Elettronica sostenibile

di Agostino Giorgio, Andrea Cupertino, Marcello Castellano.

Il presente articolo si prefigge di analizzare l’impatto ambientale dell’elettronica, con particolare attenzione alla fase di smaltimento dei dispositivi elettronici, e di indicare due approcci progettuali finalizzati ad una ottimizzazione dei tempi e dei modi di smaltimento dei dispositivi, per una riduzione dell’impatto ambientale. Infatti, da quando l’elettronica di consumo è entrata massivamente nella vita di milioni di persone si è assistito ad un graduale incremento della quantità di dispositivi prodotti e dei rifiuti derivati, molto spesso non trattati adeguatamente e destinati alla discarica. A questo si aggiunge il rapido incremento delle prestazioni dei sistemi elettronici di ampio consumo che conduce ad una massiva dismissione degli stessi a causa di una rapida obsolescenza. Per ridurre l’impatto ambientale in fase di smaltimento, risulta di importanza cruciale l’impiego di dispositivi completamente biodegradabili, che richiedono tecnologie (processi e materiali) innovative. Per prolungare, poi, il tempo di vita e di utilizzo di dispositivi obsoleti si è analizzata la possibilità di creare con essi griglie computazionali, al fine di rendere fruibile ciò che sarebbe altrimenti un rifiuto.

1. Introduzione

Il costante sviluppo della tecnologia offre continuamente nuove opportunità per l’economia, per l’ambiente e per le società di tutto il mondo. Questa evoluzione ha tuttavia determinato un aumento di volume delle apparecchiature elettroniche di ampio consumo in uso ed obsolete, e comporta continue sfide in relazione al fragile equilibrio dell’ecosistema sulla Terra. E’ quindi necessario attuare delle scelte responsabili per proteggere l’ambiente, così come la salute degli esseri umani, attraverso l’integrazione della sostenibilità in ogni fase del ciclo di vita dei dispositivi elettronici. Cercare di perseguire un modello di sviluppo sostenibile, significa attuare l’insieme di pratiche e scelte che “consentano alle generazioni presenti di soddisfare i loro bisogni senza compromettere il diritto delle generazioni future di soddisfare i loro”, definizione ormai di senso ed accezione comune, apparsa per la prima volta nel Rapporto Brundtland (da meglio citarsi con il titolo Our Common Future)[1] commissariato dalle Nazioni Unite nel 1987.  Quindici anni prima di tale documento, un altro rapporto, il MIT Report[2] commissariato dal Club di Roma, ha avuto il pregio di creare una consapevolezza diffusa sulla gravità della crisi ambientale sulla Terra e portare conseguentemente la relazione tra ambiente e sviluppo all’interno del dibattito globale. Entrambi gli studi si interrogano sul futuro del pianeta in previsione di una crisi ambientale, il primo ipotizzando una trasformazione qualitativa insostenibile dei processi del pianeta Terra, il secondo una trasformazione quantitativa insostenibile delle risorse (esaurimento delle risorse), segnando profondamente la nascita della teoria dello sviluppo sostenibile, che troverà piena realizzazione nella conferenza su Ambiente e Sviluppo del 1992 delle Nazioni Unite (Earth Summit di Rio de Janeiro) tramite la creazione dell’Agenda 21. Lo sviluppo sostenibile appare anche tra gli otto obiettivi della Dichiarazione del Millennio[3], firmata da tutti gli Stati membri dell’ONU.

L’applicazione delle sostenibilità nell’ambito dell’elettronica richiede un approccio olistico che consideri tutti gli aspetti dell’intero ciclo di vita di un prodotto e dei processi tecnologici connessi. Operazione oggi possibile grazie a metodi quali il Life Cycle Assessment (LCA) che permette di valutare l’interazione di un prodotto con l’ambiente in tutte le sue fasi: pre-produzione, produzione, uso (comprendente riuso e manutenzione), riciclaggio e dismissione finale, e le conseguenze di natura economica, sociale ed ambientale. Per semplicità di analisi, nel seguito queste verranno ricondotte alle sole tre fasi di creazione, utilizzo e smaltimento del dispositivo elettronico, ciascuna delle quali ha significative ricadute sull’ambiente.

In relazione alla fase di creazione e progettazione, gli impatti ambientali più significativi sono l’inquinamento del suolo, del mare e dell’aria e il consumo di risorse naturali, da cui segue che per integrare la sostenibilità è necessaria un’attenta scelta delle materie prime ed un utilizzo responsabile delle risorse e delle tecnologie per il loro sfruttamento. In relazione alla fase di utilizzo le conseguenze più significative si hanno sul deterioramento dello strato di ozono e sull’aumento dell’effetto serra, fenomeni che è possibile mitigare operando una riduzione delle sostanze tossiche, in particolare i cloroflurocarboni (CFCs), sottoposti a pesanti limitazioni con il Protocollo di Montreal. All’interno dell’Unione Europea la riduzione di sostanze dannose negli apparecchi elettronici è altresì regolamentata dalla Direttiva RoSH 2 (Restriction of Use of Certain Hazardous Substances) (2011/65/UE).  E’ inoltre necessario operare una riduzione dei consumi energetici, tramite l’utilizzo di risorse rinnovabili e tecnologie con alti livelli di efficienza energetica; processo ancora in atto, fortemente incentivato dalla nascita di due standard internazionali, lo statunitense Energy Star e lo svedese TCO Certification, ampiamente diffusi su tutta la gamma di apparecchiature elettroniche odierne. La fase di “fine vita” del prodotto oggi rappresenta quella più delicata, con conseguenze spesso irreversibili e molto gravi sull’inquinamento del suolo, dell’acqua e dell’aria; le norme più importanti in materia sono la Direttiva RAEE (Rifiuti da apparecchiature elettriche ed elettroniche) (2012/19/UE) per quanto riguarda l’Unione Europea e il trattato di Basilea che regolamenta il traffico transfrontaliero di sostanza dannose[4].

La necessità di eliminare gli effetti ambientali appena analizzati ha delle ripercussioni significative sui metodi di progettazione dei nuovi dispositivi, tanto da dar vita al recente paradigma del Design for Environment (DfE) [5], che potremmo rendere in italiano come Progettazione Sostenibile. Questo raggruppa l’insieme di tecniche e scelte per la creazione di un nuovo prodotto che tengano in considerazione l’impatto ambientale come requisito imprescindibile. Il primo obiettivo che tale metodologia di progettazione si prefigge di raggiungere è la riduzione delle risorse e dei materiali utilizzati (Design for Reduction), il secondo è quello del riutilizzo del prodotto (Desing for Reuse), il terzo è il riciclo dello stesso alla fine del ciclo di vita (Design for Recycling).

Questi 3 punti sono anche quelli che compongono il cosiddetto “approccio delle 3R: Riduci, Riusa, Ricicla” per la corretta gestione dei rifiuti, derivante dalla Direttiva Quadro sui Rifiuti (2008/98/UE), la quale definisce una gerarchia di azioni (la riduzione, il riuso e il riciclo) da mettere in atto prima dello smaltimento del rifiuto in discarica. Per tanto, è evidente come una progettazione responsabile e volta a minimizzare gli impatti ambientali del prodotto, sia fondamentale per prevenire le enormi conseguenze derivanti dallo smaltimento.

Purtroppo la situazione reale si discosta molto dalle buone pratiche previste per legge: secondo quanto emerso dal Coutering WEEE Illegal Trade [6] finanziato dall’UE, in Europa il 65% dei RAEE (pari a 6,2 milioni di tonnellate sui 9,5 milioni di tonnellate totali) sono stati trattati in maniera non adeguata nel corso del 2012, in termini economici una perdita stimata tra 800 milioni e 1,7 miliardi di euro. Dati che, riferiti alla realtà Italiana, diventano ancora più preoccupanti: come si può notare dalla Figura 1, la percentuale di RAEE correttamente riciclati è ben al di sotto della media europea. Questo rende chiaro quanto sia urgente e necessario ricercare ed attuare delle soluzioni che rendano sostenibile, sotto l’aspetto ambientale ed economico, i dispositivi elettronici ed i processi ad essi connessi, esigenza a cui si cercherà di dare una risposta nel seguito con la proposizione di due soluzioni progettuali per due classi di problemi: la creazione di nuovi dispositivi elettronici maggiormente sostenibili ovvero biodegradabili, e il riutilizzo in configurazioni a “griglia” computazionale dei dispositivi obsoleti per capacità e risorse e quindi divenuti troppo poco performanti per continuare ad essere utilizzati singolarmente.

2. Elettronica Biodegradabile

Un generico dispositivo elettronico di consumo è costituito dall’assemblaggio di componenti elettronici, aventi svariate funzioni, da strutture metalliche e da materiale in plastica. I componenti elettronici più diffusi possono essere schematicamente divisi in circuiti stampati (PCB), circuiti integrati, elementi passivi e attivi, saldature e cavi di connessione. I materiali costituenti includono tipicamente metalli pesanti, substrati e strati dielettrici, semiconduttori inorganici, conduttori metallici e rivestimenti plastici o ceramici. Materiali solitamente scelti per la loro stabilità chimica e la capacità di non degradarsi per lunghi periodi di tempo. Tuttavia, come già detto, l’aumento della domanda di tecnologie elettroniche, unita all’accelerazione del tasso di obsolescenza sta generando un aumento del volume di rifiuti elettronici, con conseguenze rilevanti soprattutto in relazione allo smaltimento in discarica a causa della lenta capacità di degradazione che presentano. Ciò implica che il rilascio di metalli pesanti e sostanze tossiche può inquinare in maniera consistente il suolo, l’aria e l’acqua. Allo stesso modo il recupero dei materiali riciclabili, plastica e metalli, comporta processi chimici e meccanici che immettono nell’atmosfera sostanze tossiche.

Una potenziale strada da intraprendere per arginare questo fenomeno è la creazione di dispositivi che coinvolgano solo materiali biodegradabili, che possano degradarsi in un tempo prestabilito con un tasso di degradazione controllato, paradigma definito “elettronica transitoria”, in contrapposizione alla caratteristica di invarianza fisica e funzionale che ha da sempre contraddistinto il mondo dell’elettronica. Quindi, materiali per i quali esista in natura un microorganismo capace di produrre degli enzimi in grado di catalizzare le reazioni di degradazione del materiale e decomporlo.

2.1 Circuiti integrati

I circuiti integrati (IC) consistono di una matrice di materiale semiconduttore incapsulata in un involucro che può essere di materiale ceramico o plastico e conduttori metallici per il collegamento con gli altri componenti. I circuiti elettronici attualmente in produzione sono realizzati da un substrato cristallino di silicio o di un altro semiconduttore, che si stima rappresenti il 99% dell’intera massa, e possono contenere più di un miliardo di componenti elettronici in piastrine (chip) di area 2cm x 2cm [7]. Dunque la regione attiva rappresenta una parte molto limitata di materia e per minimizzare l’uso dei semiconduttori nel substrato sono state sviluppate tecnologie per realizzare l’intero dispositivo su un materiale sacrificale e trasferirlo stampato su qualsiasi tipo di substrato, inclusi substrati biodegradabili e non tossici.

La possibilità di traferire un’intera gamma di componenti elettronici su un substrato biodegradabile presuppone però un’attenta scelta dei materiali e dei processi tecnologici con cui essi vengono realizzati. Infatti se per i componenti passivi (resistori, induttori, capacitori) è sufficiente adottare materiali biodegradabili o che siano in quantità trascurabili nel processo di degradazione dell’intero IC, per i dispositivi attivi ed in particolare per i transistor, è necessario associare alla scelta dei materiali quella della tecnologia di funzionamento dei componenti. Di particolare rilevanza in tal senso sono i transistor a film sottile (Thin Film Transistor), dei dispositivi a tre terminali (gate, drain, source) che permettono di trasportare cariche tra due elettrodi, sotto l’imposizione di un effetto di campo originato da un terzo elettrodo; basati sul medesimo fenomeno che è alla base dei MOSFET, ma con la possibilità di poter depositare i componenti su un substrato isolante. Nel seguito verranno presentate anche soluzioni che utilizzino transistor a giunzione bipolare (BJT), dispositivi formati da tre strati di materiale semiconduttore drogato in modo da formare una doppia giunzione p-n, dove ad ogni strato è associato un terminale (base, collettore, emettitore). Qualora i materiali che costituiscono le due regioni di base e di emettitore siano costituite da materiali differenti, il dispositivo prende il nome di transitori ad eterogiunzione bipolare (HBT).

(… segue …)

Leggi l’articolo completo: Agostino Giorgio, Andrea Cupertino, Marcello Castellano, Elettronica sostenibile, in Scienze e Ricerche n. 36, 1° settembre 2016, pp. 71-80