L'industria manifatturiera ha vissuto un'estate importante. Il CHIPS and Science Act, firmato in agosto, rappresenta un investimento massiccio nella produzione nazionale statunitense. La legge mira a espandere drasticamente l'industria dei semiconduttori negli Stati Uniti, a rafforzare le catene di fornitura e a investire nella ricerca e sviluppo di nuove scoperte tecnologiche. Secondo John Hart, professore di ingegneria meccanica e direttore del Laboratory for Manufacturing and Productivity del MIT, la legge CHIPS è solo l'ultimo esempio dell'aumento significativo dell'interesse per la produzione negli ultimi anni.
"Ci sono diverse forze che lavorano insieme: i riflessi dell'impatto della pandemia sulle catene di approvvigionamento, la situazione geopolitica in tutto il mondo e l'urgenza e l'importanza della sostenibilità", afferma Hart. "Tutto ciò ha allineato gli incentivi tra il governo, l'industria e la comunità degli investitori per accelerare l'innovazione nella produzione e nella tecnologia industriale".
Parallelamente a questa maggiore attenzione per la produzione, è necessario dare priorità alla sostenibilità.
Nel 2020, circa un quarto delle emissioni di gas serra proveniva dall'industria e dalla produzione. Le fabbriche e gli impianti possono anche esaurire le riserve idriche locali e generare grandi quantità di rifiuti, alcuni dei quali possono essere tossici.
Per affrontare questi problemi e guidare la transizione verso un'economia a basse emissioni di carbonio, è necessario sviluppare nuovi prodotti e processi industriali insieme a tecnologie di produzione sostenibili. Hart ritiene che gli ingegneri meccanici svolgano un ruolo cruciale in questa transizione.
"Gli ingegneri meccanici possono risolvere in modo unico i problemi critici che richiedono tecnologie hardware di nuova generazione e sanno come portare le loro soluzioni su scala", afferma Hart.
Diverse aziende in rapida crescita fondate da docenti e alumni del Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT offrono soluzioni per il problema ambientale della produzione, aprendo la strada a un futuro più sostenibile.
Gradiant: Soluzioni idriche cleantech
La produzione richiede acqua, e molta. Un impianto di produzione di semiconduttori di medie dimensioni utilizza fino a 10 milioni di galloni di acqua al giorno. In un mondo sempre più afflitto dalla siccità, questa dipendenza dall'acqua rappresenta una sfida importante.
Gradiant offre una soluzione al problema dell'acqua. Fondata da Anurag Bajpayee SM '08 PhD '12 e Prakash Govindan PhD '12, l'azienda è un pioniere dei progetti idrici sostenibili o "cleantech".
Come dottorandi del Laboratorio di trasferimento termico di Rohsenow Kendall, Bajpayee e Govindan hanno condiviso il pragmatismo e la propensione all'azione. Entrambi hanno lavorato alla ricerca sulla desalinizzazione, Bajpayee con il professor Gang Chen e Govindan con il professor John Lienhard.
Ispirato da un'infanzia trascorsa durante una grave siccità a Chennai, in India, Govindan ha sviluppato una tecnologia di deumidificazione che imita i cicli naturali delle piogge per il suo dottorato di ricerca. È con questa tecnologia, chiamata Carrier Gas Extraction (CGE), che il duo ha fondato Gradiant nel 2013.
La chiave della CGE risiede in un algoritmo proprietario che tiene conto della variabilità della qualità e della quantità delle acque reflue. Il cuore dell'algoritmo è un numero non dimensionale, che Govindan propone di chiamare un giorno "Numero di Lienhard", dal nome del suo consulente di dottorato.
"Quando la qualità dell'acqua varia nel sistema, la nostra tecnologia invia automaticamente un segnale ai motori all'interno dell'impianto per regolare le portate e riportare il numero non dimensionale a un valore pari a uno. Una volta riportato a un valore pari a uno, il funzionamento è ottimale", spiega Govindan, che ricopre il ruolo di COO di Gradiant.
Questo sistema è in grado di trattare e pulire le acque reflue prodotte da un impianto di produzione per riutilizzarle, risparmiando milioni di litri d'acqua ogni anno.
Con la crescita dell'azienda, il team Gradiant ha aggiunto nuove tecnologie al proprio arsenale, tra cui l'estrazione selettiva dei contaminanti, un metodo efficiente in termini di costi che rimuove solo contaminanti specifici, e un metodo di concentrazione della salamoia chiamato osmosi inversa a controflusso. L'azienda offre ora una gamma completa di soluzioni tecnologiche per il trattamento delle acque e delle acque reflue a clienti che operano in settori quali quello farmaceutico, energetico, minerario, alimentare e dei semiconduttori, in continua crescita.
"Siamo un fornitore di soluzioni idriche end-to-end. Abbiamo un portafoglio di tecnologie proprietarie e scegliamo dalla nostra 'faretra' in base alle esigenze del cliente", afferma Bajpayee, che ricopre il ruolo di CEO di Gradiant. "I clienti ci considerano il loro partner per l'acqua. Possiamo occuparci del loro problema idrico end-to-end, in modo che possano concentrarsi sul loro core business".
Gradiant ha registrato una crescita esplosiva nell'ultimo decennio. Con 450 impianti di trattamento delle acque e delle acque reflue costruiti fino ad oggi, l'azienda tratta ogni giorno l'equivalente di 5 milioni di famiglie. Con le recenti acquisizioni, il numero totale dei dipendenti ha superato le 500 unità.
La diversità delle soluzioni Gradiant si riflette nei suoi clienti, che includono Pfizer, AB InBev e Coca-Cola. Tra i loro clienti figurano anche giganti dei semiconduttori come Micron Technology, GlobalFoundries e TSMC.
"Negli ultimi anni abbiamo sviluppato le nostre capacità e la nostra reputazione nel settore delle acque reflue e delle acque ultrapure per semiconduttori", afferma Bajpayee.
I produttori di semiconduttori necessitano di acqua ultrapura per la fabbricazione. A differenza dell'acqua potabile, che ha una gamma di solidi disciolti totali nell'ordine delle parti per milione, l'acqua utilizzata per la produzione di microchip ha una gamma di parti per miliardo o quadrilione.
Attualmente, il tasso medio di riciclaggio negli impianti di produzione di semiconduttori (o fabs) di Singapore è di soli 43%. Utilizzando le tecnologie di Gradiant, questi stabilimenti possono riciclare da 98 a 99% dei 10 milioni di galloni di acqua che richiedono ogni giorno. L'acqua riutilizzata è sufficientemente pura per essere reimmessa nel processo di produzione.
"Abbiamo eliminato lo scarico dell'acqua contaminata e quasi eliminato la dipendenza della fabbrica di semiconduttori dalla rete idrica pubblica", aggiunge Bajpayee.
Con l'introduzione di nuove normative, aumenta la pressione affinché le fabbriche migliorino l'utilizzo dell'acqua, rendendo la sostenibilità ancora più importante per i proprietari dei marchi e i loro stakeholder.
Con l'espansione dell'industria nazionale dei semiconduttori alla luce del CHIPS and Science Act, Gradiant vede l'opportunità di portare le proprie tecnologie di trattamento dell'acqua dei semiconduttori in un maggior numero di fabbriche negli Stati Uniti.
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