Ympäristövaikutuksia vastaan taistelu elektroniikkakomponenttiteollisuudessa

Elektroniikkateollisuus on vaikuttanut ympäristöömme ja vaikuttaa kehittyessään jatkossakin. Positiiviselta kannalta elektroniikan käytön lisääminen sähköntuotannossa, valaistuksessa, moottorin ohjauksessa, antureissa ja monissa muissa sovelluksissa on tarjonnut dramaattisia parannuksia energiatehokkuudessa sekä mahdollisuuksia monitoroida ja ohjata ympäristöämme. Negatiiviselta kannalta elektroniikkatuotteiden yleistyminen on johtanut merkittävään määrään e-jätettä kaatopaikoilla, kasvattanut energian kulutusta sekä haitallisten materiaalien pääsyä ympäristöömme. Mutta mitä voidaan tehdä taistelussa ongelmia vastaan ja jatkuvan eteenpäin menemisen mahdollistamiseksi tällä elektroniikkaevoluution polulla? Teollisuudessa tutkitaan useita uusia ideoita ja trendejä ratkaisun löytämiseksi.

Virrankulutuksen vähentäminen

Yksi uudempi trendi liittyen ympäristövaikutukseen ja kestävään kehitykseen on halu vähentää virrankulutusta. Ei ole epätavallista, että ihmisillä on viisi tai kuusi akku- ja paristokäyttöistä laitetta mukanaan koko ajan, esimerkiksi matkapuhelin, älykello, kannettava tietokone, tabletti, älykuulokkeet ja niin edelleen. Tällä alueella nähty yleinen trendi on pitkäkestoinen pyrkimys saada näiden laitteiden virrankulutus pienemmäksi. Pienempi virrankulutus mahdollistaa pienemmät akut ja pienemmät laitteet. Toinen vähävirtaisten laitteiden etu on pidempi aika latauskertojen tai paristonvaihdon välillä.

Erityinen nouseva trendi on se miten akut varataan. Akkukemiat vaativat erilaisia latausprofiileja akkukeston maksimoimiseksi ja erityisesti niiden turvallisuuden säilyttämiseksi, koska eräiden kemioiden tiedetään räjähtävän jos niitä ladataan väärin. Lataamisesta on tullut sofistikoitunut sovellus, joka vaatii akun lämpötilan, jännitteen ja sähkövirran seurantaa suljetussa silmukassa ja jossa latausta säädetään lataussyklin aikana. Oikeanlainen lataus myös lisää akun odotettavaa käyttöikää. Uusia kemioita kehitetään koko ajan, mutta tämän trendin latauksen sofistikoitumisesta odotetaan jatkuvan. Pidempi akun käyttöikä pidentää laitteen käyttöikää ja lopulta vähentää e-jätteen määrää kaatopaikoillamme.

On myös vihreämpi ja orgaanisempi energiantallennusteknologia, joka on suosittu, mutta ei yhtä yleinen kuin akut: superkondensaattorit. Ne eivät tarjoa samaa kapasiteettia eikä pitkäkestoista tallennuskykyä kuin perinteiset akut, mutta ne voidaan ladata paljon nopeammin ja ne kestävät paljon useampia uudelleenlataussyklejä kuin perinteiset uudelleenladattavat akut. Koska superkondensaattorien itsepurkautumisaika mitataan tavallisesti viikoissa, tämä on otettava huomioon mahdollisissa sovelluksissa. Monet toimittajat tarjoavat nykyään superkondensaattoreita ja kuvassa 1 näytetään esimerkkejä KEMET-yrityksen superkondensaattorien pakkausvaihtoehdoista. Jotkin akkujen sijaan kondensaattoreita käyttävät laitteet voidaan jopa ladata käyttäen tavallista ympäristön valaistusta. Tämä tekee laitteesta luonnollisen energian talteenottajan, joka käyttää valoa energialähteenä kondensaattorin säännölliseen lataamiseen ja käyttökelpoisen energiamäärän tuottamiseen. Liike, lämpötilaero ja valo ovat tällä hetkellä luultavasti käytetyimmät tavat energian talteenottoa varten.

Kuva 1: Erilaisia KEMET-superkondensaattoreiden kotelomalleja. (Kuvan lähde: KEMET)

Energian talteenotto

Energian talteenotto on prosessi, jossa energia saadaan sellaisista ulkoisista lähteistä kuten aurinkoenergia, lämpöenergia, tuulienergia ja niin edelleen. Energian talteenoton jälkeen se varastoidaan. Tyypilliset sovellukset ovat pieniä langattomia autonomisia laitteita kuten puettavissa laitteissa käytettävät ja langattomat anturiverkot. Kuva 2 näyttää eräitä Littelfusen IXOLAR™ -aurinkokennoja, joita käytetään tyypillisesti vähävirtaisissa elektroniikkalaitteissa.

Kuva 2: Littelfusen pienet IXOLAR™-aurinkokennot. (Kuvan lähde: Littelfuse)

Energian talteenottoa tapahtui jo tuulimyllyjen ja vesirattaiden aikaan, mutta uusien energian talteenottolaitteiden etsimiseen on kannustanut halu käyttää anturiverkkoja ja mobiililaitteita ilman paristoja. Suosittu ja kasvava käyttötapaus on etäantureiden käyttö kenttäolosuhteissa, joissa pariston vaihto on vaikeaa ja kallista. Energian talteenottoon on myös paljon mielenkiintoa ilmastonmuutoksen ja ilmaston lämpenemisen torjumiseksi.

DigiKey tarjoaa useita erityyppisiä energian talteenoton arviointi- ja esittelyalustoja samoin kuin erillisiä tehonhallintasiruja. Power Filmin sisäkäyttöön tarkoitettu aurinkoenergiasarja (näytetään kuvassa 3) esittelee kattavan ratkaisun ja sisältää yrityksen sisäkäyttöön tarkoitetut antennipaneelit samoin kuin energian talteenoton ja varastoinnin tehonhallinnan arviointialustan sekä uudelleenladattavan akun. Arviointialusta sisältää Nordicin nRF52832 BLE -moduulin sekä Texas Instrumentsin BQ25570- energian talteenotto/tehonhallintamikropiirin.

Kuva 3: Power Filmin sisäkäyttöön tarkoitettu aurinkoenergiasarja. (Kuvan lähde: Power Film)

Hävitettävät ohutkalvoiset akut

Toisen kestävän vaihtoehdon muodostavat joustavat ja tulostetut ohutkalvoiset akut, jotka tunnetaan myös kiinteinä ohutkalvoisina akkuina. Kiinteät ohutkalvoiset akut ovat nimensä mukaan kiinteitä, eikä niiden rakenteessa ole geelejä eikä nesteitä. Ne on suunnittelu ja valmistettu erittäin ohuista kerroksista tai kalvoista. Niiden ohuus tekee niistä niin joustavia ja houkuttelevia puettavia antureita varten. Monet näistä kiinteistä ohutkalvoisista akuista vastaavat markkinoiden kysyntään ohuuden ja joustavuuden osalta, mutta ne on silti usein yhä suunniteltu käyttäen litiumpohjaista kemiaa tai muita kemioita, joiden vuoksi ne saattavat olla ympäristölle myrkyllisiä.

Eräiden akkujen laaja käyttö ja myrkyllisyys tulee ongelmaksi kun ajatellaan miten valtavat määrät akkuja heitetään pois joka vuosi. Samalla kun sellaisten elektroniikkalaitteiden kuten kannettavien tietokoneiden ja älypuhelimien kysyntä on kasvanut, samoin on kasvanut niiden osuus vuosittaisista jätemääristä. Akut eivät tavallisesti hajoa biologisesti ja jos ne huolettomasti vain heitetään pois, ne saattavat vapauttaa myrkyllisiä metalleja ja kemikaaleja maaperään. Monilla maila on nykyään säännöksiä koskien akkujen hävittämistä ja ne tarjoavat kierrätysohjelmia. Nämä ohjelmat auttavat kierrättämään akkujen metalleja ja rajoittamaan akkujen hävittämisen negatiivisia ympäristövaikutuksia. Yhdysvaltojen ympäristönsuojeluvirasto ylläpitää verkkosivustoa, joka sisältää lukuisia aloitteita ja ohjelmia elektroniikan kestävään hallintaan.

Akkujen hävitystä koskevat säännökset sekä lisääntyvä tarve sähköistää ja liittää yhä enemmän laitteita Esineiden Internetiin motivoivat yrityksiä tutkimaan turvallisia ja kestäviä vaihtoehtoja vaarallisille akkukemioille. Molexin ohutkalvoisten akkujen tuotevalikoima on yksi tällainen ratkaisu (kuva 4). Toisin kuin niiden serkut, litiumakut, nämä akut on suunniteltu käyttäen sinkki-mangaanidioksidi-kemiaa ja ne ovat turvallisempia ja loppukäyttäjän on helpompaa hävittää ne.

Kuva 4: Molexin ohutkalvoinen akku. (Kuvan lähde: Molex)

Tosielämän käyttötapauksissa korostuvat käyttökohteet, joissa matala profiili, joustavuus, hävitettävyys ja pieni koko ovat tärkeitä ja joissa ohutkalvoisten akkujen markkinoiden voidaan odottaa jatkavan kasvuaan. Eräs erityisen mielenkiintoinen käyttötapaus on ohutkalvoisten akkujen käyttö älykkäissä UHF-lämpötilatunnisteissa (Ultra-High Frequency). Tunnisteet ovat suurin piirtein luottokortin kokoisia ja hieman paksumpia kuin tavallinen tulostuspaperi. Niitä käytetään kylmäketjulogiikan hallinnassa lämpötilaherkille tuotteille, kuten farmaseuttiset tuotteet, pilaantuvat elintarvikkeet ja kukat. Nämä älykkäät lämpötilatunnisteet käyttävät useita erilaisia teknologioita kuten RFID (Radio-Frequency IDentification), älykäs lämpötilan mittaus ja tulostetut paperinohuet akut. Ne seuraavat tarkkaan aikaa ja lämpötilaa tuotteen kuljetuksen ja varastoinnin aikana.

Lisäksi kuluttaja-, kosmetiikka- ja lääketieteelliset markkinat kokeilevat ohutkalvoisia akkuja käyttäviä sovelluksia. Sähköinen silmämaskisovellus on kuluttaja- ja kosmetiikkamarkkinoiden risteyskohdassa. Maski käyttää mikrovirtalaitetta, joka muodostuu joustavasta tulostetusta akusta, elektrodeista, tarrateipistä ja peitelevystä. Kun pala asetetaan iholle, se luo välittömästi virtasilmukan ja kosmetiikka virtaa maskin aktiivista elektrodeista iholle. Muita ohutkalvoisten akkujen kuluttajasovelluksia ovat puettava elektroniikka ja liikunnan monitorointilaitteet, mukaan lukien BLE-anturipaikka (Bluetooth Low-Energy ), joka kiinnitetään golfmailan pään sivuun, ja joka mittaa kiihtyvyyttä ja kulmanopeutta. Hävitettävien ohutkalvoisten akkujen lääketieteelliset sovellukset sisältävät potilasdiagnostiikka-, terapeuttiset ja monitorointilaitteet.

Viimeisten vuosikymmenien aikana on tehty suuria edistysaskelia uusien ja erityyppisten energialähteiden ja akkujen kehityksessä. Tavoitteena on ollut tyydyttää aina vain enemmän sähköä vaativa maailma ja lukuisat jokapäiväisessä käytössä olevat laitteet ja sovellukset. Yritykset ovat hiljattain alkaneet kehittää kondensaattoreita ja akkuja, jotka on valmistettu materiaaleista, joita esiintyy runsaasti ja jotka ovat kestäviä ja turvallisia sekä ympäristölle että ihmisille. Energian talteenotto luonnollisista energialähteistä on toinen kestävä käytäntö jota useat yritykset tutkivat. Sellaiset markkina-alueet kuten teollisuus, Esineiden Internet, kuluttajat ja lääketiede ovat jo alkaneet menestyksellä kokeilemaan ja valmistamaan ohutkalvoisia akkuja, superkondensaattoreita ja energian talteenottoa hyödyntäviä tuotteita. Näiden menetelmien kapasiteetin ja valmistettavuuden parantaminen vaatii lisää kehitystyötä, mutta yksi avoin kysymys painaa kehittäjiä jatkuvasti: missä näitä menetelmiä ja käytäntöjä voidaan käyttää seuraavaksi?