A fabricação teve um grande verão. O CHIPS and Science Act, assinado em agosto, representa um investimento maciço na fabricação doméstica dos EUA. A lei visa expandir drasticamente a indústria de semicondutores dos EUA, fortalecer as cadeias de suprimentos e investir em P&D para novos avanços tecnológicos. De acordo com John Hart, professor de engenharia mecânica e diretor do Laboratório de Manufatura e Produtividade do MIT, a Lei CHIPS é apenas o exemplo mais recente do aumento significativo do interesse na manufatura nos últimos anos.

“Você tem várias forças trabalhando juntas: reflexos do impacto da pandemia nas cadeias de suprimentos, a situação geopolítica em todo o mundo e a urgência e importância da sustentabilidade”, diz Hart. “Isso agora alinhou os incentivos entre o governo, a indústria e a comunidade de investimentos para acelerar a inovação em manufatura e tecnologia industrial.”

De mãos dadas com esse foco maior na fabricação, há a necessidade de priorizar a sustentabilidade.

Aproximadamente um quarto das emissões de gases de efeito estufa veio da indústria e manufatura em 2020. As fábricas também podem esgotar as reservas locais de água e gerar grandes quantidades de resíduos, alguns dos quais podem ser tóxicos.

Para abordar essas questões e impulsionar a transição para uma economia de baixo carbono, novos produtos e processos industriais devem ser desenvolvidos juntamente com tecnologias de fabricação sustentáveis. Hart vê os engenheiros mecânicos desempenhando um papel crucial nessa transição.

“Os engenheiros mecânicos podem resolver problemas críticos de forma exclusiva que exigem tecnologias de hardware de última geração e saber como dimensionar suas soluções”, diz Hart.

Várias empresas de rápido crescimento fundadas por professores e ex-alunos do Departamento de Engenharia Mecânica do MIT oferecem soluções para o problema ambiental da manufatura, abrindo caminho para um futuro mais sustentável.

A fabricação requer água, e muita. Uma fábrica de fabricação de semicondutores de tamanho médio usa mais de 10 milhões de galões de água por dia. Num mundo cada vez mais assolado por secas, esta dependência da água representa um grande desafio.

Gradiant oferece uma solução para este problema de água. Co-fundada por Anurag Bajpayee SM '08, PhD '12 e Prakash Govindan PhD '12, a empresa é pioneira em projetos de água sustentáveis ??— ou “tecnologia limpa”.

Como estudantes de doutorado no Laboratório de Transferência de Calor Rohsenow Kendall, Bajpayee e Govindan compartilhavam pragmatismo e inclinação para a ação. Ambos trabalharam na pesquisa de dessalinização - Bajpayee com o professor Gang Chen e Govindan com o professor John Lienhard.

Inspirado por uma infância passada durante uma seca severa em Chennai, na Índia, Govindan desenvolveu para seu doutorado uma tecnologia de umidificação-desumidificação que imitava os ciclos naturais de chuva. Foi com essa tecnologia, que batizaram de Carrier Gas Extraction (CGE), que a dupla fundou a Gradiant em 2013.

A chave para o CGE está em um algoritmo proprietário que considera a variabilidade na qualidade e quantidade na alimentação de águas residuais. No coração do algoritmo está um número adimensional, que Govindan propõe um dia ser chamado de “Número de Lienhard”, em homenagem a seu orientador de doutorado.

“Quando a qualidade da água varia no sistema, nossa tecnologia envia automaticamente um sinal para os motores dentro da usina para ajustar as taxas de fluxo para trazer de volta o número adimensional para um valor de um. Uma vez que é trazido de volta ao valor de um, você está funcionando em condições ideais”, explica Govindan, que atua como diretor de operações da Gradiant.

Este sistema pode tratar e limpar as águas residuais produzidas por uma fábrica para reutilização, economizando milhões de litros de água a cada ano.

À medida que a empresa cresceu, a equipe da Gradiant adicionou novas tecnologias ao seu arsenal, incluindo a extração seletiva de contaminantes, um método econômico que remove apenas contaminantes específicos e um método de concentração de salmoura chamado osmose reversa de contrafluxo. Eles agora oferecem uma pilha de tecnologia completa de soluções de tratamento de água e efluentes para clientes em setores como farmacêutico, energia, mineração, alimentos e bebidas e a crescente indústria de semicondutores.

“Somos um fornecedor de soluções de água de ponta a ponta. Temos um portfólio de tecnologias proprietárias e escolheremos entre nossa 'aljava', dependendo das necessidades do cliente”, diz Bajpayee, que atua como CEO da Gradiant. “Os clientes nos veem como seus parceiros de água. Podemos cuidar de seu problema de água de ponta a ponta para que eles possam se concentrar em seu negócio principal.”

A Gradiant teve um crescimento explosivo na última década. Com 450 estações de tratamento de água e esgoto construídas até hoje, eles tratam o equivalente a 5 milhões de residências de água por dia. As aquisições recentes viram o total de funcionários subir para mais de 500.

A diversidade das soluções da Gradiant se reflete em seus clientes, que incluem Pfizer, AB InBev e Coca-Cola. Eles também contam com gigantes de semicondutores como Micron Technology, GlobalFoundries, Intel e TSMC entre seus clientes.

“Nos últimos anos, realmente desenvolvemos nossas capacidades e reputação no atendimento a águas residuais de semicondutores e água ultrapura de semicondutores”, diz Bajpayee.

Os fabricantes de semicondutores exigem água ultrapura para fabricação. Ao contrário da água potável, que tem um total de sólidos dissolvidos na faixa de partes por milhão, a água usada para fabricar microchips tem uma faixa de partes por bilhão ou quatrilhão.

Atualmente, a taxa média de reciclagem nas fábricas de semicondutores - ou fábricas - em Cingapura é de apenas 43%. Usando as tecnologias da Gradiant, essas fábricas podem reciclar de 98 a 99% dos 10 milhões de galões de água de que precisam diariamente. Essa água reutilizada é pura o suficiente para ser colocada de volta no processo de fabricação.

“O que fizemos foi eliminar o descarte dessa água contaminada e quase eliminar a dependência da fábrica de semicondutores do abastecimento público de água”, acrescenta Bajpayee.

Com a introdução de novos regulamentos, aumenta a pressão para que as fábricas melhorem o uso da água, tornando a sustentabilidade ainda mais importante para os proprietários de marcas e seus stakeholders.

À medida que a indústria doméstica de semicondutores se expande à luz do CHIPS e do Science Act, a Gradiant vê uma oportunidade de levar suas tecnologias de tratamento de água de semicondutores para mais fábricas nos Estados Unidos.

Como Bajpayee e Govindan, Shreya Dave '09, SM '12, PhD '16 se concentrou na dessalinização para sua tese de doutorado. Sob a orientação de seu orientador Jeffrey Grossman, professor de ciência e engenharia de materiais, Dave construiu uma membrana que poderia permitir uma dessalinização mais eficiente e barata.

Uma análise minuciosa de custo e mercado levou Dave à conclusão de que a membrana de dessalinização que ela desenvolveu não chegaria à comercialização.

“As tecnologias atuais são realmente boas no que fazem. Eles são de baixo custo, produzidos em massa e funcionaram. Não havia espaço no mercado para nossa tecnologia”, diz Dave.

Pouco depois de defender sua tese, ela leu um artigo na revista Nature que mudou tudo. O artigo delineou um problema. As separações químicas que são essenciais para muitos processos de fabricação requerem uma grande quantidade de energia. A indústria precisava de membranas mais eficientes e baratas. Dave pensou que ela poderia ter uma solução.

Depois de determinar que havia uma oportunidade econômica, Dave, Grossman e Brent Keller PhD '16 fundaram a Via Separations em 2017. Pouco depois, eles foram escolhidos como uma das primeiras empresas a receber financiamento da empresa de risco do MIT, The Engine.

Atualmente, a filtração industrial é feita pelo aquecimento de produtos químicos em temperaturas muito altas para separar os compostos. Dave compara isso a fazer macarrão fervendo toda a água até que ela evapore e tudo o que resta é o macarrão. Na fabricação, esse método de separação química é extremamente intensivo em energia e ineficiente.

A Via Separations criou o equivalente químico de um “coador de macarrão”. Em vez de usar calor para separar, suas membranas “coagem” compostos químicos. Este método de filtragem química usa 90% menos energia do que os métodos padrão.

Enquanto a maioria das membranas é feita de polímeros, as membranas da Via Separations são feitas com óxido de grafeno, que pode suportar altas temperaturas e condições adversas. A membrana é calibrada de acordo com as necessidades do cliente, alterando o tamanho dos poros e ajustando a química da superfície.

Atualmente, Dave e sua equipe estão se concentrando na indústria de papel e celulose como seu principal mercado. Eles desenvolveram um sistema que torna a recuperação de uma substância conhecida como “licor negro” mais eficiente em termos energéticos.

“Quando a árvore vira papel, apenas um terço da biomassa é usado para o papel. Atualmente, o uso mais valioso para os dois terços restantes não necessários para o papel é levá-lo de um fluxo bastante diluído para um fluxo bastante concentrado usando evaporadores por meio da fervura da água”, diz Dave.

Este licor negro é então queimado. A maior parte da energia resultante é usada para alimentar o processo de filtragem.

“Esse sistema de circuito fechado é responsável por uma enorme quantidade de consumo de energia nos EUA. Podemos tornar esse processo 84% mais eficiente colocando o 'coador de macarrão' na frente da caldeira”, acrescenta Dave.

O primeiro semestre que John Hart lecionou no MIT foi frutífero. Ele ministrou um curso sobre impressão 3D, amplamente conhecido como manufatura aditiva (AM). Embora não fosse seu principal foco de pesquisa na época, ele achou o tema fascinante. O mesmo aconteceu com muitos dos alunos da classe, incluindo Martin Feldmann MEng '14.

Depois de se formar com seu MEng em manufatura avançada, Feldmann se juntou ao grupo de pesquisa de Hart em tempo integral. Lá, eles se uniram por causa de seu interesse comum em AM. Eles viram uma oportunidade de inovar com uma tecnologia AM de metal estabelecida, conhecida como fusão de leito de pó a laser, e criaram um conceito para realizar AM de metal em escala industrial.

A dupla fundou a VulcanForms em 2015.

“Desenvolvemos uma arquitetura de máquina para AM de metal que pode construir peças com qualidade e produtividade excepcionais”, diz Hart. “E integramos nossas máquinas em um sistema de produção totalmente digital, combinando AM, pós-processamento e usinagem de precisão.”

Ao contrário de outras empresas que vendem impressoras 3D para outros produzirem peças, a VulcanForms fabrica e vende peças para seus clientes usando sua frota de máquinas industriais. VulcanForms cresceu para quase 400 funcionários. No ano passado, a equipe abriu sua primeira fábrica de produção, conhecida como “VulcanOne”, em Devens, Massachusetts.

A qualidade e precisão com que a VulcanForms produz peças é crítica para produtos como implantes médicos, trocadores de calor e motores de aeronaves. Suas máquinas podem imprimir camadas de metal mais finas que um fio de cabelo humano.

“Estamos produzindo componentes que são difíceis ou, em alguns casos, impossíveis de fabricar de outra forma”, acrescenta Hart, que faz parte do conselho de administração da empresa.

As tecnologias desenvolvidas na VulcanForms podem ajudar a levar a uma maneira mais sustentável de fabricar peças e produtos, tanto diretamente por meio do processo aditivo quanto indiretamente por meio de cadeias de suprimentos mais eficientes e ágeis.

Uma maneira pela qual VulcanForms e AM em geral promovem a sustentabilidade é por meio da economia de material.

Muitos dos materiais que o VulcanForms usa, como ligas de titânio, requerem muita energia para serem produzidos. Quando as peças de titânio são impressas em 3D, substancialmente menos material é usado do que em um processo de usinagem tradicional. Essa eficiência de material é onde Hart vê o AM causando um grande impacto em termos de economia de energia.

Hart também aponta que a AM pode acelerar a inovação em tecnologias de energia limpa, desde motores a jato mais eficientes até futuros reatores de fusão.

“As empresas que buscam diminuir o risco e dimensionar as tecnologias de energia limpa exigem know-how e acesso à capacidade de fabricação avançada, e a manufatura aditiva industrial é transformadora nesse aspecto”, acrescenta Hart.

Existe um culpado improvável quando se trata de desperdício na fabricação e produtos de consumo: o atrito. Kripa Varanasi, professor de engenharia mecânica, e a equipe da LiquiGlide têm a missão de criar um futuro sem atrito e reduzir substancialmente o desperdício no processo.

Fundada em 2012 por Varanasi e pelo ex-aluno David Smith SM '11, a LiquiGlide projeta revestimentos personalizados que permitem que os líquidos “deslizem” nas superfícies. Até a última gota de um produto pode ser usada, seja espremida de um tubo de pasta de dente ou drenada de um tanque de 500 litros em uma fábrica. Tornar os recipientes sem fricção minimiza substancialmente o desperdício de produto e elimina a necessidade de limpar um recipiente antes de reciclar ou reutilizar.

Desde o lançamento, a empresa obteve grande sucesso em produtos de consumo. Cliente A Colgate utilizou as tecnologias da LiquiGlide no design do frasco do creme dental Colgate Elixir, que foi homenageado com vários prêmios da indústria por design. Em colaboração com o designer de renome mundial Yves Béhar, a LiquiGlide está aplicando sua tecnologia em embalagens de produtos de beleza e cuidados pessoais. Enquanto isso, a Administração de Alimentos e Medicamentos dos EUA concedeu a eles um Registro Mestre de Dispositivos, abrindo oportunidades para que a tecnologia seja usada em dispositivos médicos, administração de medicamentos e produtos biofarmacêuticos.

Em 2016, a empresa desenvolveu um sistema para tornar a fabricação de embalagens sem atrito. Chamada de CleanTanX, a tecnologia é utilizada para tratar superfícies de tanques, funis e moegas, evitando que os materiais grudem nas laterais. O sistema pode reduzir o desperdício de material em até 99%.

“Isso pode realmente mudar o jogo. Ele economiza produtos desperdiçados, reduz as águas residuais geradas pelos tanques de limpeza e pode ajudar a tornar o processo de fabricação sem desperdício”, diz Varanasi, que atua como presidente da LiquiGlide.

O LiquiGlide funciona criando um revestimento feito de um lubrificante sólido e líquido texturizado na superfície do recipiente. Quando aplicado a um recipiente, o lubrificante permanece infundido na textura. As forças capilares se estabilizam e permitem que o líquido se espalhe na superfície, criando uma superfície continuamente lubrificada que qualquer material viscoso pode deslizar para baixo. A empresa usa um algoritmo termodinâmico para determinar as combinações de sólidos e líquidos seguros dependendo do produto, seja pasta de dente ou tinta.

A empresa construiu um sistema robótico de pulverização que pode tratar grandes cubas e tanques em fábricas no local. Além de economizar milhões de dólares para as empresas em produtos desperdiçados, o LiquiGlide reduz drasticamente a quantidade de água necessária para limpar regularmente esses recipientes, que normalmente têm produtos presos nas laterais.

“Normalmente, quando você esvazia tudo de um tanque, ainda há resíduos que precisam ser limpos com muita água. Em agroquímicos, por exemplo, há regras rígidas sobre como lidar com o efluente resultante, que é tóxico. Tudo isso pode ser eliminado com LiquiGlide”, diz Varanasi.

Embora o fechamento de muitas fábricas no início da pandemia tenha desacelerado o lançamento dos pilotos CleanTanX nas fábricas, as coisas melhoraram nos últimos meses. À medida que a fabricação aumenta globalmente e internamente, Varanasi vê uma necessidade crescente de tecnologias da LiquiGlide, especialmente para líquidos como pasta semicondutora.

Empresas como Gradiant, Via Separations, VulcanForms e LiquiGlide demonstram que uma expansão nas indústrias de manufatura não precisa ter um custo ambiental alto. É possível que a fabricação seja ampliada de maneira sustentável.

“A manufatura sempre foi a espinha dorsal do que fazemos como engenheiros mecânicos. No MIT, em particular, há sempre um esforço para tornar a fabricação sustentável”, diz Evelyn Wang, professora de engenharia da Ford e ex-chefe do Departamento de Engenharia Mecânica. “É incrível ver como as startups que têm origem em nosso departamento estão analisando todos os aspectos do processo de fabricação e descobrindo como melhorá-lo para a saúde do nosso planeta.”

À medida que legislações como o CHIPS e o Science Act alimentam o crescimento da manufatura, haverá uma necessidade crescente de startups e empresas que desenvolvam soluções para mitigar o impacto ambiental, aproximando-nos de um futuro mais sustentável.