Análisis De Los Costes Medioambientales Y Los Impactos De La Tecnología

costo de fabricación avanzada

Con cada nueva tecnología hay costos e impactos ambientales a considerar, y eso es exactamente lo que MIT El grupo de investigación de Fabricación Ambientalmente Benigna lo hace. Al realizar evaluaciones del ciclo de vida de forma rutinaria y observar un producto de principio a fin, incluidas todas las fases de la vida, el equipo de investigación espera garantizar la mejora del medio ambiente.

Para Tim Gutowski, la fabricación avanzada es una oportunidad no solo para impulsar el empleo, sino también para mejorar el medio ambiente.

Gutowski dirige el grupo de investigación de Fabricación Ambientalmente Benigna del MIT, que analiza los costos e impactos ambientales asociados con la fabricación de materiales tradicionales como el hormigón y el acero, así como tecnologías avanzadas y emergentes como semiconductores, energía fotovoltaica y nanomateriales como los nanotubos de carbono.

El grupo de Gutowski ha pasado más de una década estudiando los impactos ambientales de la fabricación a través del análisis del ciclo de vida, un enfoque de sopa a nueces que calcula los costos ambientales de un producto a lo largo de su vida útil: desde la extracción de materias primas hasta la potencia de los procesos industriales para fabricar el producto y, finalmente, los impactos asociados al consumo del producto a gran escala.

Los investigadores realizan habitualmente evaluaciones del ciclo de vida de las industrias tradicionales, como la fabricación de automóviles y la producción de madera. Estas industrias han existido durante décadas y Gutowski dice que la información sobre sus procesos de fabricación es relativamente fácil de obtener. Sin embargo, dice, es difícil calcular los costos ambientales asociados con tecnologías más nuevas que aún no han alcanzado el punto de producción en masa.

“Con los nuevos procesos que evolucionan, no sabemos cómo será todo ese viaje, así que hay un desafío ahí”, dice Gutowski. “No creo que sea imposible, y no es demasiado pronto para empezar a pensar en ello”.

Aumento de energía

Tomemos, por ejemplo, los nanotubos de carbono: láminas de moléculas de carbono enrolladas en cilindros. Estos diminutos tubos huecos tienen propiedades ópticas, eléctricas y mecánicas inusuales; Los científicos están explotando su fuerza y ​​flexibilidad para aplicaciones que incluyen ropa a prueba de balas, cables eléctricos superconductores y andamios para huesos y músculos artificiales.

En su mayor parte, los nanotubos de carbono se han mostrado prometedores en el laboratorio. Pero Gutowski dice que los investigadores deben descubrir cómo aumentar la producción de la tecnología si alguna vez se va a adoptar ampliamente. Para hacer esto, dice, se necesita saber cuánta energía se requiere para producir el material a gran escala.

En 2010, el grupo de Gutowski calculó las necesidades energéticas para la producción de nanotubos de carbono. No había muchos datos con los que trabajar, ya que el campo era relativamente nuevo y mucha información era propietaria. Pero los investigadores encontraron datos publicados por un grupo de la Universidad de Rice que describen las condiciones utilizadas para procesar nanotubos, incluidos los índices de flujo y los rangos de temperatura y presión. Usando las leyes de la termodinámica, el grupo de Gutowski calculó la energía mínima requerida para ejecutar cada paso en el proceso de producción.

“Descubrimos que los requisitos energéticos hacían de los nanotubos de carbono uno de los materiales más intensivos en energía del planeta”, dice Gutowski. “Está en el rango de oro o platino”.

Explica que estos valores de uso intensivo de energía se deben en gran medida a los bajos rendimientos de los nanotubos de carbono: es necesario procesar una gran cantidad de gas a temperaturas y presiones muy altas para producir solo unos pocos microgramos del producto. Gutowski observa que en el corto tiempo transcurrido desde su estudio de 2010, los investigadores ya han experimentado una “curva de aprendizaje muy rápida”, mejorando significativamente el rendimiento de los nanotubos y la eficiencia energética.

Microchips versus tapas de alcantarilla

Aún así, hay margen de mejora, y no solo en la fabricación de nanotubos de carbono. En 2009, el grupo de Gutowski descubrió que los procesos involucrados en la fabricación de nuevas tecnologías, como semiconductores y paneles solares, son mucho menos eficientes que los de productos más tradicionales como tapas de registro y neumáticos de automóviles. Específicamente, el grupo descubrió que los procesos avanzados, por ejemplo, deposición de vapor y grabado, requieren más energía por unidad de material procesado que muchas técnicas más antiguas, como la fundición y el mecanizado.

Gutowski también descubrió que las tecnologías más nuevas a menudo requieren muchos más pasos en el proceso de fabricación que no contribuyen directamente a la fabricación del producto. Por ejemplo, después de hacer un lote de microchips en una cámara, los fabricantes pueden pasar un gas a través de la cámara para purificarlo para el siguiente lote, un paso que consume mucha energía y que aumenta significativamente el costo energético del dispositivo.

“Parece ser un indicio de que de alguna manera no estamos fijando el precio de la energía y los materiales correctamente”, dice Gutowski.

Todo esto se suma a una imagen bastante compleja. Por un lado, los pasos de procesamiento que consumen mucha energía podrían producir más emisiones de las centrales eléctricas. Por otro lado, las tecnologías más nuevas se fabrican con rendimientos relativamente bajos, ni cerca de la escala a la que se fabrican los materiales tradicionales como el acero.

Para evaluar el impacto ambiental total de un producto, Gutowski dice que también es necesario observar lo que él llama la “fase de uso”: cómo un consumidor usa un producto determinado. Por ejemplo, si bien la fabricación de paneles solares requiere mucha energía, los propios paneles compensan esa energía, y algo más, una vez que se ponen en uso.

“Tienes que mirar un producto de principio a fin, incluidas todas las fases de la vida”, dice Gutowski. “¿Qué más beneficio puede obtener de él? Eso puede superar la energía invertida “.

Julian Allwood, profesor titular de la Universidad de Cambridge, dice que el enfoque de Gutowski sobre los impactos ambientales de la fabricación es de “escepticismo suave”.

“El trabajo de Tim se caracteriza por una enorme integridad y atención al detalle”, dice Allwood. “Cuando alguien afirma que alguna nueva dirección podría mostrar beneficios ambientales, su instinto es cuestionar eso cuidadosamente y, como resultado, ha publicado una serie de artículos de gran valor. … A menos que busquemos esta visión más amplia, podemos fácilmente tomar decisiones muy malas, donde el impacto ambiental general empeora ”.

Imagen: Oficina de noticias del MIT

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