‘We hebben een nieuw model van elektronica nodig’

Cristian Ibarra / Pixabay (CC0)

Van smartphones en computers tot auto’s en zelfs huishoudapparaten. Je kunt het zo gek niet bedenken of er steekt een microchip in. Hoewel ze ons leven eenvoudiger maken, heeft de productie van chips heel wat gevolgen voor het klimaat. Tegelijk zijn onderzoekers druk doende om nieuwe technologie te ontwikkelen die ze duurzamer kunnen maken, en misschien zelfs biologisch afbreekbaar.

Vorige zomer viel plots de lopende band stil in de fabriek van Volvo Gent. De oorzaak? Microchips, of beter: een tekort aan microchips.

Microchips zitten namelijk niet alleen in computers. Een auto telt vandaag al snel een honderdtal van die dingen. Sterker nog, je zou kunnen stellen dat de digitale revolutie niet eens zou bestaan zonder de technologische vooruitgang in de chipindustrie.

De smartphone in je broekzak is heel wat krachtiger dan de computer waarmee astronauten in de jaren ‘60 naar de maan gingen. Zonder de nooit aflatende evolutie van microchips bestonden er geen smartphones, laptops, Netflix, sociale media, e-commerce of internet.

Emissies

Hoewel chips ons leven een stuk eenvoudiger maken, heeft hun opgang ook een keerzijde voor het klimaat. De gevolgen van de chipproductie zijn weliswaar moeilijk in kaart te brengen, zegt Lars-Ake Ragnarsson, programmaleider van de Leuvense onderzoeksinstelling imec.

‘Het vereist in de eerste plaats veel kennis over hoe je chips produceert. Ook heb je informatie nodig over zaken als gassen, elektriciteitsgebruik en productiemethoden. Kortom, je hebt heel wat interne informatie van bedrijven nodig.’

Overheden en bedrijven blijven sterk inzetten op de bouw van chipfabrieken, ook al verbruiken die ontzettend veel energie.

Ragnarsson meent dat de productie van chips ongeveer 50 megaton CO2-equivalent per jaar uitstoot – ofwel 0,1% van de globale jaarlijkse emissies.

Toch moet je bij dat cijfer een aantal kanttekeningen plaatsen. Allereerst omdat het van de chipbedrijven zelf komt. Bovendien gaat het alleen over de productie van chips, niet over pakweg de mijnbouw van de materialen die je daarbij nodig hebt.

In zijn inschatting houdt Ragnarsson rekening met drie aspecten. Ten eerste moet je de directe emissies in kaart brengen, zegt hij. Want bij het productieproces van chips worden immers chemicaliën gebruikt, waardoor er broeikasgassen vrijkomen.

Ook moet je rekening houden met de elektriciteit die een fabriek gebruikt. Veel hangt daarbij af van de energiemix van het land in kwestie. Bij energie uit kolen heb je bijvoorbeeld veel emissies.

Ten slotte, en die informatie nemen Ragnarsson en zijn team momenteel niet in hun inschatting op, moet je kijken naar de mijnbouw van materialen en de emissies die verbonden zijn aan logistiek.

Chipfabrieken

Microchips maken doe je niet zomaar, het is een bijzonder ingewikkeld proces. Je hebt er de juiste grondstoffen en technologie voor nodig. En vooral: energie, héél veel energie.

Het energieverbruik van chipfabrieken, ook wel fabs of foundries genoemd, is torenhoog. Het Taiwanese TSMC, de belangrijkste constructeur van chips ter wereld, verbruikte in 2019 maar liefst 5% van de totale elektriciteit van het eiland.

Nochtans hoopte TSMC datzelfde jaar zijn energieverbruik met 11,5% te verminderen tegenover 2010. Maar in de praktijk verhoogde dat met 17,9%. Daarbovenop verbruikten de fabrieken van TSMC in 2019 ook nog eens 63 ton water.

Ondertussen blijven overheden en bedrijven nog altijd sterk inzetten op de bouw van zulke chipfabrieken. In 2021 alleen werd begonnen met de bouw van 19 fabs. Dit jaar zou de eerste steen van nog eens 10 fabrieken worden gelegd.

Het gros van de chips wordt vandaag in Azië gemaakt. Om de gevolgen van de huidige chipsschaarste op te vangen willen westerse landen de productiecapaciteit op lokaal niveau organiseren.

De Verenigde Staten investeerden in 2021 met hun CHIPS Act maar liefst 52 miljard dollar in de industrie. De Europese Unie wil een vergelijkbaar bedrag investeren. Maar meer fabrieken betekent ook meer energieverbruik. En dus ook meer uitstoot.

Economie vs. milieu

De emissies en het energieverbruik zijn lang niet de enige problemen. Want wat met de mijnbouw of de verwerking van materialen om chips te maken?

Smartphones en andere elektronica bevatten een heleboel andere materialen, zoals goud, aluminium en koper. Een chip bestaat daarentegen vooral uit silicium. Dat wordt doorgaans gewonnen uit zand of kwarts. Onze aardkorst zit bomvol silicium, het is na zuurstof het meest voorkomende element.

‘Bij het bijsnijden van chips gaat tot 50% van het silicium verloren.’

Jens Gutzmer

Alleen, om chips te maken heb je bijzonder zuivere silicium nodig. En dat vind je dan weer niet overal terug, weet Jens Gutzmer, oprichter en directeur van het Helmholtz Institute Freiberg for Resource Technology. ‘Er zijn weinig plekken waar puur silicium wordt ontgonnen, in het Westen is dat vooral in Spruce Pine.’

Spruce Pine is een slaperig stadje in North Carolina dat rijk is aan kwartsrotsen met silicium. ‘Eerst moet je de kwarts van de andere mineralen scheiden via mechanische processen’, vertelt Gutzmer. ‘Daarna pas je chemische processen toe om de overgebleven onzuiverheden weg te halen.’

Vergeleken met andere metalen is het verwerkingsproces van silicium zeer complex, met veel stappen. ‘De milieu-impact is wellicht vrij groot, het proces genereert een aanzienlijke hoeveelheid CO2. Voor bepaalde stappen heb je bijvoorbeeld kolen van hoge zuiverheid nodig en hoge temperaturen, wat veel energie verbruikt.’

Bedrijven verwerken vervolgens het silicium tot grote cilinders, waarvan schijfjes worden gesneden. Die schijfjes, ook wel ‘wafers’ genoemd, worden op hun beurt in vierkante chips gesneden, een proces waarmee heel wat verspilling gepaard gaat.

‘Bij het bijsnijden gaat tot 50% van het silicium verloren. Economisch gezien is het niet mogelijk om die delen opnieuw te gebruiken in nieuwe cilinders, er is dus een discrepantie tussen het economische belang en de milieu-impact’, aldus Gutzmer.

Dat alles dwingt de chipindustrie er wel stilaan toe om haar voetafdruk te verminderen. Zo zette imec dit jaar nog een partnerschap op dat heel wat grote bedrijven in de sector verenigt, van Apple en Microsoft tot de Nederlandse machinebouwer ASML. Het partnerschap wil zo in de komende decennia de sector naar ‘net zero’ brengen.

Zonne-energie: even milieuonvriendelijk?

Halfgeleiders als silicium zijn niet alleen voor computerchips een basismateriaal, maar ook voor zonnepanelen. Kampt die sector dan met dezelfde milieuproblemen?

Niet helemaal, zegt Bart Vermang, professor aan de UHasselt en verbonden aan imec. ‘95% van de zonne-energiemarkt steunt nog altijd op silicium. De technologie die in de chipindustrie wordt gebruikt is dezelfde als die voor zonne-energie. Toch wil die sector vooral een zo laag mogelijke kostprijs garanderen, terwijl de chipindustrie daar minder de focus op legt.’

Vermang benadrukt dat zelfs met de milieu-impact van de productie van zonnepanelen, het totale uitstootplaatje positief is. In het geval van zonne-energie is er ook een grotere druk om de productie ervan milieuvriendelijker te maken.

‘Europa legt daar sterk de nadruk op’, stelt Vermang. ‘Het vraagt dat we rekening houden met materialen die schaars zijn. Maar ook toxische materialen, zoals lood, mogen we niet gebruiken. We vervangen elementen die Europa liever niet ziet door alternatieven met een vergelijkbare werking.’

Zeker op het gebied van materialen gebeurt er veel onderzoek. ‘We moeten blijven innoveren’, vertelt Vermang. ‘Zonne-energie zal in de komende decennia enorm hard groeien, en dat kan druk zetten op bepaalde materialen.’

Als we niet innoveren, zullen we bijvoorbeeld de hele jaarlijkse ontginning van zilver opgebruiken, waarschuwt Vermang. ‘Als we de manier waarop we materialen gebruiken en recycleren vernieuwen, kunnen we dat gebruik binnen de perken houden.’

Waar bij elektronica het recyclen van silicium weinig aantrekkelijk is, komt er bij zonnepanelen ook steeds meer aandacht voor.

‘Er bestaan al bedrijven die silicium uit zonnepanelen recycleren’, zegt Karl Van Acker, professor circulaire economie aan de KU Leuven. ‘De hoeveelheden zijn ook veel groter, wat het veel logischer maakt om wel die materialen te hergebruiken.’

Over kabelbacteriën en bacteriekabels

Aan het einde van de levenscyclus van elektronica komt de laatste stap van het duurzaamheidstraject van chips: hoe ga je om met elektronisch afval?

Volgens de Global E-Waste Monitor van de Verenigde Naties genereerden we in 2020 wereldwijd 53,6 miljoen ton e-waste. Dat is 7,3 kilogram elektronisch afval per persoon per jaar. Europeanen spannen daarbij de kroon: gemiddeld gooien we zo’n 16,2 kg per persoon per jaar weg. Kleine kanttekening: Europa heeft met 42,5% ook de hoogste recyclagegraad ter wereld.

Recyclage en circulaire economie zijn dus maar een gedeeltelijke oplossing. Daarom wijzen heel wat onderzoekers op het belang van afbreekbare elektronica.

Elektronica die afbreekbaar is? Dat klinkt misschien als sciencefiction, maar er gebeurt vandaag heel wat onderzoek naar. Robin Bonné, biofysicus aan de Universiteit Hasselt en Aarhus University in Denemarken, onderzoekt hoe modderbacteriën elektriciteit geleiden.

‘De natuur en ons lichaam zitten vol met elektriciteit,’ vertelt Bonné. ‘Er zijn steeds meer organische materialen waarvan wetenschappers ontdekken dat ze stroom geleiden. Sommige bacteriën waar we al lang mee samenleven hebben zulke eigenschappen.’

‘We staan er nu pas bij stil dat we ontzettend veel elektronisch afval creëren.’

Robin Bonné

De basis van zijn onderzoek werd gelegd in de jaren ‘80, met de ontdekking van bacteriën die anders ademen dan mensen. De meeste organismen hebben voedsel en zuurstof nodig om te overleven. Maar sommige bacteriën leven in een omgeving met weinig zuurstof, zoals de bodem van een vijver.

Deze bacteriën maken een kabel, een klein draadje zeg maar, waarmee ze zich vasthechten aan een mineraal op de bodem. Ze ademen als het ware via het materiaal door elektrische signalen te verzenden door die kabel.

‘Zelfs als de bacteriën niet in leven zijn geleiden zulke kabels stroom’, vertelt Bonné. ‘Het nadeel is dat die kabels erg kort zijn, enkele micrometers.’

In 2012 ontdekten onderzoekers een nieuwe bacterie: de kabelbacterie. Die bestaat uit tienduizenden cellen die samen enkele centimeters lang zijn en stroomdraadjes over haar lichaam heeft lopen.

bron: Youtube (screenshot)

Een bacteriekabel geleidt niet beter dan een metalen kabel, maar hij werkt naar behoren. Ook heeft de kabelbacterie eigenschappen van zogenaamde halfgeleiders, de basis van onze hedendaagse elektronica.

‘We stellen vast dat de geleiding verandert naargelang de temperatuur, wat lijkt op hoe een halfgeleider werkt’, zegt Bonné. ‘De kabelbacterie reageert op een extern elektrisch veld. Dat heeft een invloed op hoe de stroom door dat kabeltje loopt. In theorie zouden we dus een transistor (zie kader) kunnen nabouwen. Dan wordt het écht interessant.’

Transistoren?

Transistoren zijn de basis van een microchip. Het zijn een soort elektronische poorten die stroom doorlaten of tegenhouden. Ze worden gemaakt uit halfgeleiders, zoals silicium. In onze smartphones en computers zitten miljarden van zulke transistoren.

Bonné droomt ervan om zulke transistoren biologisch afbreekbaar te maken. ‘We staan er nu pas bij stil dat we ontzettend veel elektronisch afval creëren. Het is maar een kwestie van tijd voordat we dat biologische afbreekbaar kunnen maken.’

‘We kunnen nu al bacteriën dat soort kabels laten maken in laboratoria. Het duurt nog wel even voordat we dat proces kunnen omzetten in elektronica, de praktische stappen moeten nog worden gezet.’

Polymeren

Die stappen proberen onderzoekers aan de Amerikaanse Stanford University alvast te zetten. Doctoraatsstudente Jerika Chiong verdiept zich in de productie van afbreekbare halfgeleiders. ‘Het is erg moeilijk om elektronische onderdelen afbreekbaar te maken. We proberen nu nieuwe polymeren te ontwerpen om dat te doen.’

Polymeren zijn een vaak voorkomende verbinding van moleculen waaruit heel wat kunststoffen zijn opgebouwd. Chiong wil dus nieuwe kunststoffen maken die halfgeleidende kenmerken hebben én afbreekbaar zijn, bijvoorbeeld in een bad van azijn. Ze zijn dus niet biologisch afbreekbaar, zoals de bacteriën van Robin Bonné, maar wel afbreekbaar onder bepaalde omstandigheden.

Die zoektocht is moeilijk, vertelt de doctoraatsstudente. ‘We hebben al bewijs dat die polymeren halfgeleidend kunnen zijn, maar we zijn nog niet zeker of ze de standaarden van commerciële elektronica zullen halen.’

Ook zullen de onderzoekers moeten nagaan of de afgebroken materialen biologisch goedaardig zijn. ‘Het kan nog enkele jaren duren voordat we daar meer duidelijkheid over hebben’, besluit Chiong.

Elektronica op papier

Een andere piste is om elektronische circuits te printen op biologisch afbreekbare materialen. ‘Dat werkt op dezelfde manier als de printer die je thuis gebruikt’, vertelt Ryoichi Ishihara, associate professor aan de TU Delft.

‘We printen transistoren op zowat alles. Eerst deden we dat op glas, om displays te maken, daarna op buigbaar plastic. De volgende stap is om transistoren op papier te printen.’

Ryoichi Ishihara: ‘We printen transistoren op zowat alles. Eerst deden we dat op glas, om displays te maken, daarna op buigbaar plastic. De volgende stap is om transistoren op papier te printen.’ (Op de foto een display, gedrukt op buigbaar plastic in de Staatsuniversiteit van Arizona

U.S. Army RDECOM / Wikimedia (CC BY 2.0)

Ishihara en zijn team gebruiken daarbij hoogwaardige, industriële printers om kleine hoeveelheden halfgeleidende materialen op een biologisch afbreekbare basis te printen. Ze gebruiken dus nog altijd niet-afbreekbare materialen, zoals silicium, maar de gebruikte hoeveelheid is gevoelig kleiner dan bij de normale productie van elektronica.

‘We moeten eerst de recyclageketen optimaliseren, voordat we aan afbreekbaarheid denken.’

Karel Van Acker

Gerardo Hernández-Sosa en zijn team aan de Karlsruhe Institute of Technology in Duitsland print eveneens elektronica op een biologisch afbreekbare basis. ‘We hebben een digitaal klokje geprint’, vertelt hij.

‘Een hd-display is te complex voor ons universiteitslaboratorium, maar we maakten wel degelijk een display waarop je het uur kan aflezen. De uitdaging was om voor elk materiaal een milieuvriendelijke optie te kiezen.’

Toch ziet Hernández-Sosa in de komende tien jaar geen geprinte smartphone verschijnen. ‘Een kleine display of een sensor kan perfect worden geprint. Idealiter toepassingen waarvoor het systeem vrij regelmatig moet worden vervangen. Denk maar aan draagbare elektronica om je gezondheid op te volgen. Of pakweg sensoren die in de landbouw of buitenshuis worden gebruikt.’

Op termijn hoopt Hernández-Sosa zelfs afbreekbare medische implantaten te maken die na verloop van tijd in het lichaam worden opgenomen.

Recyclage

Biologisch afbreekbare elektronica, het klinkt veelbelovend. Toch zal het nog even duren voordat we ermee aan de slag kunnen. Het is bovendien nog maar de vraag of we smartphones of computers volledig afbreekbaar kunnen maken. Daarnaast moet deze technologie nog de stap zetten naar massaproductie. En dat kan weleens jaren duren.

‘Afbreekbare elektronica zijn geen gimmick.’

Robin Bonné

Karel Van Acker, professor circulaire economie aan de KU Leuven, is alvast terughoudend. ‘Een goede recyclageketen opzetten is het eerste wat je doet. Ook moet je goed zien dat de technologie op punt staat en dat er geen schadelijke stoffen worden vrijgegeven na de afbraak. We moeten eerst de recyclageketen optimaliseren, voordat we aan afbreekbaarheid denken.’

Is afbreekbare elektronica dan nutteloos? ‘E-waste is nog lang niet opgelost’, werpt Ishihara tegen. ‘Ik betwijfel dat recycleren alleen het probleem zal oplossen. Er is namelijk een grens aan wat je kan hergebruiken. Niet alle producten kan je recycleren, er gaan dus nog heel wat dingen verloren. We moeten natuurlijk recycleren. Maar als we e-waste vermijden in de eerste plaats, via afbreekbare elektronica, is dat een grote stap.’

Afbreekbare elektronica zijn geen gimmick, zegt Robin Bonné. ‘Natuurlijk moeten we nog een heel aantal stappen zetten. We gooien nu veel elektronica weg, en we kunnen zo niet voortdoen. We hebben een nieuw model van elektronica nodig.’

Dit artikel werd gerealiseerd met de steun van het Fonds Pascal Decroos voor bijzondere journalistiek.