Las luces LED podrían contribuir a reducciones masivas de carbono

Sep 04, 2023

La última década ha visto un cambio de paradigma en la forma en que el mundo ve la iluminación. Los hogares, las oficinas y las calles han apagado las luces incandescentes y fluorescentes que derrochaban y exponían a los usuarios y al medio ambiente a la contaminación tóxica.

En su lugar, los científicos del clima y los gobiernos han promovido las bombillas de diodos emisores de luz (LED) para hacer frente al creciente consumo de electricidad, del cual alrededor del 20 % proviene de la iluminación, lo que representa el 6 % de las emisiones mundiales de carbono. Sin la adopción de LED, el consumo mundial de energía para iluminación podría aumentar un 60 % para 2030.

Gracias al uso del material nitruro de galio, que produce luz azul y ganó a sus inventores el Premio Nobel de Física, los LED utilizan aproximadamente un 75 % menos de electricidad y duran 25 veces más que las formas anteriores de iluminación.

"Los LED azules son increíblemente eficientes", dice Rachel Oliver, profesora de ciencia de los materiales en la Universidad de Cambridge. En 2017, los analistas de IHS Markit, un servicio de información climática, dijeron que el cambio a LED fue responsable de una reducción en las emisiones de 500 millones de toneladas de CO2 ese año, equivalente al cierre de 162 centrales eléctricas de carbón.

Los LED constituyen más de la mitad de las ventas de luz en todo el mundo, según la Agencia Internacional de Energía, que encamina la iluminación para alcanzar sus escenarios de cero neto para 2030. Eso también deja mucho espacio para el crecimiento. Además de eso, las personas y las empresas están utilizando más iluminación que nunca, por lo que es probable que la tecnología elegida para iluminar a la sociedad deba implementarse en cantidades mucho mayores que las que existen actualmente. La velocidad también es importante, ya que la AIE estima que un escenario de cero neto depende de que los LED representen todas las ventas de iluminación para 2025.

A pesar de la adopción generalizada de la tecnología, en todo el mundo, prácticamente ningún LED se recicla o reutiliza para sus piezas. La mayor parte del desarrollo de las luces LED se lleva a cabo a puerta cerrada y los investigadores se sorprendieron al descubrir qué materiales terminan en las luces que compran.

El camino por recorrer para los LED estará determinado por la capacidad de diseñar luces que sean aptas para el reciclaje, para que duren el mayor tiempo posible y para reducir los efectos nocivos que la contaminación lumínica tiene sobre la salud humana y los ecosistemas. Encontrar los materiales necesarios para producirlos podría hacer que las empresas reconsideren tanto los desechos mineros como los desechos posconsumo.

"El nitruro de galio es un material muy bueno para hacer luces muy eficientes, y queremos luces muy eficientes porque es una buena manera de reducir los costos de carbono", dice Oliver, quien también dirige el Centro de Nitruro de Galio de Cambridge. "Entonces, ¿cómo hacemos que vivan más tiempo para que no tengamos que usar tantos? ¿Y cómo los hacemos para que estén diseñados para ser reciclables desde el principio?"

El éxito de los LED depende de algo más que el galio y el nitrógeno, que existen como manchas en las luces LED. Las bombillas, los tubos y las tiras de luces que usan LED reúnen una docena de metales obtenidos y enviados desde todo el mundo, generalmente a países de Asia para su fabricación. Muchos de estos materiales se producen en pequeñas cantidades como subproductos de la minería. En total, las luces LED que caben en la palma de tu mano son delicadas creaciones de más de una docena de elementos.

La electricidad ingresa a una bombilla LED a través de cables de cobre, llega a un lado del diodo y atrae al otro lado para compartir electrones. La combinación de los dos materiales produce luz, y con indio y aluminio adicionales, es más probable que los diodos se combinen y produzcan una luz más brillante. Soldado en una placa de circuito impreso con oro, cobalto, antimonio, magnesio, arsénico y cadmio y aún más galio.

El diodo en sí solo produce luz azul, pero los tonos amarillo y naranja suelen ser más preferibles en interiores. Una capa adicional de fósforo o transparente que contiene itrio, aluminio, granate y algo de cerio filtra la luz azul, dejando los colores más cercanos al blanco. Las combinaciones de bario, estroncio, cadmio y europio pueden producir colores rojos, y el cerio y el lutecio pueden producir tonos más amarillo verdosos.

Los científicos están centrando sus esfuerzos en la investigación de fósforos que podrían producir formas saludables de luz. Demasiada luz azul puede disminuir la producción de melatonina e interrumpir los ciclos de sueño humanos. La luz azul también penetra en el agua más profundamente que otras longitudes de onda de luz, lo que se ha descubierto que impide la reproducción en los arrecifes de coral y distorsiona los relojes biológicos.

Luego, los materiales se encierran en una carcasa de plástico, aluminio y vidrio, que constituyen la mayor parte del material en peso. Cuando un equipo de ingenieros en Brasil deconstruyó bombillas LED para estimar su valor para los recicladores, se sorprendieron al encontrar altas concentraciones de metales preciosos y críticos. La concentración de oro por tonelada de bulbos fue 16 veces mayor que en los minerales naturales típicos. Este año, investigadores en India estimaron que una tonelada de diodos contiene materiales equivalentes a 7,8 toneladas de mineral de galio, 3,2 toneladas de mineral de indio y 42 toneladas de mineral de oro.

La pesada carga que los LED suponen para la minería surge porque muchos de los elementos de los LED se extraen como subproductos del mineral que contiene concentraciones muy pequeñas de cada elemento. Hasta hace poco, había poco conocimiento sobre el origen de algunos de los componentes más importantes de estas luces. Existen abundantes recursos, dicen los expertos, y solo es cuestión de encontrarlos.

El galio proviene principalmente del mineral de bauxita, que se utiliza para producir aluminio. Después de fundir la bauxita para producir alúmina, una empresa puede optar por dar un paso adicional para extraer sus componentes de galio antes de que se desperdicien cuando se refina en aluminio. Aun así, solo se puede recuperar el 10% del galio en el mineral.

El galio también se usa en las placas de circuito impreso en LED y muchos otros dispositivos electrónicos. Sin embargo, a medida que el mercado de teléfonos inteligentes se satura, es probable que la participación de LED en el mercado muestre el mayor crecimiento, dice Brian Jaskula, especialista en galio del Servicio Geológico de EE. UU.

Al igual que el galio, la producción de indio no supera las 1.000 toneladas en un año. Si una refinería no lo extrae del mineral de zinc, termina como desecho, generalmente vertido en una pila de desechos o relaves. A menudo es tan invisible en el mineral que las empresas lo ignoran. Tanto el galio como el indio están en las listas de materiales críticos en los EE. UU., Canadá, Australia y la UE.

"Si ya lo estamos moviendo y extrayendo, entonces seguramente, desde el punto de vista de la sostenibilidad, es mejor extraerlo que simplemente tirarlo en una pila de desechos y tener que volver a visitarlo más tarde", dice Simon Jowitt, geólogo de la Universidad de Nevada. Las Vegas. Jowitt ha trabajado para desarrollar métodos para identificar lugares en el mundo donde dichos "metales secundarios" podrían extraerse de los desechos o de las minas actualmente en funcionamiento.

Los materiales derivados son difíciles de rastrear antes de que se extraigan por completo como un producto comercializable. China domina la producción de indio y galio, debido a su sólida industria de aluminio y zinc, pero importa los elementos en concentrados de todo el mundo. Su bauxita proviene principalmente de Guinea, Australia e Indonesia, una cadena de suministro construida después de que las regulaciones ambientales nacionales hicieran que la extracción de bauxita fuera demasiado costosa. En Guinea, el mayor proveedor de bauxita de China, las empresas desplazaron a los lugareños para construir minas y, después de una toma militar, el gobierno presionó a China para que pagara regalías más altas por su minería.

El suministro de indio es más turbio, y los expertos deben inferir la fuente de indio a partir de las fuentes de zinc y los productores de indio, que son principalmente China y Corea del Sur.

Con el despliegue omnipresente de las luces LED, existe un gran potencial para el reciclaje y la recuperación eficiente de materiales. Extender la vida útil de los materiales en un LED también puede extender los beneficios de los costos ambientales y sociales integrados en el LED. Si bien el desmontaje de las bombillas incandescentes y fluorescentes por parte de los LED también ha eliminado en gran medida los metales tóxicos como el plomo y el mercurio de los hogares, muchos todavía dependen del arsénico y el cadmio, y algunos todavía usan plomo. Cuando las luces LED se envían a los vertederos, estos metales pueden llegar a las vías fluviales o dañar la vida silvestre.

La pieza más valiosa de una bombilla LED es el circuito de oro, pero extraerlo es costoso en comparación con el costo de la extracción. Si bien los demás materiales tienen valor monetario, no compiten con los precios de mercado de los materiales recién extraídos. El galio, por ejemplo, ha sido barato durante mucho tiempo, ya que la floreciente industria del aluminio de China ha permitido un exceso de oferta de galio, dice Jaskula.

"El chip de nitruro de galio se puede reciclar, pero una vez que ese chip se coloca en un LED y el LED llega al consumidor, ese galio nunca se recicla", dice Jaskula del USGS. "Si las personas creen que pueden obtener ganancias reciclando, encontrarán la manera. Si se puede ganar dinero, eso es lo que hace las cosas".

Oliver, de la Universidad de Cambridge, investigó las causas de la falla de las bombillas LED y, en casi todos los casos, el diodo no fue el problema. "Básicamente, descubrimos que los LED aún funcionaban perfectamente, pero las cosas que los rodeaban, como los cables que los unían al mundo exterior, se habían desprendido", dice ella. Los LED que se desechan aún pueden tener un diodo funcional que podría reutilizarse. Extender la vida útil de un LED depende de la mecánica del marco de plástico y aluminio, pero la AIE señala que también podría destruir los modelos comerciales de las empresas para vender luces continuamente.

En India, uno de los mayores mercados de iluminación LED, los ciudadanos adoptaron la tecnología a un ritmo que sorprendió incluso a los defensores más optimistas. Sin embargo, la mayoría de las luces LED provenían de China, donde la presión para reducir los costos también condujo a una reducción de la calidad. La vida útil de las bombillas se redujo de 8 años a 3 años al mismo tiempo que los LED se extendieron por todo el país.

Debido al diseño de los LED con componentes minúsculos, los procesos de reciclaje actuales no pueden convertirlos en materiales reutilizables a un nivel aceptable para las empresas. Una simulación de recuperación de materiales utilizando las tecnologías disponibles en 2020 descubrió que solo era económicamente viable recuperar el 55 % de los materiales. Los métodos están mejorando y los investigadores señalan que la conciencia pública sobre los sistemas de deconstrucción y reciclaje puede mejorar los problemas.

Sin embargo, el reciclaje debe ser el último recurso de todas las técnicas de economía circular, según una revisión de los diseños de LED y las tecnologías de reciclaje. Las empresas, los consumidores y los gobiernos pueden concentrarse en reparar y reutilizar los materiales en su forma actual, considerando que los diodos pueden durar algunas décadas y los marcos se degradan más rápidamente. Por ejemplo, los investigadores han propuesto que los usuarios puedan intercambiar marcos y guardar sus diodos para que duren varias veces más. Las placas de circuito que se sueltan fácilmente o los diodos que se pueden separar electroquímicamente son otras posibles opciones de diseño para hacer que las bombillas sean más fáciles de reciclar.

"Me complace decir que toda la investigación en esta área deja muy claro que las mejoras energéticas dramáticas de los LED superan con creces las preocupaciones ambientales, y animo a las personas a actualizarse a LED, incluso si aún no son perfectamente reciclables", dice Heather. Dillon, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Washington Tacoma, que ha estudiado el rendimiento de los productos de iluminación.

Imagen del cartel: Diferentes tipos de bombillas LED de filamento. Imagen de Federica Giusti a través de Unsplash (Dominio público).

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