Когда компьютер или телефон, которым вы сейчас пользуетесь, мигает в последний раз и вы отдаете его на переработку, знаете, что происходит?

В центре переработки мощные магниты вытащат сталь. Вращающиеся барабаны выбросят алюминий в мусорные баки. Медные провода будут аккуратно сложены для перепродажи. Но по мере того, как конвейерная лента продолжает вращаться, крошечные крупинки ценных, менее известных материалов, таких как галлий, индий и тантал, останутся.

Эти крошечные крупинки — критически важные материалы . Они необходимы для создания новых технологий, и в США их не хватает. Их можно было бы использовать повторно, но есть проблема: современные методы переработки делают извлечение критически важных минералов из электронных отходов слишком дорогим или опасным, поэтому многие переработчики просто пропускают их.

К сожалению, большинство этих трудноперерабатываемых материалов оказываются захороненными на свалках или смешиваются с такими продуктами, как цемент. Но так быть не должно. Новые технологии начинают менять ситуацию.

Поскольку спрос на эти критически важные материалы продолжает расти, выброшенная электроника может стать ценным ресурсом. Мои коллеги и я в Университете Западной Вирджинии разрабатываем новую технологию, чтобы изменить то, как мы перерабатываем . Вместо использования токсичных химикатов наш подход использует электричество, что делает восстановление критически важных материалов из электроники более безопасным, чистым и доступным.

О каком количестве электронных отходов идет речь?

Согласно последним федеральным данным, в 2018 году американцы произвели около 2,7 млн ​​тонн электронных отходов . Включая неучтенную электронику, исследование ООН показывает, что США перерабатывают лишь около 15% от общего объема электронных отходов.

Хуже того, почти половина электроники, которую люди в Северной Америке отправляют в центры переработки, в конечном итоге отправляется за границу. Часто она оказывается на свалках, где рабочие могут использовать опасные методы, такие как сжигание или выщелачивание с использованием едких химикатов, чтобы извлечь ценные металлы. Эти методы могут нанести вред как окружающей среде, так и здоровью рабочих . Вот почему Агентство по охране окружающей среды ограничивает эти методы в США .

Крошечные пятнышки имеют значение

Критические минералы присутствуют в большинстве технологий вокруг вас. Каждый экран телефона имеет сверхтонкий слой материала, называемого оксидом индия и олова. Светодиоды светятся из-за металла, называемого галлием. Тантал хранит энергию в крошечных электронных деталях, называемых конденсаторами.

Все эти материалы отмечены как « высокий риск » в списке критических материалов Министерства энергетики США . Это означает, что США в значительной степени зависят от этих материалов для важных технологий, но их поставки могут быть легко нарушены из-за конфликтов, торговых споров или дефицита.

В настоящее время лишь несколько стран , включая Китай, контролируют большую часть добычи, переработки и восстановления этих материалов, что делает США уязвимыми, если эти страны решат ограничить экспорт или повысить цены.

Эти материалы тоже недешевы. Например, Геологическая служба США сообщает, что галлий стоил от 220 до 500 долларов США за килограмм в 2024 году . Это в 50 раз дороже, чем обычные металлы, такие как медь, по 9,48 долларов США за килограмм в 2024 году .

Революция переработки отходов с помощью микроволн

На кафедре машиностроения, материаловедения и аэрокосмической техники Университета Западной Вирджинии мы с материаловедом Эдвардом Сабольски задали простой вопрос: можно ли найти способ нагревать только определенные части электронных отходов, чтобы извлечь эти ценные материалы?

Если бы мы могли сосредоточить тепло лишь на крошечных крупинках критически важных минералов, мы могли бы легко и эффективно перерабатывать их.

Решение , которое мы нашли : микроволновые печи.

Это оборудование не сильно отличается от микроволновых печей, которые вы используете для разогрева пищи дома, просто они больше и мощнее. Базовая наука та же самая — электромагнитные волны заставляют электроны колебаться, создавая тепло.

Однако в нашем подходе мы не нагреваем молекулы воды, как вы это делаете при приготовлении пищи. Вместо этого мы нагреваем углерод, черный осадок, который собирается вокруг пламени свечи или выхлопной трубы автомобиля. Углерод нагревается в микроволновке гораздо быстрее, чем вода. Но не пытайтесь повторить это дома; ваша кухонная микроволновка не рассчитана на такие высокие температуры.

В нашем методе переработки мы сначала измельчаем электронные отходы, смешиваем их с материалами, называемыми флюсами, которые улавливают примеси, а затем нагреваем смесь микроволнами. Микроволны быстро нагревают углерод, который поступает из пластика и клея в электронных отходах. Это заставляет углерод реагировать с крошечными частицами критических материалов. Результат: крошечный кусочек чистого губчатого металла размером с рисовое зерно.

Затем этот металл можно легко отделить от оставшихся отходов с помощью фильтров.

На сегодняшний день в ходе наших лабораторных испытаний мы успешно извлекли около 80% галлия, индия и тантала из электронных отходов с чистотой от 95% до 97% . Мы также продемонстрировали, как это можно интегрировать с существующими процессами переработки.

Почему Министерство обороны заинтересовано

Наша технология переработки зародилась благодаря программе, финансируемой Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA).

Многие важные технологии, от радарных систем до ядерных реакторов, зависят от этих специальных материалов. Хотя Министерство обороны использует их меньше, чем коммерческий рынок, они представляют собой проблему национальной безопасности.

Мы планируем запустить более крупные пилотные проекты, чтобы проверить метод на платах смартфонов, деталях светодиодного освещения и серверных картах из центров обработки данных. Эти тесты помогут нам отточить конструкцию для более крупной системы, которая сможет перерабатывать тонны электронных отходов в час вместо нескольких фунтов. Это может означать производство до 50 фунтов этих критически важных минералов в час из каждой тонны переработанных электронных отходов.

Если технология будет работать так, как ожидается, мы считаем, что такой подход может помочь удовлетворить спрос страны на критически важные материалы.

Как сделать переработку электронных отходов общепринятой

Одним из способов, с помощью которого переработка электронных отходов могла бы стать более распространенной, является то, что Конгресс возложит на компании, производящие электронику, ответственность за переработку своей продукции и восстановление критически важных материалов внутри. Закрытие лазеек, позволяющих компаниям отправлять электронные отходы за границу вместо их безопасной переработки в США, также могло бы помочь создать резерв восстановленных критически важных минералов.

Но самое большое изменение может произойти из-за простой экономики. Как только станет доступной технология для быстрого и доступного извлечения этих крошечных, но ценных крупинок критически важных материалов, США смогут преобразовать внутреннюю переработку и сделать большой шаг к решению проблемы нехватки критически важных материалов.