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Gabriel Pankow

只有激光技术才能胜任:6 种推动可持续发展的应用案例

人都在谈论可持续发展,而激光器用户已将其付诸于行动。因为在推动可持续发展的创新技术方面,激光器已不单单是提升效率的工具——它已成为打造更环保工业的关键部件。本文将为您呈现六大惊人的激光应用案例,不仅蕴含创新且极具成本效益,更是有力推动了“更美世界”项目的成功。

回收利用的最大挑战是拆解。废旧设备和物品拆解得越细致有序,可回收利用的原材料就越多。然而,要拆解在设备制造过程中组合的部件并非易事:

在废料中寻宝

理论上:回收利用就是要将物品拆解为各个组件,并让材料在不损失质量的情况下重入循环。现实是:大量的废料堆成山。如何才能将这些废料分门别类?德国弗劳恩霍夫激光技术研究所另辟蹊径:利用激光发射光谱法,当传输带上的废料从传感器下方快速经过时,传感器便可识别出废料的成分。然后这些材料就会经由人工或 AI 辅助的自动设备被分门别类。该激光技术也适用于错综复杂的废料,例如电子垃圾和汽车零件。该技术甚至能检测出极微量的元素或合金成分,例如钼、钴和钨之类的昂贵原料。在未来,借助这项“激光侦探”技术可将更多种材料回收利用。 

两大创新案例:在为新能源汽车生产电池电极的过程中,生产商会在电池箔上涂覆锂、钴、镍之类的昂贵材料。但并非所有产品都能通过质检。而利用激光束则可剥离超薄镀层,从而回收宝贵的金属粉末,使其重入循环利用体系。当铝制交通标志因内容过期或字迹不清而被废弃时,其通常会被报废。这是因为此前按规定涂覆的特殊保护膜难以去除。  但使用 CO2 激光器可快速去除这种膜层,且毫无残留。

Recycling von Verkehrschildern

激光技术可助力回收利用——无论是交通标志牌的重复利用,还是新能源汽车电池废料的回收,亦或是在废料中探测昂贵的原材料。

以更少的投入,获得同等甚至更多的收益,这向来都是资源利用的准则。激光材料加工践行这一效率准则已有数十年之久,这并非夸大其词。 

在光伏和航运领域,激光技术也可带来更高的效率:在沙漠中,光伏模块仅在一个月之内就会因为不断堆积的灰尘而丧失高达 30% 的功率。而重叠激光束可为光伏模块施加一种可主动防尘的表面纹理。船体会附着微生物、藻类、植物、贝类和藤壶, 这最多可导致燃油消耗增加 60%。但二极管激光器能够安全彻底地去除附着在船体的水下生物。

Ressourcen schonen

激光技术可在多个领域节约资源:它能低能耗烘干电池箔、减少航运油耗并为光伏模块保持清洁。

适合普及的激光疗法

硬 X 射线是治疗癌细胞的有效手段。但这种治疗方式会对患者的身体造成沉重负担。相比之下,电子射线疗法不仅更加温和,且其疗效更具前景,因为电子射线可更加精准地聚焦并有的放矢地攻击癌细胞,而不会对周围的组织造成连带伤害。然而,现有的电子射线治疗设备通常体积庞大且价格昂贵,导致该疗法难以普及。现如今,得益于所谓的激光-激波方法,这两项难题有望被攻克,因为这种方法完全以不同的方式对电子进行加速。这样一来,就会有更有效且更温和的癌症疗法惠及更多患者。 

除了癌症治疗,激光技术在医疗设备普及方面也能做出贡献,能够为全球各地更多的患者带来良好的健康保障。美国康涅狄格大学的 Bahram Javidi 教授利用激光辅助数字全息显微镜技术,开发出了一款便宜且耐用的血液快检设备,专为医疗基础设施薄弱的地区而设计。虽然该设备使用了尖端技术,但其生产成本依然保持低廉。另外在牙科领域,优质义齿还需要高昂的费用。不过得益于在激光金属熔覆和金属 3D 打印领域的巨大进展,义齿的制造成本已经降低,这样就能让更多患者能够负担得起。

Gesundheit & Soziales

Industrial lasers not only lead to improved medical equipment. They also mean that more people worldwide have access to good healthcare.

高效的燃料电池

能源转型并非只是建造大量的光伏电站、风力发电设备和水电站(当然这些也是能源转型的一部分!)。它还关乎到电网能否灵活适应新的发电方式,并更好地利用氢能之类的替代能源。 

像卡车、工程机械或公交车之类的重型车辆就需要一种能量密度更高的储能器,以便为这些车辆的发动机供电:例如氢能和燃料电池。一个很好的解决方案即所谓的 PEM 燃料电池(质子交换膜)。这种结构的一大难题便是如何在电池内部长久保持水和气体的高效运输。超短脉冲激光器在此便有了用武之地:其可在电池内部施加功能性结构和微孔。该项技术让 PEM 燃料电池性能更强、效率更高且续航更持久。

高效的异质结太阳能电池需要用到昂贵的银来制作其导体电路和触点。一家来自德国的初创公司开发了一种可用铜替代银的方法。为此,他们采用了一种将电镀与激光纹理化相结合的工艺。光伏和风能发电设备的运营商为保障电网稳定运行,他们还需要灵活的中间储能系统,例如氧化还原液流电池。而一种新研发出的基于 VCSEL 的激光焊接方法可显著降低这种电池的生产成本。

Energiewende

激光技术作为一种手段,有助于生产出高效的燃料电池、成本更低廉的光伏设备以及电网稳定运转所需的储能器。

不含有毒物质的显示屏

由于智能手机、平板电脑和电子阅读器的显示屏必须时刻保持最佳画质, 且即使是在强光照射下也不能影响显示效果。也就是说这种显示屏不得反光,且必须经过消光处理。但此前只有将显示屏玻璃浸入最具腐蚀性和危险性的工业化学制剂——氢氟酸之中才能达到这一目的。通快的工程师正在开发一种激光工艺,以彻底摒弃氢氟酸在生产中的应用。将超短激光脉冲作用于显示屏玻璃,可达到堪比剧毒氢氟酸的消光效果。该激光工艺的成果令人满意,现在唯一要解决的就是如何将其规模化。

除此之外,激光技术也为其他领域带来了更清洁的加工方式:零部件常常会沾满油污、污垢或形成氧化层。而激光束则能直接将污染物汽化或去除氧化层。如果只需处理少量的接触面,激光还可精准作用。激光清洁过程完全不会产生任何化学废物。此前对线路板进行保养,通常是利用化学腐蚀来去除表面的导电层(通常金或铜)。但这一过程中会产生难以处置的有毒废物。而超短激光脉冲可精准去除导体电路周围的铜或金。由于这种激光有的放矢,所以热量不会侵入下层材料之中,也完全无需使用任何腐蚀性化学制剂。

Automobil und Tablet

激光清洁技术实现了无化学污染的生产方式——无论是去除零部件上的油污、为智能手机显示屏消光,亦或是去除电路板上的铜质基材涂层。

可滤除微塑料的过滤器

微塑料是指小于五毫米的塑料颗粒,这一尺寸甚至可达到纳米级。它们现已无处不在,无论是从深海到南极,还是从鱼类体内到人类的血液循环系统,均已发现了微塑料的存在。微塑料对生物和生态系统的影响尽管尚未完全研究清楚,但初步的研究结果却已令人不安。因此在社会各界已有很多声音支持至少要将废水中的微塑料滤除,以减少总体污染。但棘手的事实是,微塑料非常小。所以相应地,过滤器内的孔也必须非常微小。目前,得益于企业与科研人员的紧密合作,双方已利用超短脉冲激光器在所谓的旋风过滤器中施加了数百万个微孔。为使这一方法更具成本效益,他们将一道激光束分成多道,从而可同时施加一百多个微孔。这种微孔过滤器可捕捉十微米以上的塑料颗粒。

在欧洲,一个由科研机构、大学、企业和农业协会成立的组织,现已开发出了一种通过激光技术进行除草的设备原型:该自动设备利用 AI 辅助的图像识别技术来识别杂草。来自光纤激光源的毫米级精准能量脉冲让杂草消失得无影无踪。即使是识别鸡蛋的公母,激光技术也有用武之地。问题:公鸡还是母鸡?答案:这很重要。因为通常情况下,所有雄性小鸡都会被活活粉碎。一种自动化的激光工艺现已淘汰了这种残忍做法,因为该工艺早在胚胎还处于蛋壳内的时候就可识别出小鸡的性别。

Umweltschutz

Global warming poses a key threat to our ecosystems, yet there remain many other “classic” conservation and animal welfare issues to be resolved in areas such as agriculture, livestock rearing and marine pollution.

创建日期 2025-02-13
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