Treffen Sie das Gradiant-Team auf der IWC San Antonio (12.-16. November) und der WETEX Dubai (15.-17. November)

Das verarbeitende Gewerbe hatte einen großen Sommer. Der CHIPS and Science Act, der im August unterzeichnet wurde, stellt eine massive Investition in die heimische Fertigung dar. Das Gesetz zielt darauf ab, die US-Halbleiterindustrie drastisch zu erweitern, die Lieferketten zu stärken und in Forschung und Entwicklung für neue technologische Durchbrüche zu investieren. Laut John Hart, Professor für Maschinenbau und Direktor des Laboratory for Manufacturing and Productivity am MIT, ist das CHIPS-Gesetz nur das jüngste Beispiel für das in den letzten Jahren deutlich gestiegene Interesse an der Fertigung.

"Es wirken mehrere Kräfte zusammen: Überlegungen zu den Auswirkungen der Pandemie auf die Lieferketten, die geopolitische Lage in der Welt und die Dringlichkeit und Bedeutung der Nachhaltigkeit", sagt Hart. "Dies hat nun zu einer Angleichung der Anreize zwischen Regierung, Industrie und der Investitionsgemeinschaft geführt, um die Innovation in der Fertigungs- und Industrietechnologie zu beschleunigen."

Hand in Hand mit dieser verstärkten Konzentration auf die Produktion geht die Notwendigkeit, der Nachhaltigkeit Priorität einzuräumen.

Rund ein Viertel der Treibhausgasemissionen stammte im Jahr 2020 aus der Industrie und dem verarbeitenden Gewerbe. Fabriken und Anlagen können auch die lokalen Wasserreserven erschöpfen und große Mengen an Abfall erzeugen, von denen einige giftig sein können.

Um diese Probleme anzugehen und den Übergang zu einer kohlenstoffarmen Wirtschaft voranzutreiben, müssen neue Produkte und industrielle Verfahren sowie nachhaltige Fertigungstechnologien entwickelt werden. Hart ist der Ansicht, dass Maschinenbauingenieure bei diesem Übergang eine entscheidende Rolle spielen.

"Maschinenbauingenieure können auf einzigartige Weise kritische Probleme lösen, die Hardware-Technologien der nächsten Generation erfordern, und sie wissen, wie sie ihre Lösungen skalierbar machen können", sagt Hart.

Mehrere schnell wachsende Unternehmen, die von Dozenten und Absolventen des MIT-Fachbereichs Maschinenbau gegründet wurden, bieten Lösungen für das Umweltproblem in der Fertigung und ebnen den Weg in eine nachhaltigere Zukunft.

Gradiant: Cleantech-Wasserlösungen

Für die Herstellung wird Wasser benötigt, und zwar eine Menge davon. Eine mittelgroße Halbleiterfabrik verbraucht täglich mehr als 10 Millionen Gallonen Wasser. In einer Welt, die zunehmend von Dürreperioden geplagt wird, stellt diese Abhängigkeit vom Wasser eine große Herausforderung dar.

Gradiant bietet eine Lösung für dieses Wasserproblem. Das von Anurag Bajpayee SM '08 PhD '12 und Prakash Govindan PhD '12 mitbegründete Unternehmen ist ein Pionier für nachhaltige - oder "Cleantech"-Wasserprojekte.

Als Doktoranden im Rohsenow-Kendall-Wärmeübertragungslabor teilten Bajpayee und Govindan den gleichen Pragmatismus und Hang zum Handeln. Sie arbeiteten beide an der Entsalzungsforschung - Bajpayee mit Professor Gang Chen und Govindan mit Professor John Lienhard.

Inspiriert durch eine Kindheit während einer schweren Dürre in Chennai, Indien, entwickelte Govindan für seine Doktorarbeit eine Technologie zur Entfeuchtung, die die natürlichen Niederschlagszyklen nachahmt. Mit dieser Technologie, die sie Carrier Gas Extraction (CGE) nannten, gründete das Duo im Jahr 2013 Gradiant.

Der Schlüssel zu CGE liegt in einem firmeneigenen Algorithmus, der die Schwankungen in der Qualität und Quantität der Abwasserzufuhr berücksichtigt. Das Herzstück des Algorithmus ist eine dimensionslose Zahl, die Govindan vorschlägt, eines Tages die "Lienhard-Zahl" zu nennen, nach seinem Doktorvater.

"Wenn die Wasserqualität im System schwankt, sendet unsere Technologie automatisch ein Signal an die Motoren in der Anlage, um die Durchflussraten so anzupassen, dass die dimensionslose Zahl wieder auf den Wert eins gebracht wird. Sobald der Wert eins erreicht ist, läuft die Anlage unter optimalen Bedingungen", erklärt Govindan, der als COO von Gradiant fungiert.

Mit diesem System kann das Abwasser einer Produktionsanlage für die Wiederverwendung aufbereitet und gereinigt werden, wodurch jedes Jahr Millionen von Litern Wasser eingespart werden.

Mit dem Wachstum des Unternehmens hat das Gradiant-Team neue Technologien in sein Arsenal aufgenommen, darunter die Selektive Schadstoffextraktion, eine kosteneffiziente Methode, die nur bestimmte Schadstoffe entfernt, und eine Solekonzentrationsmethode namens Gegenstromumkehrosmose. Das Unternehmen bietet nun ein komplettes Technologiepaket an Wasser- und Abwasseraufbereitungslösungen für Kunden aus Branchen wie der Pharmaindustrie, dem Energiesektor, dem Bergbau, der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie der ständig wachsenden Halbleiterindustrie.

"Wir sind ein Anbieter von End-to-End-Wasserlösungen. Wir verfügen über ein Portfolio an firmeneigenen Technologien und wählen je nach Bedarf des Kunden aus unserem 'Köcher' aus", sagt Bajpayee, der als CEO von Gradiant fungiert. "Die Kunden sehen uns als ihren Wasserpartner an. Wir können uns um ihr Wasserproblem von Anfang bis Ende kümmern, so dass sie sich auf ihr Kerngeschäft konzentrieren können."

Gradiant hat in den letzten zehn Jahren ein explosives Wachstum erlebt. Bis heute wurden 450 Wasser- und Abwasseraufbereitungsanlagen gebaut, die täglich die Wassermenge von 5 Millionen Haushalten aufbereiten. Durch die jüngsten Übernahmen ist die Zahl der Mitarbeiter auf über 500 gestiegen.

Die Vielfalt der Lösungen von Gradiant spiegelt sich in den Kunden wider, zu denen Pfizer, AB InBev und Coca-Cola gehören. Auch Halbleiterriesen wie Micron Technology, GlobalFoundries und TSMC zählen zu den Kunden.

"In den letzten Jahren haben wir unsere Fähigkeiten und unseren Ruf im Bereich der Halbleiterabwässer und des Halbleiter-Reinstwassers wirklich ausgebaut", sagt Bajpayee.

Halbleiterhersteller benötigen für die Herstellung ultrareines Wasser. Im Gegensatz zu Trinkwasser, dessen Gesamtgehalt an gelösten Feststoffen im Bereich von Teilen pro Million liegt, muss das für die Herstellung von Mikrochips verwendete Wasser im Bereich von Teilen pro Milliarde oder Quadrillionen liegen.

Derzeit liegt die durchschnittliche Recyclingrate in den Halbleiterfabriken in Singapur bei nur 43%. Mit den Gradiant-Technologien können diese Fabriken 98 bis 99% der täglich benötigten 10 Millionen Gallonen Wasser recyceln. Dieses wiederverwendete Wasser ist so rein, dass es wieder in den Herstellungsprozess eingespeist werden kann.

"Wir haben die Einleitung dieses verunreinigten Wassers verhindert und die Abhängigkeit der Halbleiterfabrik von der öffentlichen Wasserversorgung nahezu aufgehoben", fügt Bajpayee hinzu.

Mit der Einführung neuer Vorschriften wächst der Druck auf die Fabriken, ihren Wasserverbrauch zu verbessern, wodurch die Nachhaltigkeit für Markeninhaber und ihre Interessengruppen noch wichtiger wird.

Da die einheimische Halbleiterindustrie angesichts des CHIPS and Science Act expandiert, sieht Gradiant die Möglichkeit, seine Technologien zur Wasseraufbereitung für Halbleiter in mehr Fabriken in den USA einzusetzen.

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