המאבק על ההשלכות הסביבתיות של תעשיית רכיבי האלקטרוניקה

תעשיית האלקטרוניקה השפיעה על הסביבה שלנו ותמשיך להשפיע ככל שהיא תמשיך להתפתח. בצד החיובי, השימוש הגובר באלקטרוניקה בייצור חשמל, תאורה, בקרת מנועים, חיישנים ויישומים רבים אחרים הביא לשיפורים דרמטיים בנצילות האנרגיה וביכולת לנטר ולבקר את הסביבה שלנו. בצד השלילי, ריבוי מוצרים אלקטרוניים הביא לפסולת אלקטרונית משמעותית במזבלות שלנו, להגברת צריכת האנרגיה ולשחרור חומרים מסוכנים לסביבה שלנו. אך מה ניתן לעשות כדי להילחם בבעייה ולאפשר את המשך הקידמה במסלול התפתחות האלקטרוניקה הזה? כמה מגמות ורעיונות חדשים נבדקים בתעשייה כדי למצוא פיתרון.

צריכת הספק נמוכה

מגמה חדשה יותר המתייחסת להשפעה הסביבתית ולתחום הקיימות היא השאיפה לצריכת הספק נמוכה יותר. אין זה נדיר שלאנשים יש חמישה או שישה התקנים מוזני-סוללות עליהם בכל זמן נתון - חשבו על טלפון נייד, שעון חכם, מחשב נייד, טאבלט, אוזניות חכמות ועוד. המגמה הכללית המסתמנת בתחום זה היא המאמץ המתמשך להורדת דרישות ההספק עבור התקנים אלו. צריכת הספק נמוכה יותר מאפשרת סוללות קטנות יותר והתקנים קטנים יותר. יתרון נוסף של הספק נמוך יותר עבור משתמשי ההתקנים הוא זמן ממושך יותר בין טעינה לטעינה או להחלפת סוללה.

מגמה ספציפית מתעוררת היא אופן טעינת הסוללות. סוגי הכימיה של סוללות דורשים פרופילי טעינה ייחודיים בכדי למקסם את חיי הסוללה ובעיקר כדי שהסוללות תהיינה בטוחות לשימוש, מאחר ומספר סוגי כימיה עלולים להתפוצץ אם הם נטענים בצורה לא נכונה. הטעינה הפכה ליישום מתוחכם הדורש ניטור של טמפרטורת, מתח וזרם הסוללה עם כיוונון משתנה בחוג-סגור במהלך מחזור הטעינה. טעינה נכונה גם מאריכה את תוחלת חיי הסוללה. מאחר וסוגי כימיה חדשים יותר הם בפיתוח, מגמה זו של תחכום הטעינה צפוייה להימשך. חיי סוללה ארוכים יותר תורמים לשימוש ארוך יותר בהתקן ובסופו של דבר לפחות פסולת אלקטרונית במזבלות שלנו.

ישנה טכנולוגיית אחסון אנרגיה ירוקה ואורגנית שהיא פופולרית, אך לא רווחת כמו סוללות: סופר-קבלים. אין להם את הקיבולת או את יכולת האחסון לטווח-ארוך של סוללות מסורתיות, אך ניתן לטעון אותם הרבה יותר מהר והם עומדים בהרבה יותר מחזורי טעינה לעומת סוללות נטענות מסורתיות. מכיוון שלסופר-קבלים יש זמן פריקה-עצמית הנמדד בדרך כלל בשבועות, היישומים הפוטנציאליים צריכים להביא זאת בחשבון. מספר ספקים מציעים כעת סופר-קבלים ואיור 1 מציג דוגמאות של אפשרויות מארז סופר-קבלים מבית KEMET. מספר התקנים המשתמשים בקבלים ולא בסוללות ניתן אפילו לטעון באמצעות תאורת סביבה רגילה. זה הופך את ההתקנים לקוצרי אנרגיה טבעית המשתמשים באור כמקור אנרגיה כדי לטעון קבל באופן קבוע כדי לספק כמויות שימושיות של אנרגיה. תנועה, הפרשי חום ואור הם ככל הנראה הצורות הפופולריות ביותר של קצירת אנרגיה כיום.

איור 1‏: סגנונות מארזים שונים של סופר-קבלים מבית KEMET. (מקור התמונה: KEMET)

קצירת אנרגיה

קצירת אנרגיה היא התהליך שבו אנרגיה מופקת ממקורות חיצוניים כמו אנרגיה סולארית, אנרגיה תרמית, אנרגיית רוח ואחרות, ואז היא נאספת ומאוחסנת. יישומים טיפוסיים הם התקנים אוטונומיים קטנים ואלחוטיים כמו אלו המשמשים בהתקנים לבישים וברשתות חיישנים אלחוטיות. איור 2 מדגים כמה תאים סולאריים טיפוסיים ™IXOLAR‏ מבית Littelfuse המשמשים בדרך כלל להזנת התקנים אלקטרוניים קטנים בהספק נמוך.

איור 2‏: תאים סולאריים קטנים ™IXOLAR‏ מבית Littelfuse. (מקור התמונה: Littelfuse)

את ראשיתה של קצירת האנרגיה ניתן אמנם לייחס לטחנת הרוח ולגלגל המים, אך הכוח המניע מאחורי החיפוש אחר התקני קצירת אנרגיה חדשים הוא הרצון להפעיל רשתות חיישנים והתקנים ניידים ללא סוללות. מקרה שימוש פופולרי ומתרחב הוא הפעלת חיישנים מרוחקים הפרושים בשטח שקשה ויקר לשרת אותם לצורך החלפת סוללות. קיים גם עניין רב בקצירת אנרגיה בכדי לטפל בנושאי שינויי האקלים וההתחממות הגלובלית.

DigiKey מציעה סוגים רבים של לוחות הערכה והדגמה של קצירת אנרגיה וכן שבבים לניהול הספקת-כוח שונים. הערכה הסולארית לשימושי פנים מבית Power Film‏ (מתוארת באיור 3) מדגימה פיתרון שלם וכוללת את הפאנלים הסולאריים לשימושי פנים כמו גם לוח הערכה לקצירת אנרגיה ואחסונה ולניהול הספקת-כוח של החברה וכן סוללה נטענת. לוח ההערכה משלב את מודול nRF52832 BLE‏ מבית Nordic ואת המעגל-המשולב (IC‏) לקצירת אנרגיה/ניהול הספקת-כוח BQ25570‏ מבית Texas Instruments.

איור 3‏: ערכה סולארית לשימושי פנים מבית Power Film‏. (מקור התמונה: Power Film)

סוללות פילם-דק חד-פעמיות

אפשרות בת-קיימא נוספת היא סוללות פילם-דק מודפסות וגמישות, הנקראת סוללות פילם-דק מצב-מוצק. סוללות מצב-מוצק הן כאלו בדיוק - מצב-מוצק - ללא ג'לים או נוזלים בתוך המבנה שלהם. הן מתוכננות ומיוצרות עם שכבות דקות או פילמים דקים של חומרים, והתכן הדק שלהם הוא חלק ממה שעושה אותן כל כך גמישות ואטרקטיביות עבור שוק מוצרי חישה לבישים. רבות מסוללות פילם-דק מצב-מוצק אלו עונות על צורכי השוק עבור צרות וגמישות, אך לרוב הן עדיין מתוכננות עם סוגי כימיה מבוססי ליתיום או סוגי כימיה אחרים ההופכים אותן לרעילות פוטנציאלית לסביבה.

השימוש הנרחב והרעילות של סוללות מסוימות הופכות לבעייתיות כשבוחנים את הכמות העצומה של סוללות שנזרקות מדי שנה לאחר השימוש. ככל שהביקוש להתקנים אלקטרוניים כמו מחשבים ניידים וסמארטפונים גדל, כך גם תרומתם לכמות הפסולת שנוצרת בכל שנה. הסוללות אינן בדרך כלל מתפרקות-ביולוגית וכאשר הן נזרקות ברשלנות קיים סיכון של שחרור מתכות וכימיקלים רעילים לקרקע. במדינות רבות יש כיום תקנות בנושא סילוק סוללות והן מציעות תוכניות מיחזור. תוכניות אלו עוזרות למחזר את המתכת מסוללות ויכולות לסייע בבלימת ההשפעות השליליות של סילוק הסוללות על הסביבה. הסוכנות להגנת הסביבה של ארצות הברית מנהלת אתר אינטרנט עם מספר יוזמות ותוכניות עבור ניהול בר-קיימא של אלקטרוניקה.

תקנות סילוק סוללות, ביחד עם הצורך הגובר בהספקת-כוח וחיבור התקנים נוספים לאינטרנט של דברים, מניעות חברות לחקור אלטרנטיבות בטוחות ובנות-קיימא לכימיה של סוללות מסוכנות. קו סוללות פילם-דק מבית Molex הוא פיתרון כזה (איור 4). בשונה מבנות-הדוד שלהן של סוללות ליתיום, סוללות אלו מתוכננות עם כימיה של אבץ מנגן דו-חמצני והן בטוחות ונוחות יותר לסילוק עבור המשתמש הסופי.

איור 4: סוללת פילם-דק מבית Molex. (מקור התמונה: Molex)

מקרי שימוש אמיתיים מסייעים להדגיש יישומים שבהם תכונות כמו פרופיל נמוך, גמישות, חד-פעמיות וחתימת-שטח קטנה הן מוערכות ביותר ולכן ניתן לצפות ששוק סוללות פילם-דק ימשיך לצמוח. מקרה שימוש מעניין במיוחד הוא השימוש בסוללות פילם-דק בתגי טמפרטורה חכמים בתדר-אולטרה-גבוה (UHF). התגים הם בגודל של כרטיס אשראי והם עבים מעט יותר מנייר מדפסת סטנדרטי. הם משמשים את מנהלי הלוגיסטיקה של שרשרות הספקה בקירור עבור מוצרים רגישים לטמפרטורה, כגון מוצרי תרופות, מזון מתכלה ופרחים. תגי טמפרטורה חכמים אלו משתמשים בשילוב של טכנולוגיות הכוללות זיהוי תדרי רדיו (RFID), חישת טמפרטורה חכמה וסוללות פילם-דק מודפסות כדי לעקוב במדויק אחר הזמן והטמפרטורה במהלך ההובלה והאחסון של המוצר.

בנוסף, שוקי הצרכנים, מוצרי הקוסמטיקה והרפואה מתנסים ביישומים של סוללות פילם-דק. בצומת הדרכים של שוקי הצרכנים והקוסמטיקה נמצא היישום של מסכת-עיניים מוזנת-חשמל. במסכה יש התקן מיקרו-זרם המורכב מסוללה מודפסת גמישה, אלקטרודות, סרט דביק ויריעה מכסה. הנחת הרטייה על העור יוצרת מידית חוג זרם, והקוסמטיקה זורמת מהאלקטרודות האקטיביות במסכה אל העור. יישומים אחרים לשוק הצרכנים של סוללות פילם-דק הם התקני ניטור אלקטרוניקה וספורט לבישים, כולל פד חיישן Bluetooth בהספק-נמוך (BLE‏) המוצמד לצידו של ראש מחבט הגולף למדידת התאוצה והמהירות הזוויתית. יישומים רפואיים לסוללות פילם-דק חד-פעמיות כוללים התקני דיאגנוסטיקה, טיפול וניטור מטופלים.

בעשורים האחרונים נעשו צעדים חשובים בפיתוח סוגים חדשים ושונים של מקורות אנרגיה וסוללות כדי לספק לעולם הרעב יותר ויותר להספקת-כוח ליישומים הרבים שבשימוש יום-יומי. לאחרונה החלו חברות לפתח קבלים וסוללות המיוצרות מחומרים הקיימים בשפע, ברי-קיימא ובטוחים גם לסביבה וגם לאנשים. קצירת אנרגיה של אנרגיות טבעיות היא פרקטיקה בת-קיימא נוספת שחברות רבות בוחנות. שווקים כמו תעשייה, אינטרנט של דברים, צרכנים ורפואה כבר ניסו ויצרו בהצלחה מוצרים מוזני-סוללות פילם-דק, סופר-קבלים והתקני קצירת אנרגיה. יש צורך בפיתוחים נוספים כדי להגדיל את הקיבולת ואת יכולות הייצור של שיטות אלה, אך שאלה דוחקת אחת ממשיכה לדחוף את היזמים: היכן עוד ניתן להשתמש בשיטות ופרקטיקות אלו?