Проблемы экологии в связи с развитием компьютерной техники

1. Проблемы экологии в связи с развитием компьютерной техники Компьютеризация мирового сообщества привела к созданию единого информационного пространства, к расширению возможностей человека как индивидуума, способствует развитию научно-технического комплекса. Одновременно компьютеризация является ресурсопотребляющей отраслью, что обеспечивает непрерывное и быстрое совершенствование компьютерной техники на базе использования различных материалов: черных, цветных, драгоценных, редкоземельных металлов, и различных пластмасс. 1.Важнейшими лимитирующими факторами в условиях глобальной компьютеризации мирового сообщества, является степень разрушения литосферы, вытеснение флоры и фауны в результате поиска, разработки и добычи полезных ископаемых, получении материалов, необходимых для изготовления компьютерной техники. При производстве материалов технологические процессы отрицательно влияют на атмосферу, гидросферу и литосферу, выделяя в больших объемах вредные вещества и отходы производства. Постепенно возрастает загрязнение атмосферы, гидросферы и литосферы за счет утилизации, переработки и захоронения материалов компьютерной техники после окончания срока эксплуатации. При изготовлении компьютерной техники, производства модулей, блоков, печатных плат технологические процессы отрицательно влияют на окружающую среду, потребляя невосполнимые запасы топлива, химические вещества и запасы воды, загрязняя атмосферу, гидросферу и образуя промышленные отходы. Для производства одного ПЭВМ (системный блок, монитор, принтер) с общим весом 24 кг требуется на технологические расходы 240 кг ископаемого невосполнимого топлива для необходимых энергоносителей, 22 кг химических веществ и 1500 кг воды. После окончания срока эксплуатации компьютерной техники, образуется лом, одна тонна которого содержит 480 кг черных металлов, 200 кг меди, 32 кг алюминия, 32 кг серебра, 1 кг золота, остальное – 33 элемента таблицы Менделеева Д.И. По данным Microelectronic and Computer Technology Corporation при изготовлении компьютерной техники используют бериллий, алюминий, титан, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, галлий, германий, мышьяк, селен, ниобий, рутений, родий, палладий, серебро, кадмий, индиум, олово, барий, европий, тантал, платина, золото, ртуть, свинец, висмут, актиний. 2. Согласно Ю. Одума ландшафт не только «склад калорий», но и дом, в котором мы все живем и поэтому следует сохранить одну треть суши как охраняемое открытое пространство в качестве национальных парков, заповедников, зеленых зон, участков дикой природы, что при добыче и переработке с учетом разнообразия технологий большого количества элементов таблицы Менделеева Д.И. чрезвычайно проблематично. 3.Самоограничение использование земли является прообразом природорегулирующего механизма, называемого «территориальным поведением». Постоянно расширяющаяся и нарастающая компьютеризация мирового сообщества (добыча и переработка материалов, изготовление деталей, загрязнение отходами, увеличение расхода энергоносителей) не способна к самоограничению использования земли и исключает такой лимитирующий фактор, как «территориальное поведение». 4. Согласно второму началу термодинамики, компьютеризация мирового сообщества – прямой путь к деградации, повышение энтропии внешней среды. При сплошной компьютеризации мирового сообщества, вступает в силу «Закон убывающей отдачи» Тюри Мальтуса, который формулируется как «Повышение удельного вложения энергии (повышение энергоемкости) в экосистему не дает адекватного увеличения продуктивности». Это происходит в силу увеличения энергоемкости при переработке и подготовке материалов к использованию, увеличение расхода энергии при эксплуатации и утилизации. 5. Энергообеспечение компьютеризации мирового сообщества обуславливает использование топлива, что приводит к следующим негативным явлениям: постоянно расходуются запасы невозобновляемого топлива; получение энергии сопровождается увеличением количества углекислого газа (СО2); образуется большое количество загрязняющих веществ; повышается энтропия в гелиосфере. Рост сжигания ископаемого топлива и выбросов в атмосферу загрязняющих веществ, образование углекислого газа привело к возникновению болезней человека респиративного характера, смогу, кислотным дождям и глобальному изменению климата. 6.Высокотехнологичные отрасли промышленности, в первую очередь, производство компьютерной техники постоянно требуют, и эта тенденция будет сохраняться, новые материалы, разработка и получение которых расширяет экологически вредные процессы от добычи до изготовления деталей, что обуславливает нарушение равновесного состояния. Продление экологического разрушения в результате компьютеризации мирового сообщества может быть замедлено созданием «экологически чистых» компьютеров. Разработка и производство «экологически чистых» компьютеров может быть обеспечено складывающимися следующими направлениями: 1. сокращением номенклатуры элементов таблицы Д.И.Менделеева на стадии изготовления отдельных деталей компьютерной техники; 2. разработкой новых конструктивных решений и технологии программного обеспечения, снижения энергоносителей и эмиссионных факторов (электромагнитные поля, ионизирующие и рентгеновские излучения); 3. разработкой конструкций отдельных узлов упрощающих переработку компьютерного лома и исключающих вредные вещества (хлористо-фтористые соединения и бромосодержащие вещества: кадмий, свинец, ртуть и т.д.); 4. созданием технологических процессов, обеспечивающих прецизионное извлечение элементов таблицы Д.И.Менделеева из отдельных узлов, деталей, печатных плат или замены элементов новыми материалами; 5. разработкой комбинации материалов, которая позволяет создавать дешевые сверхплотные электронные устройства памяти, которые совместят в себе органические материалы электропроводящий полимерный материал РЕДОТ) и не органические компоненты (кадмий). Согласно стандарту (EPA Energy Star VESA DPMS) монитор должен поддерживать три энергосберегающих режима – ожидание (Standby), приостановку (Suspend), и «сон» (off). Такой монитор, при долгом простое компьютера, переводится в соответствующий режим с низким энергопотреблением. Автоматизация режима работы монитора предусматривает внедрение режима Standby, т.е. временное гашение экрана, переключение режима ожидания, при перемещении мыши, нажатии клавиши клавиатуры, поступлении сообщения по факсу или электронной почте, распечатке документа в рабочий режим. Компьютеризация мирового сообщества привела к созданию единого информационного пространства, к расширению возможностей человека как индивидуума. Наряду с решением вопросов жизнеобеспечения на самом высоком уровне, компьютеризация, как и любая другая наукоемкая технология, привела к гамме факторов, приводящих к отрицательному воздействию на природу и человека, как составной части. Отрицательное воздействие на природу образовавших вредных факторов создают необратимые процессы в глобальной и локальной экологических системах, последствия которых сегодня трудно предугадать. Необходимость постановки и изучения проблем экологии при компьютеризации мирового сообщества обусловлено, прежде всего, тем, что «цикл жизни» компьютерной техники — это не только его эксплуатация, но производство и утилизация после окончания срока эксплуатации. Экологическая оценка компьютерной техники должна рассматриваться на стадиях разработки и получения необходимых материалов, изготовления, эксплуатации, утилизации и переработке компьютерного лома после окончания срока эксплуатации Производство, эксплуатация, утилизация и переработка компьютерной техники после окончания срока эксплуатации с точки зрения загрязнения природы проходят следующие стадии: 1. На первой стадии при разработке и добыче сырья для производства черных, цветных и редких металлов происходит разрушение окружающей среды (уничтожаются или вытесняются флора и фауна, разрушается рельеф местности, истощаются недра земли). 2. На второй стадии при разработке сырья, технологические процессы производства металлов и материалов отрицательно влияют на окружающую среду, выделяя в больших объемах пыль и вредные вещества в атмосферу и гидросферу, создают большое количество промышленных отходов. 3. На третьей стадии при изготовлении компьютерной техники производство модулей, блоков, печатных плат технологические процессы отрицательно влияют на окружающую среду, выделяя вредные вещества в атмосферу, гидросферу и создают промышленные отходы. 4. На четвертой стадии при эксплуатации компьютерной техники, возникают три фактора, отрицательно влияющих на окружающую среду: · возрастает номенклатура и количество расходных материалов; · широкий спектр различных излучений, который оказывает отрицательное воздействие не только на конкретного пользователя, но и на все население, усиливая «электросмог»; усиление «электросмога» в мегаполисе повышает вероятность сердечно-сосудистых заболеваний, нарушение центральной нервной системы, приводит к повышенной утомляемости людей; · повышение расхода электроэнергии, а, следовательно, всех энергоносителей. Расход энергии в США, по данным исследований, увеличился в восемь раз. 5. На пятой стадии после окончания срока эксплуатации компьютерной техники, возникают проблемы утилизации и переработки отдельных блоков, модулей, блоков, печатных плат, а также извлечение редких металлов из перечисленных узлов. Известно, что одна тонна компьютерного лома содержит 480 кг черных металлов, 200 кг меди, 32 кг алюминия, 32 кг серебра, 1кг золота, остальное 33 элемента таблицы Д. И. Менделеева, 230 кг пластмассы. Блоки, модули, печатные платы, корпуса, стойки, которые являются составной частью компьютерной техники, содержат большое количество элементов таблицы Д. И. Менделеева. По этим, далеко неполным данным, можно судить о масштабности вредного влияния на природу первых трех стадий «цикла жизни» компьютерной техники. На стадии эксплуатации компьютерной техники имеют место три основные вредные воздействия на природу: возрастание расходного материала, широкая паутина «электросмога», повышенное потребление электроэнергии. В США используется примерно 50 млн. ПЭВМ и 8 млн. лазерных принтеров, которые требуют большого расхода различных материалов. Принтеры и копировальные аппараты расходуют в год 16 млн. тонн бумаги, для изготовления которой требуется переработать 270 млн. деревьев. Источниками электромагнитных полей в мегаполисах являются: промышленные установки, радиотехнические объекты (радиовещание, радиосвязь, телевидение, радиолокация, радионавигация), медицинская аппаратура, бытовая техника, высоковольтные линии электропередач. Источники электромагнитных полей размещены густой сетью в производственных и непроизводственных сферах. Компьютеризация мирового сообщества расширяет количество источников и в совокупности с источниками электромагнитных полей в производственной и непроизводственной сферах привели к образованию так называемого «электросмога». Электромагнитные поля источников в производственной и непроизводственной сферах в совокупности с ПЭВМ, как источником, оказывают вредное воздействие на человека и живые организмы. В странах с высоким уровнем компьютеризации на офисное оборудование (в том числе ПЭВМ) приходится от 5 до 10 % общего потребления электроэнергии, при этом, согласно исследованиям агентства по защите окружающей среды при правительстве США (ЕРА) 40% от этой доли потребления электроэнергии приходится на холостой режим работы ПЭВМ. ПЭВМ и периферийные устройства увеличивают потребление электроэнергии на некоторых фирмах на 600 – 1000 %. Оценка показывает, что ПЭВМ и принтеры в США потребляют количество электроэнергии достаточную для отопления и кондиционирования воздуха более чем в двух млн. коттеджей. На стадии утилизации и переработке «компьютерного лома» возникают сложные научно-технические задачи из-за отсутствия надежной и эффективной технологии изготовления элементов из деталей ПЭВМ. Снижение негативного воздействия компьютеризации на природу может быть обеспечено складывающимися следующими направлениями: 1. сокращением номенклатуры элементов таблицы Д. И Менделеева на стадии изготовления отдельных деталей компьютерной техники; 2. разработкой и производством «экологически чистых» компьютеров; 3. созданием технологических процессов, обеспечивающих процезионное извлечение и переработку элементов таблицы Д И. Менделеева из отдельных деталей; 4. разработкой комплекса нормативных документов, стандартов безопасности и эргономики всеми государствами, которые производят и эксплуатируют компьютерную технику. Создание «экологически чистых» компьютеров предусматривает: 1. использование новых конструктивных решений и технологий программного обеспечения снижения электропотребления; 2. разработку конструкций отдельных узлов упрощающих переработку компьютерного лома и исключающих экологически вредные вещества: кадмий, ртуть, свинец, фтористо-хлористые соединения и бромсодержащие вещества; 3. создание компьютеров и программного обеспечения с минимальным уровнем эмиссионных факторов (электромагнитные поля, ионизирующие и рентгеновские излучения). 2. Выбор материалов и характеристика отходов использованных ПЭВМ Современная электронно-вычислительная техника является одним из потребителей редких, драгоценных, цветных и черных металлов. Конструкция вычислительного комплекса имеет в своем составе черные, цветные, драгоценные и редкие металлы и созданные на промышленной основе материалы. Корпус, рамы, стойки, блоки и другие вспомогательные устройства (черные металлы); провода для соединений, кабели, печатные платы, рисунок печатных плат (цветные и драгоценные металлы); электроэлементы (драго-ценные и редкие металлы); экраны мониторов с электронно-лучевой трубкой и жидкокристаллические (стекло). Выбор материала для изготовления деталей ПЭВМ обусловлен необходимостью иметь соответствующие физические и химические свойства для решения поставленной цели. В настоящее время конструкторы работают не с чистыми элементами, а со сплавами, полимерами или композитами, то есть максимально экологически чистыми материалами (экоматериалами). Экоматериал – это материал, получение и использование которого приводит к минимальному воздействию на окружающую среду, минимальному истощению ресурсов и минимальным регулирующим ограничениям для использования. В рамках этого определения целесообразно выделить шесть свойств экоматериалов: 1. наличие материала в природе; 2. возможность использовать рециклированный материал; 3. низкое потребление энергоносителей при добыче, переработке и изготовлении деталей; 4. степень воздействия на окружающую среду; 5. продолжительность использования материала; 6. отсутствие правовых ограничений на материал. 3. Энергосберегающие факторы при эксплуатации компьютерной техники Развитие компьютерных технологий приводит к резкому количественному росту средств вычислительной техники и, как следствие, к повышению времени их эксплуатации и увеличению потребления электроэнергии. Необходимо также учитывать, что офисное оборудование является одним из самых быстроразвивающихся средств в области потребления электроэнергии. В связи с этим, приобретают актуальность энергосберегающие факторы, поскольку увеличение потребления электроэнергии вызывает значительное экологическое воздействие на окружающую среду, учитываю, что большая часть потребляемой электроэнергии производится путем сжигания природного топлива, сопровождаемого выбросами в атмосферу миллионов тонн загрязняющих веществ. Такие выбросы вызывают кислотные дожди, смог, и, оказывая в целом значительное отрицательное воздействие на окружающую среду, вызывают глобальные изменения. Кроме того, добыча полезных ископаемых приводит к разрушению природной среды и нарушению экологического равновесия. Существует одна причина, по которой необходимо снизить энергозатраты – это выделение избыточного тепла, что приводит к существенному перегреву воздушной среды в помещении, изменению параметров микроклимата и отрицательному воздействию на обслуживающий персонал. Международными нормативными документами в области экономии электроэнергии являются разработанные стандарты: в США – это Energy Star, в Швеции – это TCO. Эти стандарты устанавливают максимальные уровни мощности, потребляемой монитором, в режиме экономии электроэнергии. Energy Star – это программа сертификации энергосберегающих изделий, созданная агентством по защите окружающей среды при правительстве США (ЕРА) и министерством энергетики США (DOE). В таблице представлены рекомендации ЕРА по энергосберегающим параметрам мониторов. Таблица Электропотребление по программе Energy Star Режим низкого потребления энергии Максимальная мощность в режиме низкого потребления энергии Заранее сделанные установки на включение режима низкого энергопотребления Режим «Sleep» Не более 15 Вт 15-30 мин Режим «Deep Sleep» Не более 8 Вт менее 70 мин* * Суммарное время включения для обоих режимов энергосбережения, устанавливаемое по умолчанию, не должно превышать 70 минут В таблице показаны режимы энергопотребления монитора, соответствующего спецификации ЕРА, при использовании видеоадаптера, соответствующего стандарту VESA DMPS Таблица Электропотребление по стандарту VESA DMPS Режим Состояние Энергопотребление Normal Нормальная работа 80 Вт (номинал) Standby Кратковременная пауза 50 Вт (номинал) Suspend Долговременная пауза Меньше 15 Вт Off Полное отключение Меньше 5 Вт В режиме Standby происходит гашение экрана, в режиме Suspend – снижение температуры накала катодов GRT. Некоторые мониторы трактуют режим Standby , как режим Suspend . DPMS – это стандарт консорциума VESA, определяющий режимы управления энергопотреблением монитора при его бездействии. При этом можно выбрать один из трех режимов, приведенных в табл. 1.6.: «Standby», «Suspend», «Off» («Shut down»). Однако использовать данные режимы можно только в том случае, если компьютерный видеоадаптер и операционная система ПЭВМ поддерживают спецификацию DPMS, рекомендуемую VESA. ТСО (Tjanstemannes Central Organisation) – стандарт Шведской конфедерации профсоюзов служащих, целью которой является ежегодная разработка и внедрение обновленных стандартов безопасности на рабочих местах, связанных с электронной обработкой данных. По оценке Агентства по защите окружающей среды США, в случае, если все офисное оборудование, купленное в мире до 2010 года, будет соответствовать спецификации Energy Star, то это будет эквивалентно предотвращению загрязнения от 6.5 млн. автомобилей в год. На офисное оборудование, часто не выключаемое 24 часа в день, расходуются как деньги, так и энергия. Компьютер имеет в своем составе черные, цветные, драгоценные и редкоземельные металлы, из которых выполняются: блоки и другие вспомогательные устройства (черные металлы); провода для соединений, печатные платы; рисунок печатных плат (цветные и драгоценные металлы); на печатных платах установлены электроэлементы, содержащие драгоценные металлы, такие как золото, серебро и платина; в запоминающих устройствах – галлий и гадолиний. По данным группы ученых, предложивших результаты своих исследований ООН, общий вес различных материалов и невосполнимого топлива, используемых при создании одного компьютера, превышает его вес в 10 раз. Учитывая короткий цикл эксплуатации компьютерной техники и накопление больших объемов компьютерного лома, возникает проблема экологической оценки и выбора технологии переработки компьютерной техники. Необходимо отметить, что общее направление производителей компьютерной техники предусматривает сокращение «жизненного цикла» до двух лет. В связи с этим резко возрастают объемы компьютерного лома. В Германии и США создаются предприятия, на которых перерабатываются отходы компьютерной техники, извлекаются золото, серебро, медь и другие металлы и передаются предприятиям-изготовителям вычислительной техники. Такой инновационный подход относится к фирмам-производителям IBM, Dell, Toshiba, Apple Computer, Green Initiative. В стадии рассмотрения находятся вопросы экологически безопасного извлечения из отходов компьютерного лома свинца, ртути и кадмия. «Жизненный цикл» компьютерной техники имеет следующие стадии: 1. Получение сырья: · добыча (включая расход энергии на добычу сырья и выбросы при получении энергии); · добыча источников энергии; · выработка энергии из ее источников; · транспортировка сырья и энергии; · выбросы при добыче сырья, энергии и их транспортировке. 2. Производство компьютерной техники: · подготовка сырья; · изготовление деталей, блоков, модулей; · производственный рециклинг (переработка собственных отходов); · придание товарного вида и упаковка; · транспортировка компьютерной техники; · производство попутной продукции (провода, дискеты и др.). 3. Эксплуатация компьютерной техники: · возникновение физического ресурса (неионизирующее, акустическое, ионизирующее воздействия); · постоянное обновление и замена отдельных составляющих. 4. Переработка компьютерной техники, потерявшей потребительские свойства: · технологические процессы переработки компьютерного лома; · технологические процессы извлечения драгоценных и редких металлов; · образование отложенных отходов и отходов техногенного месторождения; · расход энергии; · выбросы при переработке компьютерного лома. Для всех стадий цикла должен производится расчет расхода материалов, энергии, транспортных затрат, выбросов в окружающую среду. При оценке «жизненного цикла» компьютерной техники видно, что только стадия её производства относится к отраслевой проблеме, а другие стадии – относятся к межотраслевым проблемам. Межотраслевые проблемы требуют координации работы специалистов различных направлений, и, может быть, не только одной страны. Стадии добычи, транспортировки, переработки сырья, а также переработка компьютерного лома после окончания срока эксплуатации характеризуются экологическим балансом. Под экологическим балансом следует понимать совокупность показателей, оценивающих эффективность производственного процесса, начиная от добычи сырья и включая изготовление компьютерной техники [3]. Основными показателями экологического баланса при производстве компьютерной техники являются: · показатели расхода природных ресурсов; · показатели расхода энергопотребления; · показатели выбросов в окружающую среду; · показатели потерь материалов при транспортировке. К показателям расхода природных ресурсов относятся: • показатель удельного расхода сырьевых материалов, который отражает «природоемкость» технологий и затраты природного сырья, необходимого для производства компьютерной техники (т/т). Сложность определения этого показателя заключается в большом количестве элементов, которые используются при изготовлении компьютерной техники. • показатель коэффициента сокращения сплошной природной среды, который отражает общее количество природных ресурсов, извлекаемых из недр Земли, необходимых для производства компьютерной техники, (т/т). • показатель удельного расхода сырьевых материалов для производства компьютерной техники, (т/т). • показатель сквозного коэффициента извлечения основного элемента от извлеченных из недр Земли шихтовых материалов, (%). • показатель коэффициента потенциального техногенного накопления элемента от извлеченных из недр Земли шихтовыхматериалов, (%). К показателям расхода энергопотребления относятся: • показатель удельного расхода энергоносителей на реализацию технологии изготовления компьютерной техники, (т/т); • показатель энергоэкологической эффективности очистки выбросов от сжигания топлива. К показателям выбросов в окружающую среду относятся: • показатель суммарных выбросов в атмосферу вредных газов СО2 , SOx , NOx и пыли на тонну продукции компьютерной техники, (кг/т); • показатель мелкодисперсных отходов, которые образуются на всех этапах хранения сырья, (кг/т); • показатель общего количества техногенных материалов на поверхности Земли в результате реализации конкретной технологии изготовления компьютерной техники, (т/т); • показатель эмиссии парниковых газов на этапе технологии изготовления компьютерной техники, (кг/т). К показателям потерь материалов при транспортировке относятся выбросы и пыль соответствующего материала (сырье черных, цветных, драгоценных и редких металлов совместно с сопутствующими породами). Металлы, из которых состоит компьютерная техника, являются техногенными веществами, нехарактерными для биосферы, что требует дополнительных затрат на сохранение их в свободном состоянии. Сквозной коэффициент извлечения основного элемента, от извлеченных из недр Земли шихтовых материалов, является повышенным для германия, платины, палладия, гадолиния, что вызывает миграцию горной породы и нарушение единства поверхности Земли. Анализ показывает, что наиболее удачным стратегическим решением переработки компьютерного лома является производственный рециклинг. На предприятиях с производственным рециклингом наряду со «свежими отходами» и «отложенными отходами» могут быть переработаны отходы компьютерной техники, поставляемые с других предприятий и фирм. Такой подход исключает накопление отходов, а, следовательно, необходимость в больших территориях и сокращает постоянное выделение вредных веществ (ртуть, кадмий, свинец и др.) в окружающую среду. 4. Нормативно-технические основы переработки металлов из отработанных изделий ПЭВМ В настоящее время в Российской Федерации действует комплекс нормативных документов, регламентирующих извлечение драгоценных металлов из отработанных изделий ПЭВМ: · Федеральный закон № 1463 от 26.03.1998 года «О драгоценных металлах и драгоценных камнях». Статья 2, пункт 4: «Лом и отходы драгоценных металлов подлежат сбору во всех организациях, в которых образуются лом и отходы. Собранные лом и отходы подлежат обязательному учету и могут перерабатываться собирающими их организациями для вторичного использования или реализовываться организациями, имеющими лицензии на данный вид деятельности, для дальнейшего производства и аффинанса драгоценных металлов»; · ГОСТ 2787-75*. Лом и отходы черных металлов. Шихтовые. Классификация и технические требования. · ГОСТ 1639-78*. Лом и отходы цветных металлов. Общие требования. · Инструкция Министерства финансов Российской Федерации № 67 от 04.08.1992 года. «Инструкция устанавливает порядок учета, хранения, транспортировки, инвентаризации, сбора и сдачи отходов драгоценных металлов из средств вычислительной техники, деталей и узлов, содержащих в своем составе драгоценные металлы для предприятия, учреждения и организации, независимо от форм собственности»; · Методика проведения работ по комплексной утилизации вторичных драгоценных металлов из отработанных средств вычислительной техники. – М.: Государственный комитет РФ по телекоммуникациям. 1999; · Методика опробования электронного лома и отходов, содержащих драгоценные металлы. – М.: ИАСА ГНЦ «ГИРЕДМЕТ». 2001. Методика опробования электронного лома и отходов, содержащих драгоценные металлы, предусматривает сортировку электронного лома на классы с доминирующим количеством драгоценных металлов по видам. Технология разборки ПЭВМ, рабочих станций, серверов и информационно-вычислительных систем едина в связи с наличием стандартных модулей – системного блока и комплекта периферийных устройств.