materialien den Ingenieuren zur Verfügung stehen. Leider sind die Möglichkeiten für die Elektronikindustrie derzeit begrenzt.

Viele Forscher prüfen die Möglichkeit, elektronische Bauteile aus recycelten und reichlich vorhandenen Materialien herzustellen. Andere hingegen setzen eher auf synthetische organische Materialien. Beispiele sind:

• Materialien auf Seiden- oder Papierbasis für grüne Elektronik und Photonik
• Ionenleitende Hydrogele für die Bioelektronik
• Leitfähige Polymerverbundstoffe, die biokompatibel und biologisch abbaubar sind
• Biopigmente und Graphitkohlenstoff-Quantenpunkte für die elektrochemische Energiespeicherung
• Grüne Lösungsmittel für organische UV-Indikatoren und -Filter mit Schlitzdüsenbeschichtung
• Organische LED-Substrate auf Basis von bakterieller Zellulose und recyceltem Polystyrol

Einige der vielversprechendsten Forschungsarbeiten betreffen jedoch die organischen Feldeffekttransistoren (OFETs). Ziel ist es, dass OFETs herkömmliche elektronische Komponenten wie Substrate, Halbleiter und Dielektrika ersetzen. Sie wären biologisch abbaubar und würden aus reichlich vorhandenen Materialien hergestellt. Zu den Konzeptprodukten, die bereits hergestellt wurden, gehören faltbare Displays, ID-Karten, Sensoren und sogar künstliche Häute. Die Entwicklung und Erforschung von OFETs befindet sich jedoch noch im Anfangsstadium.

Welche umweltfreudlichen Teile stehen den Ingenieuren derzeit zur Verfügung? Ein Beispiel sind die Spleißverbinder der Serie Green Range 221 von WAGO. Die Verbindungsstücke bestehen zum Teil aus Biokreislaufmaterial und recyceltem Kunststoff.

Die Spleißverbinder der Serie Green Range 221 von WAGO bestehen teilweise aus Biokreislaufmaterial und recycelten Kunststoffen. (Bildquelle: WAGO)

Darüber hinaus bietet Allegro Microsystems eine Reihe von Stromversorgungs- und Sensorlösungen an, die das Design und die Energieübertragung optimieren. Diese Produkte sind auch für umweltfreundliche Anwendungen wie Solarwechselrichter, Wärmepumpen und Ladegeräte für Elektrofahrzeuge (EV) konzipiert.

Was andere Teile betrifft, die für umweltfreundliche Anwendungen optimiert sind, so können Ingenieure bei ITT Cannon eine Reihe von anpassbaren EV-Ladesteckverbindern finden. Darüber hinaus bietet Klein Tools ein faltbares 60W-Solarpanel an, mit dem Power Banks, Power Stations und tragbare Batterien schnell aufgeladen werden können.

Schließlich berichtet IEEE Spectrum, dass „Galliumnitrid (GAN) und Siliziumkarbid (SiC) um die Vorherrschaft im Bereich der grünen Technologie kämpfen“. Das Blatt fügte hinzu, dass „unabhängig davon, wer gewinnt, die Treibhausgase um Milliarden von Tonnen reduziert werden“. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass GaN und SiC effizienter arbeiten als herkömmliche Siliziumkomponenten. Dies hat bereits dazu geführt, dass das Material den Stromverbrauch der Beleuchtungsindustrie um 30 bis 40 Prozent gesenkt hat. Infolgedessen werden diese Materialien nun auch in anderen elektronischen Anwendungen eingesetzt.

Weitere Informationen über GaN und SiC und die Umweltvorteile, die sie gegenüber herkömmlichen Siliziumtransistoren bieten, finden Sie in diesem Webinar: Welche Technologie mit breiter Bandlücke eignet sich am besten für hocheffiziente Anwendungen?