Le montagne di schede madri e dispositivi dismessi potrebbero presto diventare solo un ricordo del passato, grazie all’ingegneria dei materiali e alla creazione di dispositivi avanzati noti come transient electronics.
L’emergere dei transient electronics rappresenta l’ultima frontiera della tecnologia sostenibile. Si tratta di un paradigma di nuova concezione, il quale si basa su circuiti biodegradabili in seta, cellulosa e magnesio, capaci di funzionare con la massima efficienza, per poi dissolversi senza rilasciare alcuna traccia tossica a impattare sull’ambiente.
L’inganno dei RAEE e le montagne di silicio
L’opinione pubblica è portata a credere che la corretta raccolta differenziata dei dispositivi tecnologici sia sufficiente a risolvere l’impatto ambientale dell’era digitale. La realtà industriale, però, presenta un bilancio differente. Il riciclo degli scarti elettrici ed elettronici è un processo costoso, energeticamente idrovoro e chimicamente complesso.
La maggior parte dei componenti interni dei moderni dispositivi è progettata per durare nel tempo, non per essere smontata. Le schede madri sono composte da strati di fibra di vetro e rame annegati in resine epossidiche termoindurenti e ritardanti di fiamma bromurati. Separare questi elementi per recuperare minime quantità di metalli rari richiede trattamenti pirometallurgici ad altissime temperature, o bagni d’acido altamente inquinanti.
L’accumulo di questi scarti ha raggiunto dimensioni critiche. Secondo i dati pubblicati dal Global E-waste Monitor delle Nazioni Unite, solo nel 2022 sono state prodotte 62 milioni di tonnellate di rifiuti elettronici a livello globale, una mole di scarti che cresce a un ritmo cinque volte superiore rispetto alle capacità effettive di riciclo documentate. Questa dinamica evidenzia l’inadeguatezza delle catene di smaltimento tradizionali nell’arginare l’aumento dei RAEE, dimostrando la necessità di ripensare l’hardware fin dalla fase di progettazione.
Come approfondito nelle analisi di Info Build sul ciclo di vita dei RAEE e rifiuti elettrici ed elettronici, la sfida primaria risiede nella riduzione dell’impatto ambientale dei dispositivi giunti a fine vita.
Cos’è l’elettronica transitoria e come si dissolve
La risposta all’accumulo di e-waste non risiede nel perfezionamento delle tecniche di riciclo a posteriori, ma nel concetto di dissoluzione programmata. La tecnologia nota come transient electronics, traducibile in italiano con il termine di elettronica transitoria, rappresenta un cambio di prospettiva: invece di ingegnerizzare chip e schede affinché resistano all’usura del tempo, gli hardware vengono progettati per degradarsi, in modo controllato, dopo aver svolto la propria funzione.
I fondamenti accademici di questa disciplina sono stati sviluppati, a partire dai primi anni 2010, dal Rogers Research Group della Northwestern University, guidato dal docente e scienziato John Rogers. Il team di ricerca ha dimostrato come sia possibile integrare materiali semiconduttori, conduttori e isolanti bio-riassorbibili per realizzare dispositivi ad alte prestazioni, che si dissolvono completamente se immersi in acqua o fluidi biologici.
Come evidenziato nell’articolo dedicato alla tecnologia dei transient electronics e dell’elettronica dissolvibile sulla testata Tutto Green, l’obiettivo centrale è la sostituzione dei materiali inerti con matrici organiche o minerali assimilabili dall’ambiente.
La rivoluzione dei substrati fisici: dal silicio alle proteine
Nei microchip convenzionali, il substrato, ovvero quel supporto rigido su cui vengono incisi i circuiti, è costituito da materiali sintetici come vetroresina o silicio monocristallino. Nell’elettronica transitoria, la base fisica viene invece sostituita da matrici organiche, riassorbibili dall’ambiente, come:
- proteine della seta. Sottoposte a processi di liofilizzazione, le fibroine della seta formano pellicole flessibili, trasparenti e traspiranti. La loro velocità di dissoluzione può essere regolata agendo sulla struttura cristallina della proteina;
- fogli di cellulosa nanostrutturata. Derivati dalla lavorazione del legno o da scarti agricoli, questi pannelli offrono un supporto meccanico stabile e una completa biodegradabilità all’interno del suolo;
- membrane di micelio. L’impiego delle strutture vegetative dei funghi, dunque del loro micelio, permette di stampare circuiti biodegradabili su substrati elastici, idrofobi e compostabili, che non impatteranno sull’ambiente.
I substrati fisici elencati, se impiegati come componenti per l’elettronica di consumo, possono portare a un riposizionamento pressoché totale del settore, in termini ambientali ed ecologici.
Transient electronics e metalli che scompaiono nell’acqua
I conduttori elettrici e le piste dei circuiti stampati tradizionali sono in rame, oro, argento e piombo. Nei microchip solubili, la conduzione elettrica è affidata a strati nanometrici di metalli reattivi, ma biologicamente tollerati:
- Magnesio e Zinco sono utilizzati per realizzare le tracce conduttive. In presenza di umidità, si ossidano gradualmente, trasformandosi in idrossidi e sali innocui, sostanze comunemente presenti nei cicli nutritivi biologici;
- il diossido di silicio nanometrico è invece utilizzato, come isolante e semiconduttore, in spessori inferiori ai 100 nanometri, una misura che ne consente la rapida idrolisi in acido silicico, un composto solubile e non tossico.
Il primo passo verso l’elettronica transitoria sta dunque nella riduzione delle percentuali di metalli tradizionali e nell’introduzione, in parti sempre più rilevanti, di materiali restituibili all’ambiente, al termine del loro ciclo vitale.
La programmazione del fine vita utile
Una delle obiezioni principali rivolte all’elettronica biodegradabile riguarda la stabilità operativa: un dispositivo non deve usurarsi eccessivamente, durante il normale utilizzo, e ha dunque bisogno di essere composto di materiali di una certa resistenza.
I sistemi di transient electronics risolvono il problema attraverso la programmazione dell’innesco. Finché la pellicola protettiva esterna rimane intatta, e il circuito non viene esposto all’agente innescante, il chip garantisce prestazioni elettriche analoghe a quelle dell’hardware convenzionale. Al danneggiarsi di questo guscio, se così vogliamo definirlo, il device inizia a subire l’erosione dell’usura.
Sensori forestali e biomedicina: i campi di applicazione immediati della transient electronics
L’adozione dei circuiti transitori trova riscontro in settori applicativi specifici dove il recupero dell’hardware è impossibile, o antieconomico. Nel campo della biomedicina, per esempio, la tecnologia consente la realizzazione di dispositivi medici impiantabili temporanei, che si possono rimuovere. Sensori cardiaci, stetoscopi interni o stimolatori ossei possono essere posizionati all’interno del corpo umano, durante un intervento chirurgico.
Una volta completata la sua funzione diagnostica o terapeutica specifica, l’intero dispositivo si dissolve, in maniera naturale e senza alcun tipo di complicazione, nei fluidi corporei, eliminando la necessità di una seconda operazione chirurgica per la rimozione dell’impianto.
Nel contesto del monitoraggio ambientale, l’elettronica transitoria permette la dispersione di sensori wireless su ampie estensioni di territorio. Dispositivi lanciati nelle aree boschive, per rilevare parametri climatici o prevenire incendi, possono operare per un’intera stagione estiva, per poi disintegrarsi con le prime piogge autunnali, fornendo nutrimento al terreno e prevenendo l’accumulo di rifiuti nei sistemi naturali.
