Szenarien für Ökodesign im Lautsprechermotor

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 19493 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Der weltweite Lautsprechermarkt folgt dem wachsenden Trend elektronischer Unterhaltungstechnologien sowohl in der Menge als auch in der Vielfalt. Folglich nehmen die Umweltauswirkungen, die während des Lebenszyklus von Lautsprechern verursacht werden, im gleichen Verhältnis zu, und zwar in entgegengesetzter Richtung zu dem, was durch weltweite Umweltgesetze und -vorschriften sowie globale Markttendenzen bestimmt wird. Dennoch wird die Umweltverträglichkeit dieser Art von Produkten bei der Entscheidungsfindung für technologische Aktualisierungen im Lautsprecherdesign nicht berücksichtigt. In diesem Sinne ist Ökodesign das am besten geeignete Life-Cycle-Engineering-Instrument für die Gestaltung eines Produkts, da die Umweltleistung in den verschiedenen Entwurfsphasen berücksichtigt wird. Die Machbarkeit von Ökodesign bei Produkten, die komplexe Produktionsketten erfordern, hängt jedoch von der Aufteilung des Produkts in Subsysteme und Komponenten ab. Daher konzentriert sich die vorliegende Arbeit auf die Bewertung der Umweltverträglichkeit eines klassischen Lautsprechermotors, der aus Magnet, Spule und Spulenkörper besteht. Es werden acht Rohstoffsubstitutionsszenarien vorgeschlagen und analysiert, die es dem Vorschlag ermöglichten, die beste Umweltleistung innerhalb der aktuellen Technologien zu ermitteln. Dies stellt einen ersten Schritt zum vollständigen Ecodesign eines Lautsprechers dar und legt die Vorgehensweise bei den weiteren Bestandteilen fest.

Die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (Compound Annual Growth Rate, CAGR) des globalen Lautsprechermarkts steigt und wird voraussichtlich bis 2028 um 7,3 % wachsen (FMI, 2018). Davon entfallen 40 % auf Nordamerika und Südostasien. Wenn daher bei der Entwicklung dieses Produkts keine Umweltaspekte berücksichtigt werden, werden seine Umweltauswirkungen unaufhaltsam zunehmen1,2. Diese Tendenz widerspricht den Zielen der nachhaltigen Entwicklung (SDG) der Agenda 21 der Vereinten Nationen (UN) und der Kreislaufwirtschaft, dem aktuellen Modell der Weltwirtschaft3.

Das Ziel der meisten Organisationen besteht darin, die impliziten Bedürfnisse des Kunden zu befriedigen, und es besteht die Notwendigkeit, das Produkt umzustrukturieren, um die bestehende Beziehung zwischen Hersteller und Endbenutzer aufrechtzuerhalten und zu gestalten. Nachhaltigkeit ist das Gleichgewicht oder die Integration von Umwelt-, Sozial- und Wirtschaftsthemen; 1987 definierte die Weltkommission für Umwelt und Entwicklung (WCED) es als eine Entwicklung, die die Bedürfnisse der Gegenwart befriedigt, ohne die Fähigkeit künftiger Generationen zu gefährden, ihre eigenen Bedürfnisse zu befriedigen4. In diesem Zusammenhang gibt es weltweit mehrere Gesetze und Vorschriften, die die Anpassung von Unternehmen an die Grundsätze der Kreislaufwirtschaft fördern. In den Vereinigten Staaten von Amerika gibt es beispielsweise Gesetze und Vorschriften für den Resource Conservation and Recovery Act (RCRA)5. Die europäische Gesetzgebung umfasst die Beschränkung bestimmter gefährlicher Stoffe (RoHs)6, die die Verwendung einiger Stoffe in Produktherstellungsprozessen einschränkt, und die Richtlinie über Elektro- und Elektronik-Altgeräte (WEEE)7, die Organisationen Verpflichtungen auferlegt und die für sie geltenden Vorschriften enthält Elektroschrott. Im Allgemeinen fördert und definiert diese Richtlinie spezifische Kriterien für die Sammlung, Handhabung und das Recycling von Elektro- und Elektronikschrott1,4. In Brasilien beispielsweise gilt das Gesetz Nr. 12.305/108, mit dem die National Solid Waste Policy (PNRS) eingeführt wird, bietet die Vermeidung und Reduzierung der Abfallerzeugung, einen Vorschlag für die Praxis nachhaltiger Konsumgewohnheiten und eine Reihe von Instrumenten zur Steigerung des Recyclings und der Wiederverwendung fester Abfälle.

Darüber hinaus wurden einige Standards vorgeschlagen, um die Anpassung von Organisationen an den Kontext der Verbesserung der Umweltaspekte im Zusammenhang mit ihren Aktivitäten zu fördern. Einige bemerkenswerte Beispiele innerhalb der ISO 14000-Familie sind ISO 14001, das Richtlinien für ein Umweltmanagementsystem bereitstellt, ISO 14040 (2009)9 und ISO 14044 (2009)10, die Praktiken für die Lebenszyklusbewertung (LCA) von Produkten berücksichtigen, und ISO 14006 (2020)11, die sich mit der Umsetzung von Ecodesign oder Design for Environment befasst. Diese Standards umfassen Pläne für Entscheidungsprozesse, die zur Vermeidung von Umweltauswirkungen wie der Kontamination von Boden, Wasser und Luft beitragen9,10.

Was das Produktdesign unter Berücksichtigung der gesamten Lebenszyklusperspektive anbelangt, ist Ökodesign eine der wichtigsten Techniken für den produktiven Sektor auf der Suche nach der Kreislaufwirtschaft12,13. Allerdings sind Änderungen im gesamten Produktdesign bei bereits am Markt etablierten Produkten mit komplexen Fertigungsketten, wie beispielsweise den Gehäuselautsprechern, nur schwer in der Praxis umsetzbar, da sie komplexe Kosten und zeitaufwändige Auswertungen erfordern. Daher kann die Unterteilung des Produkts (Systems) in Subsysteme und Komponenten eine mögliche Grundlage für die Anwendung von Ökodesign bei dieser Art von Produkten sein. Darüber hinaus kann der oben genannte Ansatz durch eine vorherige Anwendung der Ökobilanz weiter verbessert werden, um Umwelt-Hotspots zu identifizieren und Prioritäten für die Umsetzung von Änderungen im Produktdesign mit dem Ziel Ökodesign zu klassifizieren13.

Die LCA gilt auch für Entscheidungsprozesse während der Produktentwicklungsphase und schlägt die Verwendung von Materialien vor, die weniger aggressiv für die Umwelt sind, sowie eine Rationalisierung und Optimierung des Einsatzes von Energie und Rohstoffen. Darüber hinaus können die Ingenieure auf der Grundlage der LCA-Ergebnisse Produkte mit einer längeren Nutzungsdauer entwerfen, die ihre Demontage für die Verwendung ihrer Komponenten erleichtern und das Recycling ihrer Materialien ermöglichen14.

Im Betriebsmanagement kann LCA dazu beitragen, die Auswahl der Produktionsressourcen zu definieren und darüber hinaus zu bestimmen, wie Aktivitäten im Zusammenhang mit der Produktherstellung oder der Bereitstellung von Dienstleistungen integriert werden. Basierend auf den Ergebnissen der Ökobilanz werden die Planung des Ressourceneinsatzes, des Materialbedarfs, der Produktentwicklung und der Produktionssteuerung effizienter vorbereitet. Daher ist es wichtig zu beachten, dass sich die Ökobilanz nicht auf die Änderung des Produktdesigns beschränkt, sondern sich auch auf deren Produktionsprozesse erstreckt. Wird ein Prozess unter Nachhaltigkeitsgesichtspunkten nicht positiv bewertet, beispielsweise weil er einen hohen Material- oder Energieaufwand erfordert oder weil überschüssiger Abfall anfällt, sollte dieser Prozess Gegenstand von Untersuchungen und Verbesserungen sein14.

Die Einhaltung von Umweltgesetzen ist nicht nur eine Verpflichtung. Der Ruf einer Organisation hängt stark davon ab, wie sie mit den Umweltaspekten ihrer Produkte, Dienstleistungen und Prozesse umgeht. Eine Organisation muss nicht nur über einen guten Ruf verfügen, um ihr Image zu festigen, sondern auch, um Geschäftsmöglichkeiten zu nutzen, da viele Unternehmen von ihren Partnern Zertifizierungen verlangen, die die Einhaltung von Umweltstandards belegen15. Die Ökobilanz von Produkten ermöglicht es, alternative Rohstoff- und Energiequellen zu finden, Prozesse zu entwickeln, die weniger Input erfordern und weniger Abfall erzeugen, die Möglichkeit der Wiederverwendung von Nebenprodukten oder Teilen des Endprodukts zu identifizieren und dem Produkt einen geeigneten Bestimmungsort zu geben Produkt nach seiner Entsorgung durch den Verbraucher.

Im Idealfall sollte der Verbraucher einen Klang hören, wie er von demjenigen geplant wurde, der ihn aufgenommen hat. Mit diesem Ziel reproduzieren die besten Akustiklautsprecher den Klang so nah wie möglich am Original. Eine der wichtigsten und aussagekräftigsten Leistungskennzahlen ist der Frequenzgang des Lautsprechers. Der Frequenzgang kann in Amplitude und Phase aufgeteilt werden, die zusammen das lineare Verhalten des Systems vollständig beschreiben16,17. Das Hauptziel besteht darin, einen Lautsprecher zu erhalten, der die Frequenzen des gesamten menschlichen Hörspektrums genau wiedergeben kann. Je gleichmäßiger die Amplitude und der Phasengang über die gesamte Betriebsbandbreite sind, desto besser ist die Qualität des Lautsprechers. In einem Frequenzgangdiagramm ist es wünschenswert, eine gerade Linie statt einer Linie mit Spitzen und Tälern zu sehen. Bei einem idealen Signal von einem idealen Verstärker und einer idealen Audioquelle können Schwankungen im flachen Frequenzgang häufig auf die Konstruktionsprozesse und verwendeten Materialien zurückgeführt werden, die erheblich variieren können. Beispielsweise kann der Ausbreitungskegel (eine Lautsprecherkomponente) aus Papier, Aluminium (Al), Polypropylen oder Glasfaser/Keramikpolymer bestehen.

Vom Funktionsprinzip her funktionieren die meisten Lautsprecher ähnlich: Auf der Rückseite des Lautsprechers wird in der Regel ein kreisförmiger Magnet mit einem starren Rahmen festgehalten. Um den Magneten wird eine Spule gelegt. Im Gegensatz zum Magneten ist die Spule jedoch an einem beweglichen Teil befestigt; Wenn der Lautsprecher mit Spannung versorgt wird, bewirken Änderungen im elektrischen Feld, dass sich eine Kupferspule (Cu) im Inneren des Magneten bewegt. Daran befestigt ist eine Membran, meist aus Papier oder Kunststoff, die sich gemeinsam hin und her bewegt, dabei Luft verdrängt und so Schallwellen erzeugt. Fließt ein elektrischer Strom in eine Richtung, entfernt sich die Membran vom Magneten, fließt er in die andere Richtung, rückt die Membran näher. Der Stromfluss ändert sich entsprechend der induzierten Frequenz von einer Seite zur anderen. Bei niedrigen Frequenzen kann dies einige Dutzend Mal pro Sekunde sein. Bei hohen Frequenzen geschieht dies bis zu 20.000 Mal oder mehr pro Sekunde. Die Größe eines Lautsprechers beeinflusst den Bereich der Audiofrequenzen, die er erzeugen kann. Ein größerer Lautsprecher kann also mehr Luft bewegen, aber nicht schnell, wodurch er tiefere Frequenzen besser erzeugen kann. Ein kleinerer Lautsprecher bewegt nicht so viel Luft und kann sich daher viel schneller bewegen, wodurch höhere Frequenzen besser erzeugt werden können16.

Die Bedeutung von Ökodesign bei Produktprojekten wie dem Lautsprecher und der Anwendung von LCA in Produktsubsystemen oder -komponenten, beispielsweise im Motor, ist klar. Nach unserem besten Wissen kann jedoch in der Literatur kein Bericht über empirische Ergebnisse gefunden werden, die die Umweltauswirkungen auf den Lebenszyklus des Lautsprechermotors für die zukünftige Anwendung von Ökodesign in diesem Produkt bewertet und identifiziert haben. Tatsächlich zeigt eine Literaturrecherche, dass sich die meisten Studien auf die empirische oder theoretische Bewertung der Auswirkungen der Lärmbelästigung auf Menschen beschränken, wie in18,19,20 zu sehen ist. Diese Studien werden auf die Phase der Lautsprechernutzung angewendet, mit der akustischen Ausrichtung, um das Produktdesign zu verbessern. Einige Ausnahmen sind21,22, bei denen die Autoren die Umweltauswirkungen des Neodym-Magneten bewerteten und die Umweltauswirkungen des neuen Magneten mit denen des recycelten Magneten verglichen. Die Autoren kamen zu dem Schluss, dass der recycelte Neodym-Magnet ein geringeres Potenzial für Umweltauswirkungen hat als der neue Magnet. Insbesondere21 hebt die folgenden Kategorien hervor: Globale Erwärmung; Übersäuerung; Karzinogene Toxizität für den Menschen; Nicht krebserregende Humantoxizität; Menschliche Gesundheit Partikelluft; Eutrophierung; Verschwinden der Ozon-Schicht; Ökotoxizität; und Smog.

Um ein Ökodesign eines Lautsprechers durchzuführen, haben wir einen „Teile-und-Herrsche“-Ansatz gewählt und das gesamte Produkt in kleinere Subsysteme geschichtet. Besonderes Augenmerk haben wir auf den Motor des Lautsprechers gelegt. Sobald der Untersuchungsgegenstand abgegrenzt ist, wird die LCA auf verschiedene vorgeschlagene Szenarien angewendet. Ziel ist es, den technischen Entscheidungsprozess zu unterstützen und die Ressourcen zu optimieren, um die Praxis des Ökodesigns in diesem Produktionssektor zu ermöglichen.

Daher schlägt die vorliegende Forschung Ökodesign-Alternativen für Lautsprechermotoren vor, die auf der Umweltleistung von Szenarien basieren, die durch LCA empirisch bewertet wurden. Die Szenarien wurden unter Berücksichtigung verschiedener Kombinationen von Komponenten erstellt, die auf dem aktuellen Markt für Lautsprechermotoren bereits im Einsatz sind.

Die vorliegende Arbeit wird dazu beitragen, den Entscheidungsprozess bei der Entwicklung von Lautsprecherprodukten zu unterstützen und eine Lücke in der wissenschaftlichen Literatur zu diesem Thema zu schließen. Nach dieser Einleitung ist der Artikel wie folgt aufgebaut: Im Abschnitt „Methoden“ wird die verwendete Forschungsmethode erläutert. Die erzielten Ergebnisse, einschließlich der generierten Szenarien, werden im Abschnitt „Ergebnisse und Diskussionen“ vorgestellt und diskutiert. Abschließend werden die Schlussfolgerungen im Abschnitt „Schlussfolgerung“ gezogen.

Lautsprecher werden seit über 50 Jahren mit Permanentmagneten entwickelt und hergestellt23. Die erste Entwicklung erfolgte, als der Motormagnet durch einen Alnico-Magneten (Aluminium/Nickel/Kobalt) ersetzt wurde. Daher waren diese Lautsprecher noch recht lange, komplexe und schwere Geräte. Der erste Wendepunkt war die Verringerung der Höhe und Größe. Es werden also Hartferrit-Magnete24 verwendet. Designs mit Ferritmagneten sind ineffizient, da es zu einem starken Streufluss kommt. Andererseits haben Ferritmagnete aufgrund ihres Preises auf dem Markt wirtschaftliche Vorteile. Allerdings führt Eisen in solchen Motoren zu verschiedenen Arten von Nichtlinearitäten. Dazu gehören beispielsweise die magnetische Sättigung des Eisens und die Variation der Spuleninduktivität mit ihrer Position, was zu einem Reluktanzeffekt führt25. Das Aufkommen von Neodym-Permanentmagneten ist der letzte Schritt im Zusammenhang mit dem Fortschritt bei Permanentmagnetmaterialien. Mit solchen Permanentmagneten mit Nd-Verbindung verringerten sich Größe und Gewicht des Lochmotors drastisch26. Auf diese Weise ist eine Modifikation des Permanentmagneten durch einen kleineren und leichteren Magneten für ein neues Design des gesamten Lautsprechermotors (Spule und Spulenkörper) erforderlich, was den Einsatz neuer Materialien und sogar Biomaterialien ermöglicht. Änderungen in der Motorleistung sind auch auf mechanische Toleranzen der Komponenten zurückzuführen. Es ist wichtig, ihren Einfluss zu überprüfen, um die Wiederholbarkeit während der Produktion und eine hohe Produktleistung zu gewährleisten27. Aufgrund der komplexen Produktionskette des Produkts, die mehrere Produktionseinheiten in verschiedenen Teilen der Welt umfasst, wurde der Gegenstand dieser Untersuchung auf den Lautsprechermotor beschränkt, der in Abb. 1 hervorgehoben ist und einer der kritischsten und differenziertesten Teile von ist ein Lautsprecher.

Strukturzeichnung eines herkömmlichen Lautsprechers mit Hervorhebung der einzelnen Komponenten und Vergrößerung des Motorsatzes.

Es gibt viele auf dem Markt weit verbreitete Modelle von Lautsprechermotoren mit ähnlichen Funktionen und Eigenschaften. Wir können den Motor grob in drei Hauptbestandteile unterteilen, nämlich den Magneten, den Spulenkörper und die Spule, die aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden können. Tabelle 1 listet eine mögliche Konfiguration des Basisszenarios auf, das hier als „reales Produkt“ bezeichnet wird, und präsentiert weitere sieben Szenarien als Ökodesign-Vorschläge. Aus Gründen der Informationssicherheit des Herstellers wurden der Name und die Beschreibung des Lautsprechermodells vertraulich behandelt, da es sich in diesem Artikel um ein echtes Produkt handelt. Als Basisszenario wurde die reale Produktkonfiguration übernommen, da es sich um die am häufigsten verwendete Struktur für Lautsprechermotoren auf dem Markt handelt.

Daher wurde die Ökobilanz auf jede mögliche Kombination der Komponenten der Motormodelle mit Cradle-to-Gate-Produktsystemen angewendet, wie in Abb. 2 dargestellt.

Graustufendiagramm mit drei Spalten/Schritten mit Pfeilen, die die Ein- und Ausgänge des Material-, Komponenten- und Prozessflusses bei der Herstellung eines herkömmlichen Lautsprechers signalisieren.

In Abb. 2 gibt es andere Komponenten als in Tabelle 1 beschrieben, da im Produktsystem auch die anderen möglichen Komponenten für die Kombinationen zur Generierung der Ecodesign-Szenarien berücksichtigt wurden.

Die Materialbeschaffung umfasst den Transport und die Verlagerung der Hauptrohstoffe des Lautsprechers. Die meisten Materialien, wie zum Beispiel Aluminium und Kupfer, werden von regionalen Unternehmen geliefert. Allerdings konzentriert sich die Gewinnung von Nd zum größten Teil auf China4,28 und wird per Seetransport nach Brasilien verschifft. Da der Materialtransport einen geringeren Anteil an den gesamten Produktlebenszyklusemissionen verursacht, muss er bei der Analyse berücksichtigt werden. Das Ziel der Ökobilanz besteht darin, die Umweltauswirkungen von 8 möglichen Szenarien im Lautsprecherdesign zu bewerten, wobei als Vergleichsreferenz ein auf dem Markt weit verbreitetes Projekt verwendet wird, das in diesem Artikel als „reales Produkt“ (Basisszenario) bezeichnet wird und in Tabelle 1 dargestellt ist Die untersuchten Szenarien (Ökodesign-Projekte) haben ungefähre Funktionalitäten und können als gleichbedeutend mit der Standardisierung einer funktionalen Einheit zwischen ihnen angesehen werden. Zur Durchführung der Ökobilanz wurde die Funktionseinheit eines Lautsprechermotors (echtes Produkt) von 960,927 g übernommen. Der Referenzstrom für dieses Produkt ist die Produktion von 960,927 g, verteilt auf die drei Komponenten, die als fertiges Produkt betrachtet werden.

Die Phasen der Ökobilanz wurden gemäß ISO 14040 (2009)9 und ISO 14044 (2009)10 mit der Software GaBi Student durchgeführt. Als zweite Phase wurde das Life Cycle Inventory (LCI) aus Lautsprecherdatenblättern erhoben. Dies ist eine sekundäre Datenerfassungsmethode29. In dieser Reihenfolge ist die nächste LCA-Phase die Lebenszyklus-Folgenabschätzung (LCIA). Als Ergebnis der Modellierung wurden Daten aus vier Methoden gewonnen. Dennoch wird sich die Analyse auf TRACI 2.1 konzentrieren, da es über Indikatoren verfügt, die sich hauptsächlich auf die Industrieregion Nordamerikas konzentrieren und daher für die Region von Interesse, d. h. Brasilien, besser geeignet sind als die anderen Methoden, die stärker darauf ausgerichtet sind Europa. Die relevantesten Kategorien für das Szenario der Rohstoffgewinnung und Lautsprecherproduktion der TRACI 2.1-Methodik werden im Folgenden beispielhaft dargestellt30. Im gleichen Sinne wurden die interne und externe Normalisierung gemäß der TRACI 2.1-Methodik unter Berücksichtigung des nordamerikanischen Kontexts durchgeführt. Die interne Normalisierung wurde innerhalb desselben Szenarios durchgeführt, wobei die Gesamtauswirkungen in jeder Umweltauswirkungskategorie bewertet und das relative Potenzial jeder Lautsprechermotorkomponente für alle Kategorien berechnet wurden. Die externe Normalisierung wurde durchgeführt nach:

Wo:

NFi ist der Normalisierungsfaktor (Impact Head\(^{-1}\) Jahr\(^{-1}\)) für die Impact-Kategorie i;

CFi,s ist der Charakterisierungsfaktor (Auswirkung kg\(^{-1}\), der von einem bestimmten Stoff s für die Auswirkungskategorie i emittiert wird;

Es sind Stoffemissionen für ein bestimmtes geografisches Referenzgebiet (kg Jahr\(^{-1}\)). In dieser Studie haben wir die Bevölkerung der USA und der US-Kalifornien untersucht. Und

P ist die menschliche Bevölkerung des Referenzgebiets (Kopf).

Für weitere Einzelheiten zur Normalisierungsmethodik wird der Leser auf31,32 verwiesen.

In diesem Abschnitt präsentieren wir zunächst eine kurze Beschreibung der in Tabelle 2 aufgeführten potenziellen Umweltauswirkungen. Die LCI-Ergebnisse sind im Zusatzmaterial aufgeführt. Anschließend wurde eine interne Normalisierung durchgeführt, die die relativen Potenziale jeder Komponente des Lautsprechermotors für jede Kategorie von Umweltauswirkungen zeigte. Anschließend wurde eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, die Szenarien generierte, die Optionen für das Ökodesign des Lautsprechermotors darstellen, zusammen mit einer externen Standardisierung, wobei zusätzlich die Gesamtauswirkungen nach Kategorie in Nordamerika berücksichtigt wurden, das die repräsentativsten Länder auf dem Lautsprechermarkt abdeckt zu den Ländern zu gehören, die Teil der LCIA TRACI 2.1-Methode sind.

Um die Ergebnisse in Tabelle 2 darzustellen, ist es zunächst erforderlich, die Ursachen und Auswirkungen der identifizierten Umweltwirkungskategorien zu erläutern und zunächst in einem allgemeinen Kontext zusammenzufassen. Anschließend werden die Ursachen dieser Umweltauswirkungen im Kontext des Lautsprechermotors analysiert.

Laut33 wird die globale Erwärmung hauptsächlich durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe verursacht, wenn die bei der Verbrennung entstehenden Stoffe durch Infrarotstrahlung absorbiert werden und sich in der Atmosphäre stabilisieren (IPCC, 2007). Diese Einwirkungskategorie ist für die beschleunigte Erwärmung und plötzliche Temperaturänderung auf dem Globus verantwortlich.

Versauerung wird im Allgemeinen durch die Emission gasförmiger, fester oder flüssiger Schadstoffe verursacht, die in die Luft, das Wasser und den Boden gelangen und hauptsächlich aus Aktivitäten und der Verbrennung bei Energieerzeugungsprozessen, ob elektrisch oder thermisch, resultieren. In diesem Fall führen die Schadstoffe Wasserstoffionen in die Umwelt ein oder geben sie ab, und Anionen (die Wasserstoffionen begleiten) werden aus dem System ausgewaschen oder ausgewaschen33.

Eutrophierung führt zu einer übermäßigen Menge an Nährstoffen in einem Medium. Die Hauptnährstoffe basieren auf Stickstoff, Phosphor und Kalium. Laut33 kann Eutrophierung insbesondere durch Emissionen in die Luft (z. B. Stickoxide aus Verbrennungsprozessen), ins Wasser (z. B. Stickstoff in Gewässern, die durch den Einsatz von Düngemitteln in der Landwirtschaft entstehen) sowie in und über dem Boden (z. B. Stickstoff) verursacht werden , Emissionen von Phosphor, der aus landwirtschaftlichen Quellen in den Boden gelangt).

Der Abbau der Ozonschicht wird insbesondere durch vom Menschen verursachte Emissionen von Halogenkohlenwasserstoffen und Gasen bei normalen Atmosphärentemperaturen verursacht, wie z. B. Kältemittel, Lösungsmittel und Schaummittel, die Chlor oder Brom enthalten. Insbesondere Kältemittel sind besonders schädlich, da sie immer noch häufig in Wärmekreisläufen zur Steigerung der Effizienz eingesetzt werden, einem reversiblen Phasenübergang von Flüssigkeit zu Gas33.

Laut33 wird Ökotoxizität durch die Emission toxischer Substanzen in die Biosphäre verursacht, die sich auf Arten von Flora und Fauna auswirkt und bei ihren Arten eine Toxizität verursacht, die bioakkumulierbar sein kann. Die Ökotoxizität wird in Comparative Toxic Units Ecotoxicity (CTUe) quantifiziert.

Die menschliche Gesundheit wird mit Mikropartikeln in der Luft in Verbindung gebracht, die gesundheitliche Probleme verursachen. Die Mikropartikel haben einen Durchmesser von weniger als 10 Mikrometern und können tief in die Lunge gelangen, einige sogar in den Blutkreislauf. Daher können diese Partikel die menschliche Lunge und das Herz beeinträchtigen. Menschen mit Herz- oder Lungenerkrankungen, Kinder und ältere Erwachsene sind am wahrscheinlichsten von der Feinstaubbelastung betroffen33.

Gemessen in der Comparative Toxic Unit for Human (CTUh). Die Toxizität für den Menschen lässt sich in zwei Hauptkategorien einteilen, je nachdem, ob sie krebserregend ist oder nicht. Die erste Toxizität für den Menschen wird durch chemische Substanzen hervorgerufen, die vom Menschen aufgenommen oder eingeatmet werden, und diese Substanzen können Krebs verursachen. Toxizität für den Menschen, die nicht krebserregend ist, wird auch durch die Aufnahme oder Inhalation chemischer Substanzen verursacht, die durch menschliche Aktivitäten in die Umwelt abgegeben werden, aber außer Krebs auch anderen Schaden für den Menschen verursachen29.

Schließlich gibt es laut29 die Bildung von troposphärischem Ozon, auch Smog-Bildung oder einfach Smog genannt, wie in diesem Artikel verwendet. In Bodennähe findet bei Ozon die gleiche chemische Reaktion zwischen Stickoxiden (NOx) und flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) in Gegenwart von Sonnenlicht statt. Diese Gase werden hauptsächlich von Elektrizitätsversorgungsunternehmen, Industrieanlagen und Verbrennungsmotoren erzeugt. Der Smog verursacht verschiedene Atemwegserkrankungen wie Bronchitis, Asthma und Emphyseme. Zu den ökologischen Auswirkungen gehört die Zerstörung derselben Ökosysteme5.

Die Produktionskette des Lautsprechermotors besteht aus der Magnetfertigung, der Spulenfertigung und der Spulenkörperfertigung. Die wichtigsten Umweltaspekte dieser Prozesse und ihre wichtigsten Umweltauswirkungen werden im Folgenden vorgestellt und diskutiert.

Die größte Emission, die zur Kategorie der globalen Erwärmung beiträgt, ist das CO2-Äquivalent. wird durch den Produktionsschritt des zur Herstellung des Magneten verwendeten Ferrit-Rohmaterials bereitgestellt. Darüber hinaus war Arsen (As) in der Luft die größte Emission mit Auswirkungen auf die Toxizität für den Menschen (krebserregende Stoffe), wobei die größte Auswirkung auch auf die Verbrennung und die Entsorgung fester Abfälle zurückzuführen ist. Bei den nicht krebserregenden Stoffen hatte der für die Humantoxizität verantwortliche Stoff Pb-kontaminiertes Wasser den größten Einfluss auf die Emissionen. Was die Auswirkungen auf die Atemwege betrifft, so war der Aufbereitungsprozess zur Herstellung des Ferritmagneten der größte Faktor. In der Kategorie „Eutrophierung“ resultierte die Emission mit der größten Auswirkung aus der im Wasser verteilten Phosphatmenge und dem Abbau von O3 bzw. CH4 in der Luft. In der Literatur wird festgestellt, dass die Verbrennung fossiler Brennstoffe in Industrieöfen den größten Beitrag zur photochemischen Bildung der Kategorie Luftverschmutzung (Smog) leistet21,22.

Damit eine Ferrit-Lautsprecher-Magnetbaugruppe die gleiche Effizienz wie Neodym erreicht, ist etwa die vierfache Ferritmasse (um den gleichen magnetischen Fluss zu haben) erforderlich22. In dieser Analyse war Neodym das Material, das den geringsten negativen Beitrag leistete, da alle Kategorien im Durchschnitt 25 % kleiner waren als Ferrit. Bemerkenswert ist, dass die Gewinnung und Primärproduktion von Nd (Magnet, der in Hochleistungslautsprechern verwendet wird) seit 1994 in China konzentriert ist, wobei die Nachfrage nach seinen Anwendungen seit 1990 sowohl für Neumaterial als auch für recyceltes Material steigt. Der Einsatz von Neodym-Magneten auf dem Weltmarkt macht 6,2 % aus, während der größte Einsatz bei Elektromotoren mit 34 % liegt22.

Nach Ferrit dominiert Aluminium in den meisten Umweltwirkungskategorien des Lautsprechermotors. Die in Tabelle 2 dargestellten Daten spiegeln deutlich die unterschiedlichen Umweltauswirkungen der Erzverarbeitung wider, wenn man die Gewinnung, Trennung und Konzentration der gewünschten Mineralien berücksichtigt. In der Kategorie der globalen Erwärmung entstehen CO2-Emissionen hauptsächlich durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe, die im Fall von Aluminium nach der Zerkleinerung durch Traktoren und Bagger in der Bauxitgewinnungsstufe verschiedene industrielle Prozesse mit Trennmaschinen, Waschen (große Mengen) erfordern Wasser), Mahlung und Entsorgung der vom gewaschenen Bauxit abgetrennten Rückstände. Bei der Analyse des Aluminiumbestands im Zusatzmaterial, der Menge der Emissionen organischer Substanzen in Luft und Wasser, können wir feststellen, dass dieser Werte aufweist, die doppelt so hoch sind wie der Kupferbestand. Bei Kupfer lag der einzige Ausreißer und höher als bei Aluminium in der Kategorie Ökotoxizität, was durch die hohe Menge an Partikel- und Schwermetallemissionen in die Luft erklärt werden kann. Dieser Unterschied ist auf die unterschiedlichen chemischen Prozesse bei der Aluminiumherstellung zurückzuführen. So verbessert die Wahl von Kupfer bei Lautsprechern die Leistung unter Umweltgesichtspunkten. Im Hinblick auf die Materialdichte ist jedoch Aluminium vorzuziehen, da eine wünschenswerte Eigenschaft der Spule darin besteht, leicht zu sein, um die Verschiebung des Satzes und damit die akustische Qualität nicht zu beeinflussen.

In30 werden die Ergebnisse der Anwendung von LCA auf die Spulenkörperproduktion beschrieben34, indem die Auswirkungen des Aluminium- und Kupferspulenkörpers auf den Lebenszyklus verglichen werden. Für die Spulenform durchläuft der Bauxitgewinnungsprozess das gleiche Verfahren wie bei der Herstellung von Aluminiumspulen, mit dem Unterschied, dass im letzten Schritt die Aluminiumbleche geformt werden und nicht der für die Spule bestimmte Knüppel. Die Schlagzähigkeitswerte für Glasfaser waren besser als für Aluminium. Sein Herstellungsprozess ist einfacher als der von Aluminium, da in seiner Zusammensetzung geringere Mengen an Mineralien verwendet werden und weniger Maschinen erforderlich sind. Im Fall der Mineralien können wir im Inventar im Ergänzungsmaterial sehen, dass das Vorkommen von Colemanit (Ca2B6O11.5H2O) und Dolomit (CaMg(CO3)2) alles andere als vernachlässigbar ist. Der O3-Schichtabbauwert war für beide Materialien negativ. Dieser Wert weist darauf hin, dass die analysierte Alternative für die Wirkungskategorie positiv ausfiel. Die Suche nach der Grundursache dieser Diskrepanz ist nicht Teil des Umfangs der Studie, kann aber für die Zukunft ermittelt werden vertiefendes Studium. Die Verwendung von Glasfaser in Lautsprechern wird sowohl im Hinblick auf die Umwelt als auch auf die Leistung interessant, da Glasfaser eine bessere Steifigkeit und Betriebstemperatur (vor Verformung) aufweist als Aluminium. Abbildung 3 zeigt die relativen Beiträge der Umweltauswirkungen jeder Komponente des Lautsprechermotors aus Szenario 1 als Funktion jeder bewerteten Umweltauswirkungskategorie. Es ist wichtig zu erwähnen, dass Szenario 1 das am häufigsten vorkommende Szenario in der Lautsprecherbranche ist und daher als Basisszenario für den Vergleich der anderen in den Tabellen 1 und 3 aufgeführten Szenarien betrachtet wurde.

Balkendiagramm mit zwei Achsen und den drei Materialien, die den relativen prozentualen Beitrag nach Wirkungskategorie nach Kategorie darstellen, wobei die HTC-Aluminiumspulenkategorie mit dem höchsten Prozentsatz hervorgehoben wird.

Wenn man Ferrit als magnetisches Komponentenmaterial betrachtet, überwiegt diese Komponente in allen Kategorien von Umweltauswirkungen, und es ist nicht möglich, die Beiträge potenzieller Umweltauswirkungen anderer Komponenten und Materialien im Lautsprechermotor zu ermitteln. Daher besteht die Prämisse darin, dass Ferrit in allen Szenarien durch Neodym ersetzt werden sollte, um die beste Umweltverträglichkeit dieses Produkts zu erzielen. Daher wurden die Szenarien 3, 5 und 7, die Ferrit enthalten, ausgeschlossen. Lediglich Szenario 1, das auch Ferrit enthält, wurde beibehalten und daher als Basisszenario übernommen.

Basierend auf dem Motormodell des Real-Produkts wurden ihre jeweiligen Komponenten kombiniert und acht mögliche Lautsprechermotor-Designszenarien generiert, wie in Tabelle 3 dargestellt.

Die Kombination der verschiedenen Komponenten des Lautsprechermotors wurde als Sensitivitätsanalyse durchgeführt, die als optionale Phase der Ökobilanz und auch als Vorschlag von Möglichkeiten für den Ökodesign-Entscheidungsprozess vorgesehen ist.

Das Liniendiagramm mit zwei Achsen und den fünf Szenarien, die den relativen Beitrag in Prozent nach Wirkungskategorie nach Kategorien darstellen, hob die HTC-Szenarien 2 und 4 mit einem Prozentsatz von 28,29 % über dem Schwellenwert von 100 % hervor.

In der Analyse von Abb. 4 wird eine homogene Variation und ein Standardverhalten zwischen den Kategorien von Umweltauswirkungen in den projizierten Ökodesign-Szenarien beobachtet. Kurz gesagt, alle prognostizierten Szenarien weisen eine bessere Umweltleistung auf als das Basisszenario (reales Produkt), mit Ausnahme der Krebskategorie „Humantoxizität“, in der alle prognostizierten Szenarien eine geringere Umweltleistung als das Basisszenario aufweisen. Hierbei handelt es sich um eine heikle Kategorie der Umweltauswirkungen, bei der besonderes Augenmerk auf die menschliche Gesundheit gelegt wird und die bekanntermaßen durch den Lebenszyklus von Neodym verursacht wird, was die Studie von21 bestätigt. Unter den geplanten Ökodesign-Szenarien ist Szenario 4, absolut gesehen, dasjenige mit der höchsten Umweltleistung, das aus einer Aluminiumspule, einem Glasfaser-Spulenkörper und einem Neodym-Magneten besteht.

Um andererseits einen Überblick über die Umweltleistung als Ganzes zu erhalten, wurde für jedes bewertete Szenario, einschließlich des Basisszenarios, eine externe Normalisierung in Bezug auf die Summe jeder in Nordamerika bewerteten Umweltauswirkungskategorie übernommen, wie aus Daten von32 hervorgeht . Somit ist es möglich, das Gesamtpotenzial der Umweltauswirkungen jedes Szenarios abzuschätzen und miteinander zu vergleichen. Abbildung 5 zeigt diese Ergebnisse.

Liniendiagramm mit zwei Achsen und fünf Szenarien, die den normalisierten Indikator pro Jahr nach Kategorie der Auswirkungen aller Kategorien darstellen und 51 % größer sind als die Summe von Szenario 1 im Verhältnis zu den anderen.

Aus den Ergebnissen der externen Standardisierung geht hervor, dass die Ecodesign-Projektszenarien 2, 4, 6 und 8 eine gleichwertige Umweltleistung aufweisen. Darüber hinaus haben die projizierten Ökodesign-Szenarien insgesamt ein um 51 % geringeres Umweltauswirkungspotenzial als das Basisszenario, das auf dem weltweiten Lautsprechermarkt weit verbreitet ist, obwohl alle von ihnen höhere potenzielle Auswirkungen auf die Kategorie „Humantoxizität ohne Krebs“ haben. Diese Verbesserung der Umweltleistung für alle prognostizierten Szenarien könnte angesichts der Gesamtheit der Produkte auf dem Weltmarkt ein großer Fortschritt in der globalen Lautsprecherindustrie gegenüber der Kreislaufwirtschaft sein. Da es sich um eine relative Analyse in Prozenteinheiten handelt, ist der relative Beitrag der Kategorie „Humantoxizität ohne Krebs“ viel höher als der der anderen Kategorien, was es schwierig macht, die Beiträge der anderen Komponenten und Szenarien für die anderen Kategorien von Umweltauswirkungen zu visualisieren. Allerdings besteht zwischen den anderen Szenarien je nach analysierter Wirkungskategorie ein deutlicher prozentualer Unterschied, wie in Abb. 6 dargestellt.

Vergleich der relativen Beiträge der Kategorieindikatoren von Spulenkörper und Spule. Die Ec- und HTnC-Kategorie für die Spule wird hervorgehoben, wobei ihr Einflussprozentsatz etwa zehnmal höher ist als bei den anderen.

Es ist ersichtlich, dass die Ecodesign-Szenarien, bei denen Aluminium durch Glasfaser ersetzt wird und Neodym im Spulenkörper verbleibt, eine bessere Umweltleistung aufweisen. Dies sind die Fälle der Szenarien 4 und 8. Andererseits ist in derselben Grafik zu erkennen, dass Kupfer in drei Wirkungskategorien deutlich höhere Wirkungspotenziale aufweist als Aluminium. Im Gegensatz dazu liegen die anderen Kategorien nahe an der in Abb. 6 rot und gepunktet dargestellten Grenzlinie. Daraus lässt sich schließen, dass das Ecodesign 4-Szenario für den Lautsprechermotor aus Sicht der Umweltverträglichkeit das beste Szenario ist unter den acht Bewerteten.

Das Forschungsziel wurde innerhalb der vorgeschlagenen Grenzen erfolgreich abgeschlossen. Unter den acht Komponentenaustauschszenarien, die die Ökodesign-Vorschläge charakterisieren, wurde eine Projektspezifikation für den Lautsprechermotor mit der am besten analysierten Leistung ermittelt. Der identifizierte Vorschlag ist Szenario 4, das aus einem Motor mit einer Aluminiumspule, einem Glasfaserspulenkörper und einem Neodymmagneten besteht. Darüber hinaus konnten die dazwischenliegenden Ecodesign-Szenarien für den Lautsprechermotor basierend auf der am häufigsten verwendeten Motoroption auf dem Markt identifiziert werden.

Die Ergebnisse dieses Artikels schließen eine theoretische Lücke in der wissenschaftlichen Literatur und tragen mit Zuschüssen zur Entscheidungsfindung in Lautsprecherentwicklungsprojekten in die Ingenieurspraxis ein.

Die Forschung weist zwei wichtige Einschränkungen auf. Die erste basiert auf der Datenerfassung für das LCI, die auf der Grundlage von Datenblättern der Lautsprecherhersteller durchgeführt wurde. Dabei handelt es sich um einen Ansatz zur Datenerfassung aus Sekundärquellen, der jedoch zuverlässig ist. Die zweite Einschränkung liegt im Umfang der Ökobilanz, die aufgrund der Komplexität dieses Produkts und seiner Produktionskette nur auf eine Lautsprecherkomponente, den Motor, beschränkt war.

Diese Einschränkungen können jedoch in zukünftigen Forschungen überwunden werden, indem mit Unterstützung der Hersteller die Datenerfassung aus Primärquellen vor Ort und vor Ort sowie für den Lautsprecher als Ganzes übernommen wird. Darüber hinaus gibt es Vorschläge zur Analyse der technologischen und wirtschaftlichen Leistung des Produkts in integrierter Weise mit der Umweltleistung. Dadurch werden die Ergebnisse tendenziell besser von Herstellern und Verbrauchern aufgenommen und so können Lautsprecher-Ökodesign-Projekte in großem Maßstab umgesetzt werden.

Alle Datenbanken und Software, die zur Unterstützung der Schlussfolgerung dieses Artikels verwendet werden, sind auf der Website von (http://www.gabi-software.com/international/databases/) verfügbar.

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Die Autoren danken der São Paulo Research Foundation (FAPESP), Zuschuss Nr. 2020/11874-5, und dem Nationalen Rat für wissenschaftliche und technologische Entwicklung (CNPq), Zuschuss Nr. 405749/2022-8.

Diese Autoren trugen gleichermaßen bei: Ivan Aritz Aldaya Garde, Mirian Paula dos Santos, Rafael Abrantes Penchel, Lúcio Cardozo Filho und José Augusto de Oliveira.

Zentrum für fortschrittliche und nachhaltige Technologien – CAST, São Paulo State University (UNESP), Av. Profa. Isette Corrêa Fontão, 505, São João da Boa Vista, São Paulo, 13876-750, Brasilien

Allan Di Cunto D'Avila de Almeida, Ivan Aritz Aldaya Garde, Mirian Paula dos Santos, Rafael Abrantes Penchel, Lúcio Cardozo Filho und José Augusto de Oliveira

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Alle Autoren haben dieses Manuskript überprüft und Beiträge geleistet, wobei jeder ein Spezialist auf einem bestimmten Fachgebiet ist.

Korrespondenz mit Allan Di Cunto D'Avila de Almeida.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

de Almeida, ADCD, Garde, IAA, dos Santos, MP et al. Szenarien für Ökodesign im Lautsprechermotor. Sci Rep 12, 19493 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24042-7

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Eingegangen: 26. Juni 2022

Angenommen: 09. November 2022

Veröffentlicht: 14. November 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-24042-7

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Szenarien für Ökodesign im Lautsprechermotor