Tre fantastici suggerimenti di progettazione elettronica per migliorare l'ambiente

Il mondo non può fare a meno dell'elettronica. Secondo Statista, nel 2023 si è registrato un totale di 6,7 miliardi di abbonamenti per smartphone in tutto il mondo. Da uno studio analogo condotto nel 2023, è emerso che in America gli smartphone personali e aziendali vengono sostituiti rispettivamente ogni 2,67 e 2,54 anni. Per quanto ciò ammonti a una grande quantità di rifiuti elettronici, non rappresenta che una piccola frazione del totale. Statista stima che per il 2022 il totale globale dei rifiuti elettronici si sia aggirato intorno ai 62 milioni di tonnellate.

Purtroppo l'umanità è ancora alla ricerca di un modo per smaltire i rifiuti elettronici che sia sostenibile dal punto di vista sia ambientale che economico. Questo desta preoccupazioni, perché il trattamento e lo smaltimento impropri di questi rifiuti può causare il rilascio nell'ambiente di varie sostanze tossiche tra cui piombo, mercurio e arsenico. Anche la stessa produzione dei componenti elettronici può avere conseguenze altrettanto nocive sull'ambiente.

Tutti questi fattori hanno determinato una domanda di prodotti elettronici ecologici e sostenibili. E anche se le opzioni attualmente disponibili sono limitate, ecco un elenco di aspetti che i progettisti di componenti elettronici dovrebbero tenere in considerazione per fare scelte più ecologiche.

Tre concetti ambientali per la progettazione di componenti elettronici

Ci sono tre concetti fondamentali che i progettisti di componenti elettronici possono prendere in considerazione per migliorare i propri progetti dal punto di vista della sostenibilità ambientale. Parliamo di:

1. Progettazione sostenibile
2. Produzione ecologica
3. Economia circolare

Dall'analisi condotta da McKinsey & Company è emerso che, "pur rappresentando non più del 5% del costo totale di un prodotto, le attività di ricerca e sviluppo sono responsabili fino all'80% del consumo di risorse di un prodotto".

Ciò significa che la progettazione sostenibile potrebbe essere il fattore più importante da considerare durante lo sviluppo di nuovi componenti elettronici. Il processo implica l'inserimento di alcune considerazioni ambientali nella progettazione dell'intero ciclo di vita di un prodotto, dalla raccolta di materiali grezzi all'inevitabile smaltimento del prodotto. Questo processo è diventato più semplice da implementare grazie al fatto che molti strumenti CAD, PLM e di progettazione dispongono ora di funzioni integrate per l'analisi del ciclo di vita (o LCA) ambientale.

In secondo luogo, non è un segreto che i processi di produzione di componenti elettronici abbiano un impatto ambientale significativo. Sebbene sia tuttora in corso la ricerca di processi più sostenibili, gli ingegneri possono ancora fare la differenza in questo campo. Implementando metodologie di produzione intelligente, possono migliorare l'efficienza energetica dello stabilimento produttivo e ridurre i flussi di rifiuti. Inoltre, scegliendo fonti di energia rinnovabili per alimentare la produzione, gli ingegneri possono compiere il primo passo verso la transizione a processi più ecologici.

Possono infine progettare i prodotti avendo in mente fin dall'inizio i principi dell'economia circolare. Ciò significa che un prodotto, i suoi componenti e persino i materiali grezzi che lo compongono possono essere agevolmente riutilizzati, riparati o riciclati. Questo principio va oltre il diritto alla riparazione e alla rivendita dei prodotti elettronici. Le grandi aziende devono mettere in atto flussi di riciclaggio in grado di rigenerare o ricondizionare i vecchi prodotti per crearne di nuovi.

L'elettronica ecocompatibile disponibile ora e in futuro

Tutto questo fa sorgere una domanda: di quali componenti e materiali ecocompatibili possono servirsi gli ingegneri? Purtroppo le opzioni sono al momento limitate per il settore dell'elettronica.

Molti ricercatori stanno valutando la possibilità di produrre componenti elettronici da materiali riciclati e disponibili in abbondanza. Altri ancora stanno vagliando la strada dei materiali organici sintetici. Ecco alcuni esempi:

• Materiali basati su seta o carta per componenti elettronici e fotonici ecologici
• Idrogel ionoconduttori per la bioelettronica
• Compositi polimerici conduttivi, che sono biocompatibili e biodegradabili
• Biopigmenti e punti quantici in carbonio grafitico per l'immagazzinaggio elettrochimico dell'energia
• Solventi ecologici per filtri e indicatori UV organici con rivestimento SD (Slot Die)
• Substrati LED organici basati su cellulosa batterica e polistirene riciclato

Alcune delle ricerche più promettenti, però, sono nell'ambito dei transistor ad effetto campo organici (OFET). Gli OFET potrebbero andare a sostituire i tradizionali componenti elettronici quali substrati, semiconduttori e dielettrici. Si tratterebbe di componenti biodegradabili e realizzati a partire da materiali disponibili in abbondanza. Sono stati realizzati alcuni prodotti di prova quali display pieghevoli, tesserini di identificazione, sensori e persino pelle artificiale. Le attività di ricerca e sviluppo degli OFET è però ancora agli inizi.

Quindi su quali componenti ecologici possono attualmente contare gli ingegneri? Un esempio sono i connettori di giunzione serie 221 Green Range di WAGO. Questi connettori sono in parte realizzati con materiale biocircolare e plastica riciclata.

I connettori di giunzione serie 221 Green Range di WAGO sono in parte realizzati con materiale biocircolare e plastica riciclata. (Immagine per gentile concessione di WAGO)

Allegro Microsystems offre inoltre una linea di soluzioni di alimentazione e rilevamento che semplifica i progetti e ottimizza i trasferimenti di energia. Questi prodotti sono inoltre progettati per applicazioni ecologiche quali inverter solari, pompe di calore e caricatori per veicoli elettrici (EV).

Per quanto riguarda altri componenti ottimizzati per applicazioni ecologiche, gli ingegneri possono contare su ITT Cannon, che offre una serie di interconnessioni di carica EV personalizzabili. Klein Tools offre inoltre un pannello solare pieghevole da 60 W in grado di caricare rapidamente power bank, stazioni di ricarica e batterie portatili.

Infine, IEEE Spectrum ha segnalato che è in corso una "lotta per il predominio nel campo della tecnologia ecocompatibile tra il nitruro di gallio (GaN) e il carburo di silicio (SiC)". Nella pubblicazione si legge inoltre che "indipendentemente dal composto che risulterà vincitore, si otterrà una riduzione dei gas serra dell'ordine dei miliardi di tonnellate", perché entrambi GaN e SiC hanno prestazioni più efficienti dei tradizionali componenti al silicio. L'introduzione di questi composti ha già portato a un taglio del consumo di elettricità nel settore dell'illuminazione del 30-40%. Come conseguenza, questi materiali stanno ora iniziando a essere impiegati anche in altre applicazioni elettroniche.

Per maggiori informazioni su GaN e SiC e sui vantaggi ambientali che questi materiali presentano rispetto ai tradizionali transistor al silicio, è disponibile il webinar Quale tecnologia di ampio bandgap è più adatta per la tua applicazione ad alta efficienza?