Mogą tego dokonać tylko lasery: 6 zastosowań dla bardziej zrównoważonego rozwoju

Największym problemem związanym z recyklingiem jest segregacja. Im dokładniejszy i bardziej uporządkowany demontaż nieużywanych urządzeń i przedmiotów, tym więcej surowców można odzyskać. Jednak wiele z komponentów dodawanych podczas produkcji nie można tak łatwo oddzielić:

Teoria: w przypadku recyklingu dokonujemy rozłożenia rzeczy na części składowe i z powrotem wprowadzamy materiały do obiegu bez utraty ich jakości. Rzeczywistość: ogromne sterty odpadu. Jak można je posortować według typu? Instytut badawczy Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT opracował w tym celu nowy proces: czujnik wykorzystuje spektroskopię emisji laserowej do identyfikacji składu chemicznego odpadu przechodzącego obok niego na przenośniku taśmowym. Następnie sortują ludzie lub automatyczne urządzenia wspierane przez sztuczną inteligencję. Metoda laserowa nadaje się również do kruchych odpadów, takich jak złom elektroniczny i części samochodowe. Umożliwia rozpoznawanie nawet najmniejszych ilości lub tylko składników stopu cennych surowców, takich jak molibden, kobalt lub wolfram. Dzięki detektorowi laserowemu o wiele więcej materiałów niż wcześniej znowu powróci do obiegu. 

Dwa kolejne przykłady: w produkcji elektrod do akumulatorów samochodów elektrycznych przedsiębiorstwa pokrywają folie cennym litem, kobaltem i niklem. Nie wszystkie z nich przechodzą kontrolę jakości. Promień lasera usuwa bardzo cienką warstwę, a cenny pył jest zbierany i wraca do obiegu. Jeśli aluminiowy znak drogowy nie jest już aktualny lub napis jest nieczytelny, staje się odpadem. Jest to spowodowane specjalnymi foliami, które są pokrywane napisami i nie schodzą. Można je jednak szybko usunąć bez pozostawiania śladów za pomocą lasera CO₂.

Idealnym sposobem wykorzystania zasobów zawsze było osiągnięcie co najmniej tego samego rezultatu przy mniejszym wysiłku. Nie jest przesadą stwierdzenie, że laserowa obróbka materiałów od dziesięcioleci opiera się na tym motto wydajności. 

Jeszcze większa wydajność jest również możliwa w przypadku fotowoltaiki i transportu: w ciągu zaledwie jednego miesiąca moduł fotowoltaiczny na pustyni traci do 30 procent swojej mocy z powodu rosnącej warstwy pyłu. Nakładające się promienie lasera tworzą aktywnie odpychającą kurz strukturę powierzchni. Mikroorganizmy, glony, rośliny, małże i pąkle kolonizują kadłuby statków. Zwiększa to zużycie paliwa nawet o 60 procent. Wiązki lasera diodowego mogą bezpiecznie i całkowicie usuwać zanieczyszczenia pod wodą.

Twarde promieniowanie rentgenowskie jest skuteczną terapią przeciwko komórkom nowotworowym. Jednak zabieg jest również bardzo stresujący dla pacjentów. Terapia wiązkami elektronów byłaby zarówno łagodniejsza, jak i bardziej obiecująca, ponieważ wiązki elektronów można precyzyjniej ogniskować, a tym samym dokładniej trafiać w komórki nowotworowe bez wpływu na otaczającą tkankę. Jednak maszyny wykorzystujące wiązkę elektronów są ogromne i niezwykle drogie, więc praktycznie są niedostępne. Oba te trendy ulegają obecnie zmianie dzięki tak zwanej metodzie laserowej fali łukowej, która przyspiesza elektrony w zupełnie inny sposób. Umożliwi to stosowanie lepszych i łagodniejszych terapii przeciwnowotworowych u znacznie większej liczby osób niż dotychczas. 

Lasery mogłyby również pomóc większej liczbie osób na całym świecie w uzyskaniu dostępu do dobrej opieki zdrowotnej w innych obszarach: chociaż wykorzystuje zaawansowane technologicznie metody, takie jak wspomagana laserem cyfrowa mikroskopia holograficzna, Bahram Javidi, profesor na University of Connecticut, był w stanie zbudować urządzenie do szybkiego badania krwi z najtańszych i najbardziej wytrzymałych materiałów, szczególnie dla regionów o słabej infrastrukturze medycznej. Co więcej, wiele osób nie może sobie pozwolić na wysokiej jakości protezy. Ogromny postęp w dziedzinie laserowego napawania metalu, czyli druku 3D z metalu, prowadzi do wytwarzania bardziej przystępnych cenowo protez dla każdego.

Transformacja energetyczna to coś więcej niż tylko stawianie ogromnych urządzeń fotowoltaicznych, turbin wiatrowych i elektrowni wodnych (to oczywiście także!). Chodzi również o dostosowanie i uelastycznienie sieci elektroenergetycznej do nowej generacji energii elektrycznej oraz lepsze wykorzystanie alternatywnych źródeł energii, takich jak wodór. 

Duże pojazdy, takie jak ciężarówki, maszyny budowlane lub autobusy, potrzebują bardziej wydajnego systemu magazynowania energii do zasilania silników energią elektryczną: na przykład wodoru i ogniw paliwowych. Dobrym rozwiązaniem są tzw. ogniwa paliwowe PEM (Proton Exchange Membrane). Kluczowym wyzwaniem w tym projekcie jest długotrwałe utrzymanie wydajnego transportu wody i gazu wewnątrz fotokomórki. Tutaj do gry wkraczają lasery o ultrakrótkim czasie impulsu: tworzą one funkcjonalne struktury i mikrootwory wewnątrz fotokomórki. Dzięki tej sztuczce ogniwa paliwowe PEM są mocniejsze, wydajniejsze i mają dłuższą żywotność.

Wysokowydajne ogniwa fotowoltaiczne wymagają cennego srebra dla ich ścieżek przewodzących i styków. Niemiecki start-up opracował metodę zastępowania srebra miedzią. W tym celu wykorzystują metodę łączącą procesy galwanizacji z laserowym procesem strukturyzacji. Aby utrzymać stabilność sieci elektroenergetycznych w dzień i w nocy, operatorzy elektrowni fotowoltaicznych i wiatrowych potrzebują elastycznych systemów pamięci tymczasowej, takich jak przepływowe akumulatory. Nowo opracowana metoda spawania laserowego oparta na VCSEL sprawia, że ich produkcja jest teraz znacznie tańsza.

Wyświetlacze smartfonów, tabletów i e-czytników powinny zawsze zapewniać optymalny obraz. Nawet przy jasnym naświetleniu. Inaczej mówiąc: nie powinny się odbijać i powinny być matowe. Do tej pory było to możliwe tylko poprzez zanurzenie szkła wyświetlacza w prawdopodobnie najbardziej nieprzyjemnej i niebezpiecznej substancji chemicznej znanej w branży: kwasie fluorowodorowym. Jednak inżynierowie z firmy TRUMPF opracowują obecnie proces laserowy, który na dobre wyeliminuje kwas fluorowodorowy z produkcji. Czyste, ultrakrótkie impulsy laserowe na szkle wyświetlacza zapewniają na nim taki sam efekt matujący, jak dawna szkodliwa powłoka. Wyniki są bezbłędne, teraz pozostaje tylko kwestia skalowania procesu laserowego.

Również inne obszary mogą być czyszczone laserowo: elementy są często zabrudzone olejem, brudem lub posiadają utlenioną warstwę. Promienie lasera odparowują zanieczyszczenia lub po prostu usuwają utlenione warstwy. Jeśli mamy do czynienia z kilkoma powierzchniami styku, laser dokładnie się z nimi rozprawi. Odpady chemiczne do utylizacji podczas czyszczenia światłem: zero. Powszechną praktyką było również wytrawianie górnej warstwy przewodzącej (zwykle złota i miedzi) podczas konserwacji płytek obwodu drukowanego. Powoduje to powstawanie toksycznych odpadów, które są trudne do utylizacji. Ultrakrótkie impulsy usuwają miedź lub złoto wokół przewodników. Tak ukierunkowane, że żadne ciepło nie przenika przez materiał znajdujący się pod spodem – oraz całkowicie wolne od żrących chemikaliów.

Mikrodrobiny plastiku to cząsteczki mniejsze niż pięć milimetrów, aż do nanoskali. Obecnie można je znaleźć wszędzie, od głębin morskich po Antarktydę, w rybach i w ludzkim krwiobiegu. Wpływ na organizmy żywe i ekosystemy nie został jeszcze szczegółowo zbadany, ale wstępne ustalenia są niepokojące. Wiele przemawia więc za tym, aby przynajmniej odfiltrować mikrodrobiny plastiku ze ścieków i zmniejszać ogólne zanieczyszczenie. Niestety, mikrodrobiny plastiku są bardzo małe. Tym samym otwory w filtrach muszą być odpowiednio małe. Konsorcjum przedsiębiorstw i naukowców zdołało wywiercić dziesiątki milionów otworów dla tak zwanego filtra cyklonowego przy użyciu lasera o ultrakrótkim czasie impulsu. Aby uczynić proces bardziej ekonomicznym, podzielili promień lasera i wywiercili ponad sto otworów jednocześnie. Filtr wyłapuje cząsteczki plastiku większe niż dziesięć mikrometrów.

Europejska sieć ośrodków badawczych, uniwersytetów, przedsiębiorstw i stowarzyszeń rolniczych zbudowała prototyp do laserowego zwalczania chwastów: Wspomagane przez sztuczną inteligencję rozpoznawanie obrazu autonomicznego pojazdu identyfikuje chwasty. Milimetrowy impuls energii ze źródła lasera światłowodowego – to na tyle, jeśli chodzi o chwasty. Laser może być również przydatny do rozpoznawania płci jaja kurzego. Pytanie: kogut czy kura? Odpowiedź: to ważne. Wynika to z faktu, że powszechną praktyką jest eliminowanie wszystkich piskląt płci męskiej. Zautomatyzowany proces laserowy kładzie teraz kres temu okrucieństwu, ponieważ umożliwia rozpoznawanie płci zwierząt na podstawie zarodków w jaju.