Biodegradovateľná elektronika: Čo dokážu huby, riasy a krabie panciere

Podľa správy OSN vzniklo v roku 2022 rekordných 62 miliónov ton elektroodpadu, o 82 % viac než v roku 2010. Len 22,3 % z neho bolo zdokumentované ako riadne zozbierané a zrecyklované. Vedci preto skúšajú meniť samotné materiály: namiesto epoxidovej živice podložky z podhubia, namiesto korozívnych elektrolytov gély z odpadu zo schránok morských živočíchov. Väčšina týchto riešení je zatiaľ laboratórna a žiadne z nich nenahrádza čip, kovy ani lítiovú batériu v dnešnom telefóne.

Prečo recyklácia elektroodpad nestíha

Elektroodpadu pribúda rýchlejšie, než ho svet dokáže spracovať. Ročný objem podľa správy rastie o 2,6 milióna ton a do roku 2030 má dosiahnuť 82 miliónov ton. Podiel riadne zrecyklovaného odpadu pritom podľa odhadu klesne z 22,3 % na približne 20 %. V odpade z roku 2022 bolo 31 miliónov ton kovov a 17 miliónov ton plastov. Pri nevhodnom nakladaní s ním sa ročne uvoľní asi 58 000 kg ortuti a 45 miliónov kg plastov s bromovanými spomaľovačmi horenia.

Zvlášť ťažko sa recyklujú dosky plošných spojov. Bežne ide o sklenené vlákna spojené epoxidovou živicou, teda fosílny materiál, ktorý sa nerozkladá a len ťažko sa oddeľuje od súčiastok. Práve preto sa vedci zameriavajú na ich nahradenie.

Biodegradovateľná elektronika z húb: dosky plošných spojov z mycélia

Čo vedci už vyrobili

Mycélium je podhubie, teda spleť vlákien, z ktorej rastú huby. Tím z rakúskej Univerzity Johannesa Keplera vyvinul prístup nazvaný MycelioTronics, v ktorom z vlákien vypestujú tenké „kože“ použiteľné ako podklad pre senzory a batérie. Ako ukážku zostavili zariadenie s batériou, bluetooth modulom a senzorom na doske z mycélia. Po použití sa doska v kompostéri rozpadla.

Novší výskum z nemeckej Freibergskej univerzity využíva mycélium plesne Aspergillus niger, ktoré vzniká ako odpad pri priemyselnej výrobe kyseliny citrónovej. Biomasu vedci odlievajú do foriem a sušia na vzduchu, čím vznikajú približne 5 mm hrubé dosky s hustotou 1,23 g/cm³, porovnateľnou s bežnými doskami plošných spojov. Materiál je podľa normy ISO 20200 biologicky odbúrateľný a po vložení do vody sa rozpadne. Vďaka tomu sa z neho dajú vybrať funkčné súčiastky, čo vedci preukázali ich opätovným prispájkovaním na bežnú dosku.

Prečo to zatiaľ nie je v telefóne

Autori hovoria o doskách pre jednoduché obvody, nie o zložitých viacvrstvových doskách moderného smartfónu. Vzniká tu aj základný rozpor: elektronika musí odolať vlhkosti a teplu, no po skončení životnosti sa má rozložiť. Tepelné spracovanie pri 120 °C zlepšuje pevnosť a odolnosť voči vode, no zároveň spomaľuje biologický rozklad. Európska výskumná rada financuje projekt MycoSub, ktorý má priniesť flexibilné dosky z mycélia zlučiteľné s priemyselnými postupmi. Ide však o cieľ projektu, nie o hotový výsledok.

Batérie z krabích pancierov: čo už vieme o chitosane

Z pancierov krabov, krevetov a homárov sa získava chitín a z neho chitosan, látka, ktorá je biologicky odbúrateľná. Vedci z Marylandskej a Houstonskej univerzity z nej vyrobili gélový elektrolyt pre zinkovú batériu. Podľa autorov je asi dve tretiny batérie biologicky odbúrateľných, pričom elektrolyt sa pri skúške úplne rozložil približne za päť mesiacov. Zostáva zinok, ktorý sa dá recyklovať. Po tisíc nabíjacích cykloch si batéria udržala energetickú účinnosť 99,7 %.

Dôležité je, na čo je tento výskum určený. Prototyp má slúžiť na ukladanie energie z veterných a solárnych zdrojov, nie na napájanie smartfónu. Autori považujú rozšírenie na iné typy batérií za možné, no hotová verzia pre telefóny zatiaľ neexistuje. Výsledky navyše pochádzajú z roku 2022.

Morské riasy a ďalšie prírodné polyméry

Z hnedých rias sa získava alginát, polymér rozpustný vo vode. Taliansky tím z neho vyrobil flexibilnú podložku pre organické svetelné diódy (OLED) a ukázal, že zariadenie sa dá rozobrať a hodnotné materiály sa z neho dajú takmer celé získať späť. Zdroje, ktoré som našiel, ukazujú takto podložky a spojivá. Hotové kryty elektroniky z rias medzi nimi nie sú.

Dá sa starý telefón zakopať v záhrade?

Obraz telefónu, ktorý sa v zemi rozloží na hnojivo, je lákavý, no nezodpovedá výskumu. V prototypoch je biologicky odbúrateľná len podložka alebo časť batérie. Čipy, kovové vodiče a spájky zostávajú. Navyše, odbúrateľný materiál musí zároveň vydržať roky bežného používania.

Zmysluplnejší cieľ je opačný: navrhnúť elektroniku tak, aby sa dala jednoducho rozobrať a cenné súčiastky získať späť. Doska, ktorá sa rozpadne vo vode, to umožňuje. Hodnota je vysoká: nedokumentovaný odpad z roku 2022 obsahoval podľa správy OSN suroviny v hodnote asi 62 miliárd USD. Rovnako dôležité ako materiály je zber. Ak by krajiny do roku 2030 zvýšili zber a recykláciu na 60 %, prínosy by podľa správy prevýšili náklady o viac než 38 miliárd USD.

Kedy sa biomateriály dostanú do bežných zariadení

Zdroje neuvádzajú termíny komerčného nasadenia. Dá sa však predpokladať, že ako prvé prídu na rad jednoduché a krátkodobé zariadenia, napríklad jednorazové senzory, kde sú nároky na výkon nízke a rozklad po použití je výhodou. V zložitých zariadeniach, akým je smartfón, zostáva nevyriešená kombinácia odolnosti, výrobných postupov a ceny.

Záver

Dosky z mycélia, elektrolyty z chitosanu a podložky z alginátu ukazujú, že časť elektroniky sa dá vyrobiť z obnoviteľných a odbúrateľných materiálov. Zatiaľ ide o prototypy pre jednoduché zariadenia. Skutočný prínos sa dnes javí skôr v ľahšej recyklácii než v samovoľnom rozklade. Kým nebude elektronika navrhovaná na rozobratie a zber nebude výrazne efektívnejší, samotné nové materiály problém elektroodpadu nevyriešia.